射頻與天線緒論課件

射頻與天線技術(shù)

RFandAntennasTechnology秦丹陽黑龍江大學電子工程學院通信工程系TEL：86608943Email:qindanyang@黑龍江大學射頻與天線技術(shù)

RFandAntennasTechno本章內(nèi)容射頻/微波的定義射頻/微波的特點常規(guī)電路元件的射頻特性射頻/微波的簡史課程內(nèi)容設(shè)置本課程的要求與建議本章內(nèi)容射頻/微波的定義0.1RF/MW的定義0.1RF/MW的定義0.1RF/MW的定義常用微波波段的劃分0.1RF/MW的定義常用微波0.1RF/MW的定義0.1RF/MW的定義0.2RF/MW的特點1.頻率高通信系統(tǒng)中相對帶寬f/f通常為定值，所以頻率f越高，越容易實現(xiàn)更大的帶寬f，從而信息的容量越大；例如：對于1%的相對帶寬，600MHz頻率下帶寬為6MHz（1個電視頻道的帶寬），而60GHz頻率下帶寬為600MHz（100個電視頻道！?。┮虼?，RF/MW的一個最廣泛的應用就是無線通信。0.2RF/MW的特點1.頻率高0.2RF/MW的特點微波接力通信0.2RF/MW的特點微波接力通信0.2RF/MW的特點蜂窩電話系統(tǒng)0.2RF/MW的特點蜂窩電話系統(tǒng)0.2RF/MW的特點2.波長短天線與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，波長越短，天線和電路的尺寸越小，因此，波長短有利于電路的小型化；目標的雷達散射截面（RCS）也與目標的電尺寸成正比，因此在目標尺寸一定的情況下，波長越小，RCS就越大。這是雷達系統(tǒng)通常工作在MW的原因。0.2RF/MW的特點2.波長短0.2RF/MW的特點雷達0.2RF/MW的特點雷達0.2RF/MW的特點3.大氣窗口地球大氣層中的電離層對大部分無線電波呈反射狀態(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、醫(yī)學、遙感和加熱等領(lǐng)域有獨特的應用。0.2RF/MW的特點3.大氣窗口0.2RF/MW的特點衛(wèi)星通信0.2RF/MW的特點衛(wèi)星通信0.2RF/MW的特點衛(wèi)星定位導航0.2RF/MW的特點衛(wèi)星定位導航0.2RF/MW的特點射電天文望遠鏡微波爐0.2RF/MW的特點射電天文望遠鏡微波爐0.2RF/MW的特點微波治療儀0.2RF/MW的特點微波治療儀0.2RF/MW的特點上述特點使得RF/MW有著廣泛的應用，但是真正使RF/MW成為一門獨立學科是因其具有一個獨特的特點：

RF/MW的波長與自然界物體尺寸相比擬在RF/MW相鄰低端以下的頻段，波長比物體尺寸長很多，可以采用集總模型研究；在RF/MW相鄰高端以上的頻段，波長比物體尺寸短很多，可以采用幾何光學研究；當波長與物體的尺寸相比擬時，電磁波波動性為主，因此必須采用電磁場理論和分布模型研究！0.2RF/MW的特點上述特點使得RF/MW有著廣泛的應用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線；低頻時：R、L和Ｃ分別對應于熱能、磁場能量和電場能量集中的區(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；導線相當于與頻率無關(guān)的短路線段。在RF/MW波段，由于導體的趨膚效應、介質(zhì)損耗效應、電磁感應等影響，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常規(guī)交流電路中最常用的電路元件0.3常規(guī)電路元件的射頻特性考慮導線上傳輸交變電流i，變化規(guī)律為：分別考慮0.3.1長線概念0.3常規(guī)電路元件的射頻特性考慮導線上傳輸交變電流i，變化0.3常規(guī)電路元件的射頻特性對應的波長為：0.3.1長線概念0.3常規(guī)電路元件的射頻特性對應的波長為：0.3.1長線0.3常規(guī)電路元件的射頻特性于是，在一段長為1m的導線上：照明電流幾乎不變GSM蜂窩電話電流變化3.3個周期X波段雷達電流變化33個周期0.3.1長線概念

