射頻與天線 第0章 緒論

射頻與天線技術(shù)

RFandAntennasTechnology秦丹陽(yáng)黑龍江大學(xué)電子工程學(xué)院通信工程系TEL：86608943Email:qindanyang@黑龍江大學(xué)本章內(nèi)容射頻/微波的定義射頻/微波的特點(diǎn)常規(guī)電路元件的射頻特性射頻/微波的簡(jiǎn)史課程內(nèi)容設(shè)置本課程的要求與建議0.1RF/MW的定義0.1RF/MW的定義常用微波波段的劃分0.1RF/MW的定義0.2RF/MW的特點(diǎn)1.頻率高通信系統(tǒng)中相對(duì)帶寬f/f通常為定值，所以頻率f越高，越容易實(shí)現(xiàn)更大的帶寬f，從而信息的容量越大；例如：對(duì)于1%的相對(duì)帶寬，600MHz頻率下帶寬為6MHz（1個(gè)電視頻道的帶寬），而60GHz頻率下帶寬為600MHz（100個(gè)電視頻道?。。┮虼耍琑F/MW的一個(gè)最廣泛的應(yīng)用就是無(wú)線通信。0.2RF/MW的特點(diǎn)微波接力通信0.2RF/MW的特點(diǎn)蜂窩電話系統(tǒng)0.2RF/MW的特點(diǎn)2.波長(zhǎng)短天線與RF電路的特性是與其電尺寸l/l相關(guān)的。在保持特性不變的前提下，波長(zhǎng)越短，天線和電路的尺寸越小，因此，波長(zhǎng)短有利于電路的小型化；目標(biāo)的雷達(dá)散射截面（RCS）也與目標(biāo)的電尺寸成正比，因此在目標(biāo)尺寸一定的情況下，波長(zhǎng)越小，RCS就越大。這是雷達(dá)系統(tǒng)通常工作在MW的原因。0.2RF/MW的特點(diǎn)雷達(dá)0.2RF/MW的特點(diǎn)3.大氣窗口地球大氣層中的電離層對(duì)大部分無(wú)線電波呈反射狀態(tài)（短波傳播原理），但在MW波段存在若干窗口。因此，衛(wèi)星通信、射頻天文通常采用微波波段。4.分子諧振各種分子、原子和原子核的諧振都發(fā)生在MW波段，這使得微波在基礎(chǔ)科學(xué)、醫(yī)學(xué)、遙感和加熱等領(lǐng)域有獨(dú)特的應(yīng)用。0.2RF/MW的特點(diǎn)衛(wèi)星通信0.2RF/MW的特點(diǎn)衛(wèi)星定位導(dǎo)航0.2RF/MW的特點(diǎn)射電天文望遠(yuǎn)鏡微波爐0.2RF/MW的特點(diǎn)微波治療儀0.2RF/MW的特點(diǎn)上述特點(diǎn)使得RF/MW有著廣泛的應(yīng)用，但是真正使RF/MW成為一門獨(dú)立學(xué)科是因其具有一個(gè)獨(dú)特的特點(diǎn)：

RF/MW的波長(zhǎng)與自然界物體尺寸相比擬在RF/MW相鄰低端以下的頻段，波長(zhǎng)比物體尺寸長(zhǎng)很多，可以采用集總模型研究；在RF/MW相鄰高端以上的頻段，波長(zhǎng)比物體尺寸短很多，可以采用幾何光學(xué)研究；當(dāng)波長(zhǎng)與物體的尺寸相比擬時(shí)，電磁波波動(dòng)性為主，因此必須采用電磁場(chǎng)理論和分布模型研究！0.3常規(guī)電路元件的射頻特性常規(guī)交流電路中最常用的電路元件是電阻R、電感L、電容C和連接這些元件的導(dǎo)線；低頻時(shí)：R、L和Ｃ分別對(duì)應(yīng)于熱能、磁場(chǎng)能量和電場(chǎng)能量集中的區(qū)域，故可以用“集總”元件表征，即R、L和Ｃ基本為常數(shù)，不隨頻率變化；導(dǎo)線相當(dāng)于與頻率無(wú)關(guān)的短路線段。