射频理论知识点总结 射频微波电路的应用

1. 什么是射频？

射频简称RF，是高频交流变化电磁波的简称。

电磁波其实就是比较熟悉的概念了。

依据麦克斯韦的电磁场理论：振荡的电场产生振荡的磁场，振荡的磁场产生振荡的电场。

电磁场在空间内不断向外传播，形成了电磁波。

下图可以大致体现体现这个过程，E代表电场，B代表磁场。

在轴上同一位置的电场、磁场的相位和幅度均会随着时间发生变化。

通常情况下，射频（RF）是振荡频率在300KHz-300GHz之间的电磁波的统称，被广泛应用于雷达和无线通信。

2. 射频基本特征

为了描述给定射频信号，可以从频率、波长、幅度、相位四个角度出发。

2.1 频率和波长

电磁波的频率即电磁场振荡的频率。

波动具有周期，频率（f）即给定单位时间内的波发生的周期数，单位为赫兹（Hz）。

下图表示的是频率为10Hz的信号单位时间内的波形。

波长（λ）即波在一个周期内传播的距离，在传播速度一定的情况下，波长与频率成反比，即，λ = c / f。

相似频率的RF之间会相互干扰，因此有专门管理频谱的组织来分配使用频段，避免应用之间的互相干扰，规范RF的使用。

由于衰减等因素影响，低频电磁波一般能比高频电磁波传播更长的距离，因此经常被用来超视距雷达。

而高频电磁波能量高，穿透能力强，带宽更高，现在也被用于一些视距内的通信来缓解低频段拥挤的问题，例如mmWave通信。

2.2 振幅

RF的振幅信号即单个周期内电场振荡变化的度量，对于正弦波，可以用峰值①、峰-峰值②、均方根值来表示③。

2.3 相位

相位即波周期中单个时间点的位置，在正弦波中通常用弧度表示。

3. 调制

单纯的电磁波是没有意义的，为了达到通信的目的，我们需要对发射端的电磁波进行一些操作来达到承载数据的目的，这个操作就叫做调制。

稍微学术一点，为了达到通信的目的，RF信号必须具有一种携带信息的方式，调制即利用三个波特性（频率、相位、振幅）来达到修改RF信号、传输数据的目的。

调制又分为模拟调制和数字调制，下面分别介绍。

3.1 模拟调制

模拟调制包括发送带有模拟载波的模拟数字信号，最简单的模拟调制包括调幅（幅度），调频（频率），调相（相位）。

载波：被调制以传输信号的波形，通常为正弦波。

原始信号：

调幅（AM）: 基础调幅过程: 调制信号与载波的最大振幅相加，再与载波相乘，结果如下：

调频（FM）：

直接调频：利用调制信号直接控制振荡器的振荡频率。

间接调频：现将调制信号进行积分，然后对载波调相，最后通过n次倍频器得到最后的调制信号。调频可以通过调相间接得到。

调相（PM）：如间接调频，调相和调频经常一起发生。通过调制数据信号可以将载波的相位往前或者向后挪移。

3.2 数字调制

数字调制指用数字信号对正弦或余弦高频振荡进行调制。最基本的调制方式包括：振幅键控（ASK）、频率键控（FSK）、移相键控（PSK）。

抗干扰能力：PSK>FSK>ASK

振幅键控（ASK）：用数字调制信号控制，可以通过改变幅度本身，也可以通过简单地关闭、打开信号形成能量脉冲（开关键：OOK）。

频率键控（FSK）：FSK用二进制数据调制载波的频率，形成具有明显变化的频率来表示数据位。

移相键控（PSK）：用数字调制信号的正负控制载波相位，如，数字信号的振幅为正时，载波起始相位取180°，为负时，相位取0°。

在高速系统中，以符号表示单个1或0的格式传输数字数据非常慢，为了提高数据传输的速度，需要借用更复杂的调制形式，用单个符号来表示几个位。

正交相移键控（QPSK）：又称四相相移键控，利用载波的4中不同相位差来表征输入，规定45°/135°/225°/275°四种载波相位，每种相位代表两个bit的组合，如图所示。

要进行扩展也很容易，增加更多的相位点，就可以产生更多的符号，增加数据速率。

除了增加相位点，也可以通过增加幅度调制来进一步增加数据表示的维度，增加数据传输的效率。

正交幅度调制（QAM）：调制过程中，同时以载波信号的幅度和相位来代表不同的比特编码，将多进制与正交载波技术相结合，进一步提高频带利用率。下图是16-QAM的示例图。