對于照明電力系統(tǒng)，導線長幾米不會有什么影響，而對于X波段雷達，導線哪怕變化幾厘米，影響都很大。

通常把RF/MW導線（傳輸線）稱為長線，傳統(tǒng)的電路理論已不適合長線！0.3常規(guī)電路元件的射頻特性于是，在一段長為1m的導線上：0.3常規(guī)電路元件的射頻特性考慮一個半徑為a，長為l，電導率為σ的圓柱導體，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體內(nèi)，因此，直流電阻R和電流密度J分別為：0.3.2導體的趨膚效應0.3常規(guī)電路元件的射頻特性考慮一個半徑為a，長為l，電導0.3常規(guī)電路元件的射頻特性對于交流電流，導體周圍產(chǎn)生磁場；交流磁場又產(chǎn)生電場電場形成與原電流相反的電流密度i，在導體中心處，這種效應最強烈，導致導體中心的電流密度明顯減小，隨著頻率的的增高，電流趨于導體表面，即趨膚效應。0.3.2導體的趨膚效應0.3常規(guī)電路元件的射頻特性對于交流電流，導體周圍產(chǎn)生磁場0.3常規(guī)電路元件的射頻特性因此，高頻時，導體損耗會增大，并具有電感效應。高頻時，沿縱向的電流密度沿導體徑向的分布規(guī)律為：高頻條件下，電阻和電感為：0.3.2導體的趨膚效應－趨膚深度0.3常規(guī)電路元件的射頻特性因此，高頻時，導體損耗會增大，0.3常規(guī)電路元件的射頻特性因此，高頻時，導體損耗會增大，并具有電感效應。高頻時，沿縱向的電流密度沿導體徑向的分布規(guī)律為：高頻條件下，電阻和電感為：0.3.2導體的趨膚效應－趨膚深度高頻電阻與直流電阻之比恰好等于導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因此，高頻時，導體損耗會增大，0.3常規(guī)電路元件的射頻特性由于高頻效應，在高頻時電阻R將會出現(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由于高頻效應，在高頻時電阻R將0.3常規(guī)電路元件的射頻特性于是標稱值為R的電阻R的電阻等效電路為：通常趨膚效應引起電阻和引線間電容可以忽略?！纠坑嬎汩L為2.5cm，半徑為a=2.032×104m的銅導線連接的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于是標稱值為R的電阻R的電阻等0.3常規(guī)電路元件的射頻特性【例】計算長為2.5cm，半徑為a=2.032×10-4m的銅導線連接的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】計算長為2.5cm，半徑0.3常規(guī)電路元件的射頻特性【例】計算長為2.5cm，半徑為a=2.032×104m的銅導線連接的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】計算長為2.5cm，半徑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為：高頻時，除了引線電感外，電介質(zhì)變得有耗，產(chǎn)生高頻介質(zhì)電導率，損耗電導為：0.3.4高頻電容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，對于面0.3常規(guī)電路元件的射頻特性于是，平板電容變成了C與電導的并聯(lián)，并聯(lián)導納損耗角正切反映了位移與傳導電流的比例?？紤]引線電感L、引線電阻Rs和介質(zhì)損耗電導，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于是，平板電容變成了C與電導的0.3常規(guī)電路元件的射頻特性【例】計算一個47pF平板電容器的高頻阻抗，設(shè)引線為長為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【例】計算一個47pF平板電容0.3常規(guī)電路元件的射頻特性電感通常是由導體線圈構(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0.3常規(guī)電路元件的射頻特性電感通常是由導體線圈構(gòu)成，在高0.4RF/MW發(fā)展簡史1864年，英國物理學家J.C.Maxwell(1831-1879,48歲)發(fā)表了著名的麥克斯韋方程，從理論上預測電磁波的存在。1887年，德國物理學家H.Hertz(1857-1894,37歲)實驗證實了麥克斯韋方程的預研。Hertz采用電火花間隙發(fā)射機和加載偶極天線演示電磁波的傳播。0.4RF/MW發(fā)展簡史1864年，英國物理學家J.C.M0.4RF/MW發(fā)展簡史1900年，意大利發(fā)明家G.Marconi(1874-1937,63歲)首次實現(xiàn)了穿越大西洋的無線電通信。他的發(fā)射天線與地之間連接70kHz電火花發(fā)生器，接收天線由風箏支撐。1931年，英國與法國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50-70年代，微波接力通信是電視信號遠距離傳輸?shù)闹饕侄?。大西?.4RF/MW發(fā)展簡史1900年，意大利發(fā)明家G.Mar0.4RF/MW發(fā)展簡史1935年，英國的R.W.Watt開展了雷達的研究，(Radar=RadioDetectingandRanging無線電探測與定位)，同年首次在試驗中測的飛機的回波。1938年，第一只調(diào)速管問世。兩年后英國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不可缺少的源。1940年，第一臺10cm波長雷達問世。MIT專門成立“輻射實驗室”，調(diào)集了大量頂尖科學家以戰(zhàn)時狀態(tài)進行研究，促進了微波技術(shù)的發(fā)展。0.4RF/MW發(fā)展簡史1935年，英國的R.W.Watt0.4RF/MW發(fā)展簡史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、衛(wèi)星通信、微波中繼通信成為RF/MW應用的主要領(lǐng)域，并迅速擴展到微波加熱和微波遙感等領(lǐng)域。同時RFIC、MIC開始迅速發(fā)展。0.4RF/MW發(fā)展簡史1945年，雷神公司把磁控管用于微0.4RF/MW發(fā)展簡史80-90年代，移動通信成為最耀眼的應用，如同二戰(zhàn)中雷達對RF/MW發(fā)展的促進作用一樣，移動通信，尤其是蜂窩移動通信給RF/MW帶來了二次發(fā)展高潮。如今，RF/MW應用幾乎深入了各類領(lǐng)域，我們身邊隨處可見：手機、藍牙、無線上網(wǎng)、衛(wèi)星電視、GPS定位、RFID等。0.4RF/MW發(fā)展簡史80-90年代，移動通信成為最耀眼0.4RF/MW發(fā)展簡史0.4RF/MW發(fā)展簡史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)置無線通信系統(tǒng)原理框圖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)置無線通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信號微波元器件：完成微波信號的產(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RF/MW系統(tǒng)的組成：0.5課程內(nèi)容設(shè)置當然，RF/MW應用還涉及其它重要方面：電波傳播RF/MW測量RF/MW仿真與計算盡管重要，由于課時有限，劃分為實驗及自學內(nèi)容。0.5課程內(nèi)容設(shè)置當然，RF/MW應用還涉及其它重要方面：0.5課程內(nèi)容設(shè)置微波、天線與電波傳播的關(guān)系微波對象：如何導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)無輻射的傳輸；天線任務(wù)：將導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)備中的導行波作用：1.有效輻射或接收電磁波；2.把無線電波能量轉(zhuǎn)換為導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0.5課程內(nèi)容設(shè)置微波、天線與電波傳播的關(guān)系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）西安電子科技大學出版社，劉學觀，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.MicrowaveEnginee