在RF/MW波段，由于導(dǎo)體的趨膚效應(yīng)、介質(zhì)損耗效應(yīng)、電磁感應(yīng)等影響，期間區(qū)域不再是單純能量的集中區(qū)，而呈現(xiàn)分布特性。0.3常規(guī)電路元件的射頻特性考慮導(dǎo)線上傳輸交變電流i，變化規(guī)律為：分別考慮0.3.1長(zhǎng)線概念0.3常規(guī)電路元件的射頻特性對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)為：0.3.1長(zhǎng)線概念0.3常規(guī)電路元件的射頻特性于是，在一段長(zhǎng)為1m的導(dǎo)線上：照明電流幾乎不變GSM蜂窩電話電流變化3.3個(gè)周期X波段雷達(dá)電流變化33個(gè)周期0.3.1長(zhǎng)線概念

對(duì)于照明電力系統(tǒng)，導(dǎo)線長(zhǎng)幾米不會(huì)有什么影響，而對(duì)于X波段雷達(dá)，導(dǎo)線哪怕變化幾厘米，影響都很大。

通常把RF/MW導(dǎo)線（傳輸線）稱為長(zhǎng)線，傳統(tǒng)的電路理論已不適合長(zhǎng)線！0.3常規(guī)電路元件的射頻特性考慮一個(gè)半徑為a，長(zhǎng)為l，電導(dǎo)率為σ的圓柱導(dǎo)體，沿縱向流過的直流電流為I。由于直流電流均勻地分布在導(dǎo)體內(nèi)，因此，直流電阻R和電流密度J分別為：0.3.2導(dǎo)體的趨膚效應(yīng)0.3常規(guī)電路元件的射頻特性對(duì)于交流電流，導(dǎo)體周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)；交流磁場(chǎng)又產(chǎn)生電場(chǎng)電場(chǎng)形成與原電流相反的電流密度i，在導(dǎo)體中心處，這種效應(yīng)最強(qiáng)烈，導(dǎo)致導(dǎo)體中心的電流密度明顯減小，隨著頻率的的增高，電流趨于導(dǎo)體表面，即趨膚效應(yīng)。0.3.2導(dǎo)體的趨膚效應(yīng)0.3常規(guī)電路元件的射頻特性因此，高頻時(shí)，導(dǎo)體損耗會(huì)增大，并具有電感效應(yīng)。高頻時(shí)，沿縱向的電流密度沿導(dǎo)體徑向的分布規(guī)律為：高頻條件下，電阻和電感為：0.3.2導(dǎo)體的趨膚效應(yīng)－趨膚深度0.3常規(guī)電路元件的射頻特性因此，高頻時(shí)，導(dǎo)體損耗會(huì)增大，并具有電感效應(yīng)。高頻時(shí)，沿縱向的電流密度沿導(dǎo)體徑向的分布規(guī)律為：高頻條件下，電阻和電感為：0.3.2導(dǎo)體的趨膚效應(yīng)－趨膚深度高頻電阻與直流電阻之比恰好等于導(dǎo)體截面積與趨膚深度面積之比高頻電感電抗等于高頻電阻值0.3常規(guī)電路元件的射頻特性由于高頻效應(yīng)，在高頻時(shí)電阻R將會(huì)出現(xiàn)引線電感、引線電阻、極間電容、引線間電容等。0.3.3高頻電阻0.3常規(guī)電路元件的射頻特性于是標(biāo)稱值為R的電阻R的電阻等效電路為：通常趨膚效應(yīng)引起電阻和引線間電容可以忽略?！纠坑?jì)算長(zhǎng)為2.5cm，半徑為a=2.032×104m的銅導(dǎo)線連接的500Ω電阻的高頻電阻的阻抗特性，極間電容為5pF。