对于数字调制来说，采用的是离散的数字量来控制载波相位和幅度的变化，因此其在极坐标上的状态表示为一个个离散的点

这些点根据不同的调制方式而组成不同的图案，这些图案有时又称为星座图（Constellation）。上图即为16-QAM的星座图。

IQ调制技术

以上所提及的所有数字调制方式，基本上都是通过IQ调制实现的（如何实现见Understanding I/Q Signals and Quadrature Modulation），I是in-phase（同相）, q是 quadrature（正交）。

IQ调制就是数据分为两路，分别进行载波调制，两路载波相互正交（相位相差90°）。

数字IQ调制完成了符号到矢量坐标系的映射，映射点一般称为星座点，具有实部和虚部。

该矢量坐标系也可以称为IQ坐标系。

在IQ坐标系中，任何一点都确定了一个矢量，可以写为(I + jQ)的形式，数字调制完成后便可以得到相应的I 和 Q 波形，因此数字调制又称为矢量调制。

上图显示了BPSK、QPSK、16-QAM、32-QAM的星座图。

一般情况下，信号在星座图上每个状态承载的数据内容被称为1个符号（Symbol），每个符号对应星座图上的一个状态，不同状态间的变化速率就叫做符号速率（Symbol Rate），有时又称为波特率（Baud Rate）。

4. 扩频

扩频（Spread Spectrum，SS）是将传输信号的频谱（spectrum）打散到较其原始带宽更宽的一种通信技术，常用于无线通信领域。

扩频具有以下优点：

① 对各类噪声如多径失真具有免疫性；

② 可用于隐藏和加密信号。接收方必须知道扩频码，才可恢复原始信号；

③ 多个用户可独立使用同样的较高带宽，且几乎无干扰。

目前主流的两个扩频技术是跳频扩频和直接序列扩频。

4.1 跳频扩频（FHSS）

用一定的扩频码序列进行选择的多频率频移键控调制，使载波频率不断跳变。

发送方用看似随机的无线电频率序列广播信息，并在固定时间间隔内从一个频率跳到另一个频率，接收方接收时也同步跳转频率。

4.2 直接序列扩频（DSSS）

用高码率的扩频码序列在发送方直接扩展信号频谱，而接收方则用相同扩频码序列进行解扩。

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无线电频段划分

一般情况下，射频/微波频段分为 米波（10-1m，30-300MHz），分米波（波长10～1dm,频率300～3000MHz）、 厘米波（波长10～1cm,频率3～30GHz）和毫米波（波长10～1mm,频率30～300GHz）四个波段。

其后是亚毫米波、 远红外线、 红外线、 可见光。

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研究方法 -- 微波技术

具体地,微波技术包括信号的产生、 调制、 功率放大、 辐射、 接收、 低噪声放大、 混频、 解调、 检测、 滤波、 衰减、移相、 开关等各个模块单元的设计和生产。

