大学物理大学-射频电路第01讲绪论

1、射频电路RF CircuitsI第1讲绪论褚庆昕华南理工大学电子与信息学院 天线与射频技术研究所 HYPERLINK mailto:qxchu qxchuSouth China University of Technology第1讲内容电磁场与电磁波回顾射频的定义射频的特点常规电路元件的射频特性微波发展简史课程内容设置要求与建议1.1电磁场与电磁波J 电磁场=电场+磁场电磁波丰电场波+磁场波South China University of Technology时变、空变电场与时变、空变磁场相互转化（电场与磁场，时间与空间）形成了电磁波。人类是如何认识电磁波的A间接观察与抽象思维 均匀无界空间

2、称为自由空间，电磁场与电 磁波课程只涉及了自由空间的电磁波。South China University of Technology特定的产生和导引电磁波的结构称为电路-电磁波的路，电路通常存在于有限空间。电路中的波称为导波（导行波）。射频频段的电路称为射频电路。光路（光学的路）同样属于电磁波电路。以前学过的电路（电流的路、电子的路）属 于直流电路或低频、高频电路，也是电磁波 电路。1.2 射频的定义J 射频(Radio Frequency)/微波(Microwave)South China University of Technology无线电频谱中占据某一特定频段的电磁波。广义射频音频视频

3、狭义 射频微 波红外I3KHz 30MHz 300MHz 3GHz 3000GHZ 频率10m1m 0.1m0.1mmSouth China University of Technology频段代号频率（GHz）波长（cm）P0.23113030L123015S24157.5C487.53.75X812.53.752.4Ku12.5182.41.67K1826.51.671.13Ka26.5401.130.75毫米波403000.750.1亚毫米波30030000.10.01South China University of Technology1.3射频的特点J 频率高A通信系统中相对带宽A

4、f/f通常为一定值， 所以频率f越高，越容易实现更大的带宽 Af,从而信息的容量就越大。A例如，对于1%的相对带宽，600MHz频率下 宽带为6MHz （一个电视频道的带宽），而 60GHz频率下带宽为600MHz（100个电视频 道！）。A因此，射频最广泛的应用就是无线通信。微波接力通信South China University of Technology地面站之间的直视线路微波传送塔移动通信-蜂窝电话系统South China University of Technology无线通信-WLAN、WiFiSouth China University of TechnologySouth C

5、hina University of Technology波长短J天线与射频电路的特性是与其电尺寸九相关的。在保持特性不变的前提下，波 长九越短，天线和电路的尺寸l就越小， 因此，波长短有利于电路的小型化。目标的雷达散射截面（RCS）也与目标 的电尺寸成正比，因此在目标尺寸一定 的情况下，波长越小，RCS就越大。这 就是雷达系统通常工作在微波的原因。雷达South China University of TechnologySouth China University of Technology地球大气层中的电离层对大部分无线电波 呈反射状态（短波传播的原理），但在微 波波段存在若干窗口。因此

6、，卫星通信、 射频天文通常采用微波波段。分子谐振各种分子、原子和原子核的谐振都发生在 MW波段，这使得微波在基础科学、医学、 遥感和加热等领域有独特的应用。卫星通信South China University of Technology射电天文望远镜South China University of Technology微波治疗仪South China University of TechnologyRF/MW典型应用的频谱应用范围频率范围电视54MHz890MHz移动通信（4G-LTE）700-900MHz1710-2690MHzGPS全球定位系统1227MHz （军用）1575MHz （民

7、用）微波炉2.45GHz美国UWB通信3.110.6GHz卫星通信C波段和Ku波段雷达L、S、X 波段RFID43MHz, 900MHz,2.4GHz，5.4GHzSouth China University of Technology上述特点使得射频有着广泛的应用,但是真正 使射频成为一门独立学科是因其具有一个独特 特点：射频的波长与自然界物体尺寸相比拟在射频相邻低端以下的频段，波长比物体尺寸 长很多，可以采用集总模型研究。在射频相邻高端以上的频段，波长比物体尺寸 小很多，可以采用几何光学研究。 当波长与物体的尺寸相比拟时，电磁波波动性 呈主流，因此，必须采用电磁场理论和分布模 型研究。.1