0.3.3高頻電阻0.3常規(guī)電路元件的射頻特性【例】計(jì)算長(zhǎng)為2.5cm，半徑為a=2.032×10-4m的銅導(dǎo)線連接的500Ω電阻的高頻電阻的阻抗特性，極間電容為5pF。0.3.3高頻電阻0.3常規(guī)電路元件的射頻特性【例】計(jì)算長(zhǎng)為2.5cm，半徑為a=2.032×104m的銅導(dǎo)線連接的500Ω電阻的高頻電阻的阻抗特性，極間電容為5pF。0.3.3高頻電阻0.3常規(guī)電路元件的射頻特性平板電容是最常用的電容，對(duì)于面積為A，間距為d，填充介電常數(shù)為ε的電介質(zhì)的平板電容在低頻時(shí)為：高頻時(shí)，除了引線電感外，電介質(zhì)變得有耗，產(chǎn)生高頻介質(zhì)電導(dǎo)率，損耗電導(dǎo)為：0.3.4高頻電容0.3常規(guī)電路元件的射頻特性于是，平板電容變成了C與電導(dǎo)的并聯(lián)，并聯(lián)導(dǎo)納損耗角正切反映了位移與傳導(dǎo)電流的比例?？紤]引線電感L、引線電阻Rs和介質(zhì)損耗電導(dǎo)，平板電容的等效電路為：0.3.4高頻電容0.3常規(guī)電路元件的射頻特性【例】計(jì)算一個(gè)47pF平板電容器的高頻阻抗，設(shè)引線為長(zhǎng)為1.25cm，半徑a=2.032×10-4m的銅線。0.3.4高頻電容0.3常規(guī)電路元件的射頻特性電感通常是由導(dǎo)體線圈構(gòu)成，在高頻，線圈除了具有電感外，還有高頻電阻和線圈導(dǎo)體間的寄生電容。因此，電感已變?yōu)镽LC諧振器。0.3.5高頻電感0.4RF/MW發(fā)展簡(jiǎn)史1864年，英國(guó)物理學(xué)家J.C.Maxwell(1831-1879,48歲)發(fā)表了著名的麥克斯韋方程，從理論上預(yù)測(cè)電磁波的存在。1887年，德國(guó)物理學(xué)家H.Hertz(1857-1894,37歲)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了麥克斯韋方程的預(yù)研。Hertz采用電火花間隙發(fā)射機(jī)和加載偶極天線演示電磁波的傳播。0.4RF/MW發(fā)展簡(jiǎn)史1900年，意大利發(fā)明家G.Marconi(1874-1937,63歲)首次實(shí)現(xiàn)了穿越大西洋的無(wú)線電通信。他的發(fā)射天線與地之間連接70kHz電火花發(fā)生器，接收天線由風(fēng)箏支撐。1931年，英國(guó)與法國(guó)之間建立了第一條微波通信線路。二次大戰(zhàn)后，微波接力通信得到了迅速發(fā)展，20世紀(jì)50-70年代，微波接力通信是電視信號(hào)遠(yuǎn)距離傳輸?shù)闹饕侄巍４笪餮?.4RF/MW發(fā)展簡(jiǎn)史1935年，英國(guó)的R.W.Watt開展了雷達(dá)的研究，(Radar=RadioDetectingandRanging無(wú)線電探測(cè)與定位)，同年首次在試驗(yàn)中測(cè)的飛機(jī)的回波。1938年，第一只調(diào)速管問世。兩年后英國(guó)的布特和蘭特爾研制出磁控管，這些微波電子管器件都是雷達(dá)不可缺少的源。1940年，第一臺(tái)10cm波長(zhǎng)雷達(dá)問世。MIT專門成立“輻射實(shí)驗(yàn)室”，調(diào)集了大量頂尖科學(xué)家以戰(zhàn)時(shí)狀態(tài)進(jìn)行研究，促進(jìn)了微波技術(shù)的發(fā)展。