研究电磁波沿传输线的传播特性有两种分析方法。

一种是“场”的分析方法

即从麦克斯韦方程出发,在特定边界条件下解电磁波动方程,求得场量的时空变化规律,分析电磁波沿线的各种传输特性；

另一种是“路”的分析方法

即将传输线作为分布参数电路处理,用基尔霍夫定律建立传输线方程,求得传输线上电压和电流的时空变化规律,分析电压和电流的各种传输特性。

用上述两种方法的结果是相同的，取决于哪个更方便。

在射频/微波频率范围内，模块的几何尺寸和波长相似，分布参数的概念始终贯彻于工程技术的方方面面。

“结构就是电路”是射频/微波电路的显著特征。

射频/微波电路的设计目标就是处理好材料、结构与电路功能的关系。

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射频/微波的核心问题

射频铁三角： 频率，阻抗，功率

这三者是核心指标，相互独立又相互影响

频率

频率是射频/微波工程中最基本的一个参数,对应于无线系统所工作的频谱范围,也规定了所研究的微波电路的基本前提,进而决定微波电路的结构形式和器件材料。

直接影响射频/微波信号频率的主要电路有：

信号产生器：用来产生特定频率的信号,如点频振荡器、机械调谐振荡器、 压控振荡器、 频率合成器等。

频率变换器：将一个或两个频率的信号变为另一个所希望的频率信号,如分频器、变频器、 倍频器、 混频器等。

频率选择电路：在复杂的频谱环境中,选择所关心的频谱范围。

经典的频率选择电路是滤波器,如低通滤波器、带通滤波器、 高通滤波器和带阻滤波器等。

近年发展起来的高速电子开关由于体积小,在许多方面取代了滤波器来实现频率选择。

在射频/微波工程中,这些电路可以独立工作,也可以相互组合,还可以与其他电路组合,构成射频/微波电路子系统。

这些电路的测量仪器有频谱分析仪、频率计数器、功率计、网络分析仪等

功率

功率用来描述射频/微波信号的能量大小。

所有电路或系统的设计目标都是实现射频/微波能量的最佳传递。

影响射频/微波信号功率的主要电路有：

衰减器:  控制射频/微波信号功率的大小。

通常由有耗材料（电阻性材料）构成,有固定衰减量和可调衰减量之分。

功分器:  将一路射频/微波信号分成若干路的组件,可以是等分的,也可以是比例分配的,希望分配后信号的损失尽可能小。

功分器也可用作功率合成器,在各个支路口接同频同相等幅信号,在主路叠加输出。

耦合器:  定向耦合器是一种特殊的分配器。

通常是耦合一小部分功率到支路,用以检测主路信号的工作状态是否正常。分支线耦合器和环形桥耦合器可实现不同相位的功率分配/合成，配合微波二极管,完成多种功能微波电路,如混频、变频、 移相等。

放大器：提高射频/微波信号功率的电路,在射频/微波工程中地位极为重要。

用于接收的是小信号放大器,该类放大器着重要求低噪声、高增益。用于发射的是功率放大器,对于该类放大器,为了满足要求的输出功率,可以不惜器件和电源成本。用于测试仪器的放大器,完善和丰富了仪器的功能。

阻抗

阻抗是在特定频率下,描述各种射频/微波电路对微波信号能量传输的影响的一个参数。

电路的材料和结构对工作频率的响应决定电路阻抗参数的大小。

工程实际中,应设法改进阻抗特性,实现能量的最大传输。

所涉及的射频/微波电路有：

阻抗变换器:  增加合适的元件或结构,实现一个阻抗向另一个阻抗的过渡。

阻抗匹配器:  一种特定的阻抗变换器,实现两个阻抗之间的匹配。

天线:  一种特定的阻抗匹配器,实现射频/微波信号在封闭传输线和空气媒体之间的匹配传输。

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射频微波工程基础知识

关于分贝dB的基础概念

通常情况下,射频/微波电路用波的概念来描述能量的传递,用功率而不用电压或电流。

由于便于测量和运算,分贝用的最多。

dBm：功率相对于1mW的比值；

dBw：功率相对于1W的比值；

dBi，就是天线相对于一个全向点源天线的增益比值

更多dB

功率对应关系表

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常用的射频微波接头

各种电路模块需要用接插件连接起来。

这种连接可以是硬连接,也可以通过电缆软连接。

电缆分为柔性电缆、软电缆和半刚性电缆。

工程中的具体选择由总体结构、 成本与性能等因素决定。

这些接头都是阴—阳配对使用。

旋接时一手捏紧阴头端，另一手旋转阳头端螺套，使接头插针沿轴向拔出或插入，不应旋转阴头端，以免损伤插针和插孔。

接头另一端焊接射频/微波电路或与合适的电缆相接。

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射频微波电路的应用

射频/微波电路的经典用途是通信和雷达系统。

近年来发展最为迅猛的当数个人通信系统,当然,导航、遥感、 科学研究、 生物医学和微波能的应用也占有很大的市场份额。

下面归纳出射频/微波电路的各种用途,并给出几个应用实例。

无线通信系统:

空间通信,远距离通信,无线对讲,蜂窝移动,个人通信系统,无线局域网,卫星通信,航空通信,航海通信,机车通信,业余无线电等。

导航系统：

微波着陆系统（MLS）,GPS,无线信标,防撞系统,航空、航海自动驾驶等。

遥感：

地球监测,污染监测,森林、农田、 鱼汛监测,矿藏、沙漠、 海洋、 水资源监测,风、雪、冰、凌监测,城市发展和规划等。

射频识别：

保安,防盗,入口控制,产品检查,身份识别,自动验票等。

广播系统：

调幅（AM）,调频（FM）广播,电视（TV）等。

汽车和高速公路：

自动避让,路面告警,障碍监测,路车通信,交通管理,速度测量,智能高速路等。

传感器：

潮湿度传感器,温度传感器,长度传感器,探地传感器,机器人传感器等。

电子战系统：

间谍卫星,辐射信号监测,行军与阻击等。

医学应用：

磁共振成像,微波成像,微波理疗,加热催化,病房监管等。

空间研究:

射电望远镜,外层空间探测等。

无线输电:

空对空,地对空,空对地,地对地输送电能等。

编辑：黄飞