射頻電路第1次課-第1章射頻電子學(xué)概述1.1~1.3

射頻電路授課老師：林昌華Email:676715918@QQ.com教材：第一章射頻電子學(xué)概述1.1

關(guān)于射頻和射頻電路概念射頻和無線電頻率在英語詞匯里都是RadioFrequency，縮寫為RF，意思是可以輻射到空間的電磁波頻率。頻率達(dá)到射頻的信號(hào)叫做射頻信號(hào)。射頻信號(hào)在自由空間傳播時(shí)的速度等于光速，即c=f·λ=3×108m/s。式中,f

為頻率；λ為波長；c為光速。因?yàn)檎婵展馑偈且粋€(gè)常量，所以頻率與波長成反比，頻率越高波長越短。例如，當(dāng)f=106Hz=1MHz時(shí)，λ=300m；當(dāng)f=103MHz=1GHz時(shí)，λ=30cm。當(dāng)電路的尺寸小到可以與信號(hào)波長相比擬時(shí),電路將出現(xiàn)一些特殊的性質(zhì)，基爾霍夫（Kirhoff）低頻電路理論對(duì)此已不再適用，必須用分布參數(shù)電路理論對(duì)電路進(jìn)行分析和解決有關(guān)問題。電路尺寸可以與射頻信號(hào)波長相比擬的電路稱為射頻電路（RFCircuit）。例如，北京時(shí)間2012年9月13日發(fā)布的iphone5的尺寸是123.8×58.6×7.6mm，3G工作頻率最高為2.1GHz,波長為143mm。無線電頻率從低到高的排列次序就是無線電頻譜。表1.1將無線電頻譜劃分為若干頻段。不同頻段的無線電信號(hào)的傳輸特性和用途不同。對(duì)于工作頻率高于30MHz(波長10m)的家用電器來說,就需要考慮元器件和接線的分布參數(shù)對(duì)電路性能的影響了。對(duì)于頻率從幾百M(fèi)Hz(波長1m左右)至4GHz（波長75mm）的電子設(shè)備來說，由于信號(hào)波長很短，電子電路中的元器件和接線的分布參數(shù)對(duì)電路工作性能的影響很大，就必須運(yùn)用射頻電路理論指導(dǎo)電路的分析和設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)集中參數(shù)的低頻電路采用的基爾霍夫電路定律不再適用。表1.1無線電頻段

波長(波長)頻率(頻段)

通

用

名主

要

應(yīng)

用100km以上3

kHz極低頻(ELF)

水下通信10～100km3～30

kHz甚低頻(VLF)

海上通信1～10km30～300kHz低頻(LF)或長波(LW)

調(diào)幅廣播100～1000m300～3000kHz中頻(MF)或中波(MW)調(diào)幅廣播10～100m3～30MHz高頻(HF)或短波(SW)調(diào)幅廣播、業(yè)余無線電1～10m30～300

MHz甚高頻(VHF)調(diào)頻廣播、電視(注：需要考慮分布參數(shù)的影響)0.1～1.0m300～3000MHz特高頻(UHF)電視、蜂窩電話(注：采用分布參數(shù)理論設(shè)計(jì))10～100mm3～30

GHz超高頻(SHF)固定無線、衛(wèi)星通信(注：采用場模式理論)1～10mm30～300GHz極高頻(EHF)衛(wèi)星通信、雷達(dá)(注：采用場模式理論)在無線電頻譜中，從300MHz～

3THz是微波區(qū),如表1.2所示。微波的波長從1.0m～0.1mm,分為分米波、厘米波、毫米波和亞毫米波4個(gè)波段。當(dāng)電路的工作頻率高于4GHz時(shí),波長甚至低于電路的尺寸，需要用到場模式理論及TE(TransverseElectricField)

和TM(TransverseMagnetic

Field)傳輸線,這超出了本課程的射頻電路學(xué)習(xí)范疇。表1.2IEEE/工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)微波段命名