0.4RF/MW發(fā)展簡(jiǎn)史1945年，雷神公司把磁控管用于微波加熱，誕生了微波爐，如今磁控管依然是微波爐的核心源。1963年，國(guó)際通信衛(wèi)星組織發(fā)射了第一顆同步通信衛(wèi)星。70年代，雷達(dá)、衛(wèi)星通信、微波中繼通信成為RF/MW應(yīng)用的主要領(lǐng)域，并迅速擴(kuò)展到微波加熱和微波遙感等領(lǐng)域。同時(shí)RFIC、MIC開始迅速發(fā)展。0.4RF/MW發(fā)展簡(jiǎn)史80-90年代，移動(dòng)通信成為最耀眼的應(yīng)用，如同二戰(zhàn)中雷達(dá)對(duì)RF/MW發(fā)展的促進(jìn)作用一樣，移動(dòng)通信，尤其是蜂窩移動(dòng)通信給RF/MW帶來(lái)了二次發(fā)展高潮。如今，RF/MW應(yīng)用幾乎深入了各類領(lǐng)域，我們身邊隨處可見：手機(jī)、藍(lán)牙、無(wú)線上網(wǎng)、衛(wèi)星電視、GPS定位、RFID等。0.4RF/MW發(fā)展簡(jiǎn)史0.5課程內(nèi)容設(shè)置從典型的RF系統(tǒng)看本課程內(nèi)容的設(shè)置無(wú)線通信系統(tǒng)原理框圖0.5課程內(nèi)容設(shè)置RF/MW系統(tǒng)的組成：傳輸線：傳輸RF/MW信號(hào)微波元器件：完成微波信號(hào)的產(chǎn)生、放大、變換等和功率的分配、控制及濾波天線：輻射或接收電磁波正是上述裝置構(gòu)成了本課程內(nèi)容0.5課程內(nèi)容設(shè)置當(dāng)然，RF/MW應(yīng)用還涉及其它重要方面：電波傳播RF/MW測(cè)量RF/MW仿真與計(jì)算盡管重要，由于課時(shí)有限，劃分為實(shí)驗(yàn)及自學(xué)內(nèi)容。0.5課程內(nèi)容設(shè)置微波、天線與電波傳播的關(guān)系微波對(duì)象：如何導(dǎo)引電磁波在微波傳輸系統(tǒng)中的有效傳輸目的：希望電磁波按一定要求沿微波傳輸系統(tǒng)無(wú)輻射的傳輸；天線任務(wù)：將導(dǎo)行波變換為向空間定向輻射的電磁波，或?qū)⒃诳臻g傳播的電磁波變?yōu)槲⒉ㄔO(shè)備中的導(dǎo)行波作用：1.有效輻射或接收電磁波；2.把無(wú)線電波能量轉(zhuǎn)換為導(dǎo)行波能量電波傳播分析和研究電波在空間的傳播方式和特點(diǎn)0.6本課程要求與建議使用教材《微波技術(shù)與天線》（第三版）西安電子科技大學(xué)出版社，劉學(xué)觀，郭輝萍編著。參考書籍[1]R.Ludwig,P.Bretchko.RFcircuitDesign-TheoryandApplications.電子工業(yè)出版社,2004[2]P.M.Pozar.MicrowaveEngineering.(3ed).電子工業(yè)出版社,2006.[3]K.Chang.RFandMicrowaveWirelessSystem.NYJohnWiley&SonsInc.,2010.劉學(xué)觀郭輝萍編著西安電子科技大學(xué)出版社

0.6本課程要求與建議成績(jī)?cè)u(píng)定與作業(yè)要求作業(yè)+出勤20%實(shí)驗(yàn)10%期末考試70%教學(xué)方法課程特點(diǎn)概念抽象、數(shù)學(xué)公式多我們的對(duì)策形象化教學(xué)+原理設(shè)計(jì)我們的目標(biāo)能夠分析并設(shè)計(jì)典型RF/MW電路0.6