8、.4常规电路元件的射频特性J 在常规交流电路中，最常用的电路元件是电 阻R,电感L,电容C和连接这些元件的导线。South China University of Technology在频率较低时，电阻器，电感器和电容器分别对应于热能，磁场能量和电场能量集中的区域，所以可以用“集总”元件表征。这时R，L，C基本为常数，不随频率变化，导线也相当于与频率无关的短路线段。在射频波段，由于导体的趋肤效应，介质损耗效应，电磁感应等的影响，器件区域不再是单纯能量的集中区，而呈现分布特性。1.4.1 长线概念J 考虑导线上传输交变电流i,变化规律为South China University of Tech

9、nologyi(t, z) = I cos(曲-Bz -Yo) = I。cos2%(彳-z) + oe = Xf, f = , B =分别考虑 f = 50 Hz （照明交流电）f = 1 GHz （GSM蜂窝电路）f3 = 10GHz （X波段雷达）对应的波长South China University of Technologyc 3 x 108二二二 6 x 106 m 二 6000血f 50_ _ 3 x108 二石二1X歹=03m = 30cm_ 3 x 108 f - 10 x 109=0 03m = 3cm于是在一段长为1South China University of Tec

10、hnology米的导线上，照明 电流几乎不变化，GSM蜂窝电话电流 有3.3个周期变化， 而X波段雷达电流 有33个周期变化。 因此，对于照明电 力系统，导线长几 米都不会有什么影响，而对于X波段 雷达，导线那怕变 化几厘米，影响都 很大。通常把射频导线（传输线）称为长 线，传统的电路理 论已不适合长线。长线概念1.4.2 导体趋肤效应South China University of TechnologyJ 考虑一个半径为Q、长为人电导率为b的圆柱 导体，沿纵向流过的直流电流为人由于直流 电流均匀地分布在导体内，因此，直流电阻R 和电流密度J为对于交流电流，导体周围产生磁场，磁场又 产生电场

11、。South China University of Technology而电场形成与原电流相反的电流密度。在导 体中心处，这种效应最强烈，致使导体中心 的电流密度明显减小，随着频率的增高，电 流趋于导体表面，即趋肤效应。效应，纵向电流密度沿导体径向的分布规律为South China University of Technologyarr-（1+丿）J沁e8z趋肤深度高频条件下，电阻和电感为28 = RcdL q Rjjc冗a22na8可见，高频电阻与直流电阻之 比恰好等于导体截面积与趋肤 深度面积之比。A高频电感电抗等于高频电阻值。1.4.3高频电阻J 由于高频效应，高频时电阻R将会出现引线

12、电 感、引线电阻、极间电容、引线间电容等。于是标称值为R的电阻R的电阻的等效电路为South China University of Technology通常趋肤效应引起的电阻和引线间电容可以忽略。例】计算长为25cm,半径为a=2032xl0-4m的铜 导线连接的5000电阻的高频电阻的阻抗特性， 极间电容为5pF。L Rdc a2/ana2Z = jeL +103South China University of Technology1.4. 4高频电容South China University of Technology高频时，除了引线电感和引线电阻外，电介质变得有耗，G壬J 平板电容

13、是最常用的电容，对于面积为A,间 距为d,填充介电常数为的电介质的平板电容 在低频时为South China University of Technology于是，平板电容变成了c与电导的并联，并联 导纳Y 二 jc + Ge =jc （1 -殳）= jeC （1 + J阮JtgdC08tg Ss =损耗角正切A损耗角正切反映了位移与传导电流的比例。考虑引线电感L，弓I线电阻Rs和介质损耗电导，平板电容的等效电路为【例】计算一个47pF平板电容器的高频阻抗，设引线为长为1.25cm,半径a=2032x10-4m的铜线。South China University of Technology77