波段命名頻率（GHz）波段命名頻率（GHz）UHF0.3～1Ku12～18L1～2K18～27

S2～4Ka27～40C4～8毫米40～300X8～12亞毫米＞3001.2射頻電路的應(yīng)用從1897年馬可尼(GuglielmoMarconi)開始無線電長距離通信起,無線電通信的工作頻率就在不斷提高。目前，3G移動(dòng)通信最高工作頻率已經(jīng)達(dá)到2.1GHz,全球定位系統(tǒng)(GPS)工作于1227.60～1575.42MHz,14～83頻道的電視廣播工作于470～

890MHz,無線局域網(wǎng)(WLAN)的工作頻率也在GHz頻段。對(duì)計(jì)算機(jī)來說,高速大容量的服務(wù)器和個(gè)人計(jì)算機(jī)所采用的時(shí)鐘脈沖頻率不斷增加,計(jì)算機(jī)主頻的工作頻率已經(jīng)達(dá)到GHz,同樣需要考慮電路在射頻下的設(shè)計(jì)問題。還有一些電器的遙控裝置也采用了射頻技術(shù)，例如，PPT放映遙控器。其技術(shù)參數(shù)如下。發(fā)射器遙控方式RF射頻技術(shù)發(fā)射頻率2.402GHzRF輸出功率0dBm控制距離10m激光功率＜1mWor5mW波長630～680nm工作電壓3V休眠電流1μA電池1×CR2032尺寸32×87×8mm總量17g接收器操作系統(tǒng)Windows98/Se,Me,2000,XP,MacOS,Linux,Vista接收頻率2.402GHz接收靈敏度-90dBm遙控方式RF射頻技術(shù)USB版本USB1.1兼容USB2.0工作電壓4.5～5.5V尺寸32×63×8總量11g當(dāng)今蓬勃發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)(InternetofThings)更是需要大量應(yīng)用射頻識(shí)別(RadioFrequencyIdentification，RFID)技術(shù)。所謂“物聯(lián)網(wǎng)”，就是“物物相連的互聯(lián)網(wǎng)”。這有兩層意思：第一，物聯(lián)網(wǎng)的核心和基礎(chǔ)仍然是互聯(lián)網(wǎng)Internet，它是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)；第二，其終端延伸到了任何物品Things，組成了物與物相連的網(wǎng)絡(luò)，在人與物、物與物之間進(jìn)行信息交換和操控。物聯(lián)網(wǎng)中的RFID和二維碼對(duì)物體的技術(shù)規(guī)格、商品屬性、物流流程等進(jìn)行標(biāo)識(shí)。讀寫器標(biāo)簽與磁卡、ＩＣ卡等接觸式識(shí)別技術(shù)不同，ＲＦＩＤ系統(tǒng)的讀寫器與標(biāo)簽之間無須物理接觸就可完成讀寫和識(shí)別功能，因而可實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)識(shí)別、運(yùn)動(dòng)目標(biāo)識(shí)別，可應(yīng)用到更廣泛的場合。射頻識(shí)別基本原理典型的射頻識(shí)別系統(tǒng)由標(biāo)簽、讀寫器和數(shù)據(jù)交換管理系統(tǒng)等組成。系統(tǒng)的基本工作原理為：讀寫器不斷發(fā)出一組固定頻率的射頻信號(hào)，當(dāng)非接觸標(biāo)簽內(nèi)的ＬＣ串聯(lián)諧振電路進(jìn)入讀寫器的覆蓋區(qū)域內(nèi)，在射頻電磁波激勵(lì)下，ＬＣ諧振電路產(chǎn)生共振。共振使標(biāo)簽內(nèi)的電容有了電荷，此時(shí)在電容另一端接的一個(gè)單向?qū)娮颖镁涂梢詫㈦娙輧?nèi)的電荷送到另一個(gè)電容內(nèi)并存儲(chǔ)。當(dāng)所積累的電荷的電壓值達(dá)到２Ｖ時(shí)，這個(gè)電壓就可作為標(biāo)簽的工作電源。此時(shí)，標(biāo)簽響應(yīng)讀寫器的要求，將信息讀出后調(diào)制發(fā)出，供讀寫器接收。標(biāo)簽內(nèi)的Ｅ２ＰＲＯＭ存儲(chǔ)有電子標(biāo)簽唯一的長度為６４位的ＩＤ號(hào)和用戶數(shù)據(jù)。