14、1L =nHR = 4.8 打pGGe = Ctgs=29.53 X10-121/ GZ = R+ jsL1Ge + jeC1 oo o oGz- QOUEPQdlu-2L1001.4.5高频电感J 电感通常是由导体线圈构成，在高频，线圈除 了具有电感外，还有高频电阻和线圈导体间的 寄生电容。因此，电感已变为RLC谐振器。South China University of TechnologyRsAAA/IICsSouth China University of Technology37岁) 实验证实了麦克斯韦方程的预1.5 微波发展简史1864年，英国物理学家J. C. Maxwell (1

15、8311879, 48岁)发表了著名的麦克斯韦方 程，从理论上预测电磁波的存在。1887年，德国物理学家H. Hertz (1857-1894,言。赫芝采用电火花间隙 发射机和加载偶极天线演 示电磁波的传播.1900年，意大利发明家G. Marconi (1874-1937,63岁）首次实现了穿越大西洋的无线电South China University of Technology通信。他的发射天线与地之间连接70KHz电火花发生器，接收天线与风筝支撑。1931年,英国与法国之间建立了y.l.t 1- eAv广卩二次大战后，微波接力 通信得到了迅速发展， 20世纪50-70年代，微 波接力通信

16、是电视信号远距离传输的主要手段。1935年英国的R. W. Watt开展了雷达的研究，Radar = radio detectingandranging 无线电探测与搜索）South China University of Technology次在试验中测得飞机的1938年,第一只调速管问世，1940年,英国的布 特和兰特尔研制出磁控管，为雷达提供 了大功率源。1940年，第一台10cm波长雷达问世。雷达的出现 使微波得到了人们的根本认识。美国在 MIT专门成立“辐射实验室”，调集了 大量顶尖科学家以战时状态对雷达进行 大规模、全方位研究。微波技术学科最 初就是从雷达衍生出来的。Researc

17、h Institute of Antennas & RF TechniquesSouth China University of Technology1945年,1963年,雷神公司把磁控管用于微波加热，诞 生了微波炉，如今磁控管依然是微波 炉的核心源。国际通信卫星组织发射了第一颗同步 通信卫星。70年代，雷达、卫星通信、微波中继通信成为 微波应用的主要领域，并迅速扩展到 微波加热和微波遥感等领域。同时， RFIC、MIC开始迅速发展。South China University of Technology促进作用一样，移动通信给微波带80-90年代,移动通信成为微波最耀眼的应用， 如同二次大

18、战中雷达对微波发展的 来了第二次发展高潮。由于是民用， 涉及千家万户，发展更为迅速，更 为广泛，如今甚至已改变了人类的 生活习惯。如今，微波、射频应用几乎深入了各类领域，我们身边随处可见：手机、蓝 牙、无线上网，卫星电视、GPS定 位与导航、RFID等。South China University of Technology3G移动通信WiFi1900 10 20 30 40 50 60 70 80 90 2000 10 电报广播皿雷达01卫星通信 移动通信皿二DBS血 商用GPS皿RFIDResearch Institute of Antennas & RF Techniques1.6 课程

19、内容设置J 从典型射频系统看本课程内容设置South China University of Technology无线通信系统原理框图无线通信系统射频前端原理框图Up-converterSouth China University of TechnologyInformation signalIntoriiuiion signalModulatorBPFPower d inplitlerLC)Do wn-co livelierDemodulator 每周交一次作业，课件从网上下载 HYPERLINK 34/rf1/ http:/20238193234/rf1/1李绪益 微波技术与微波电路，华南理工大学出版 社，2007，（教材，习题）2 R. Ludwig, P. Bretchko, RF circuit Design - Theory and Applications, 电子工业出版社（中、英 本），2004。3 P. M