RFID標(biāo)簽與讀寫器之間的無線通信頻段有多種，如下表所示。相應(yīng)的射頻識(shí)別系統(tǒng)都有國際標(biāo)準(zhǔn)予以支持。工作頻率低于30MHz的電子標(biāo)簽的成本較低、標(biāo)簽內(nèi)保存的數(shù)據(jù)量也較少、閱讀距離較短（無源情況，典型閱讀距離為10cm）、電子標(biāo)簽外形多樣（卡狀、環(huán)狀、鈕扣狀、筆狀）、閱讀天線方向性弱。由于低于30MHz的電子標(biāo)簽有以上優(yōu)點(diǎn)，中國電信、移動(dòng)和聯(lián)通三大運(yùn)營商2010年8月26日達(dá)成共識(shí)，手機(jī)支付業(yè)務(wù)采用銀聯(lián)主導(dǎo)的13.56MHz標(biāo)準(zhǔn)。以前，中國移動(dòng)曾經(jīng)進(jìn)行過2.4GHz的RF-SIM手機(jī)支付試驗(yàn)。30MHz以下系統(tǒng)使用最廣，但數(shù)據(jù)速率低，傳輸距離短。它可以在一定環(huán)境下替代條碼，用在工廠的流水線等場合跟蹤物體。工作頻率高于400MHz的電子標(biāo)簽及閱讀器成本均較高、標(biāo)簽內(nèi)保存的數(shù)據(jù)量較大、閱讀距離較遠(yuǎn)（可達(dá)幾米至十幾米），適應(yīng)物體高速運(yùn)動(dòng)性能好，外形一般為卡狀，閱讀天線及電子標(biāo)簽天線均有較強(qiáng)的方向性。400MHz以上系統(tǒng)通信距離遠(yuǎn)，可用在自動(dòng)收費(fèi)或識(shí)別車輛身份等場合。缺點(diǎn)是耗電量較大。射頻電路有如下一些優(yōu)點(diǎn)。1)

采用射頻可以獲得更高的數(shù)據(jù)傳輸速率一般來說，工作頻率越高，可以達(dá)到的數(shù)據(jù)傳輸速率就越高。例如，在二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)中，可以用一個(gè)或多個(gè)載波周期的幅度、頻率或相位的變化來表示一個(gè)二進(jìn)制數(shù)1或0。這種情況下的數(shù)據(jù)速率最高等于載波頻率，載波頻率越高，數(shù)據(jù)速率也就越高。2)采用射頻可以縮小天線和射頻電路的體積無線通信需要采用天線發(fā)射和接收信號(hào)。如果天線的尺寸可以與波長相比擬，天線輻射和接收電磁波就更為有效。工作頻率越高,波長越短,天線尺寸也就越小，這樣有助于滿足移動(dòng)通信對(duì)天線尺寸小型化的要求。射頻電路中電感和電容等元器件的尺寸很小,這有助于減小設(shè)備的體積。3)空間噪聲是影響通信質(zhì)量的最主要因素。當(dāng)頻率高到一定程度時(shí)(如100MHz)，噪聲功率便會(huì)下降；當(dāng)頻率達(dá)到1GHz時(shí)，外部空間噪聲影響消失，這是一個(gè)巨大的優(yōu)點(diǎn)。4）射頻的傳輸衰減很大，傳輸距離短。這看起來是缺點(diǎn)，對(duì)于小區(qū)制蜂窩移動(dòng)通信和射頻識(shí)別系統(tǒng)來說確是一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。傳輸距離短可以提高蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)的頻率再用率，降低射頻識(shí)別系統(tǒng)的差錯(cuò)。1.3我國射頻電路的研發(fā)情況隨著射頻電路的廣泛應(yīng)用和不斷發(fā)展,射頻電路的工作頻率范圍不斷向更高的頻率延伸,已有資料顯示，工作頻率高達(dá)