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1、射频与天线技术RF and Antennas Technology,秦丹阳黑龙江大学电子工程学院通信工程系TEL：86608943Email: ,黑龙江大学,本章内容,射频/微波的定义射频/微波的特点常规电路元件的射频特性射频/微波的简史课程内容设置本课程的要求与建议,0.1 RF/MW的定义,0.1 RF/MW的定义,常用微波波段的划分,0.1 RF/MW的定义,0.2 RF/MW的特点,1.频率高通信系统中相对带宽f/f通常为定值，所以频率f越高，越容易实现更大的带宽f，从而信息的容量越大；例如：对于1%的相对带宽，600MHz频率下带宽为6MHz（1个电视频道的带宽），而60GHz频率下
2、带宽为600MHz（100个电视频道！）因此，RF/MW的一个最广泛的应用就是无线通信。,0.2 RF/MW的特点,微波接力通信,0.2 RF/MW的特点,蜂窝电话系统,0.2 RF/MW的特点,2.波长短天线与RF电路的特性是与其电尺寸l/l相关的。在保持特性不变的前提下，波长越短，天线和电路的尺寸越小，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。这是雷达系统通常工作在MW的原因。,0.2 RF/MW的特点,雷达,0.2 RF/MW的特点,3.大气窗口地球大气层中的电离层对大部分无线电波呈反射状态（短
3、波传播原理），但在MW波段存在若干窗口。因此，卫星通信、射频天文通常采用微波波段。4.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。,0.2 RF/MW的特点,卫星通信,0.2 RF/MW的特点,卫星定位导航,0.2 RF/MW的特点,射电天文望远镜,微波炉,0.2 RF/MW的特点,微波治疗仪,0.2 RF/MW的特点,上述特点使得RF/MW有着广泛的应用，但是真正使RF/MW成为一门独立学科是因其具有一个独特的特点： RF/MW的波长与自然界物体尺寸相比拟在RF/MW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
4、研究；在RF/MW相邻高端以上的频段，波长比物体尺寸短很多，可以采用几何光学研究；当波长与物体的尺寸相比拟时，电磁波波动性为主，因此必须采用电磁场理论和分布模型研究！,0.3 常规电路元件的射频特性,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；低频时：R、L和分别对应于热能、磁场能量和电场能量集中的区域，故可以用“集总”元件表征，即R、L和基本为常数，不随频率变化；导线相当于与频率无关的短路线段。在RF/MW波段，由于导体的趋肤效应、介质损耗效应、电磁感应等影响，期间区域不再是单纯能量的集中区，而呈现分布特性。,0.3 常规电路元件的射频特性,考虑导线上传输交变
5、电流i，变化规律为： 分别考虑,0.3.1 长线概念,0.3 常规电路元件的射频特性,对应的波长为：,0.3.1 长线概念,0.3 常规电路元件的射频特性,于是，在一段长为1m的导线上：照明电流几乎不变GSM蜂窝电话电流变化3.3个周期X波段雷达电流变化33个周期,0.3.1 长线概念,对于照明电力系统，导线长几米不会有什么影响，而对于X波段雷达，导线哪怕变化几厘米，影响都很大。,通常把RF/MW导线（传输线）称为长线，传统的电路理论已不适合长线！,0.3 常规电路元件的射频特性,考虑一个半径为a，长为l，电导率为的圆柱导体，沿纵向流过的直流电流为I。由于直流电流均匀地分布在导体内，因此，直流
6、电阻R和电流密度J分别为：,0.3.2 导体的趋肤效应,0.3 常规电路元件的射频特性,对于交流电流，导体周围产生磁场；交流磁场又产生电场电场形成与原电流相反的电流密度i，在导体中心处，这种效应最强烈，导致导体 中心的电流密度明显减小， 随着频率的的增高，电流 趋于导体表面，即趋肤效应。,0.3.2 导体的趋肤效应,0.3 常规电路元件的射频特性,因此，高频时，导体损耗会增大，并具有电感效应。高频时，沿纵向的电流密度沿导体径向的分布规律为：高频条件下，电阻和电感为：,0.3.2 导体的趋肤效应,趋肤深度,0.3 常规电路元件的射频特性,因此，高频时，导体损耗会增大，并具有电感效应。高频时，沿纵
7、向的电流密度沿导体径向的分布规律为：高频条件下，电阻和电感为：,0.3.2 导体的趋肤效应,趋肤深度,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,高频电感电抗等于高频电阻值,0.3 常规电路元件的射频特性,由于高频效应，在高频时电阻R将会出现引线电感、引线电阻、极间电容、引线间电容等。,0.3.3 高频电阻,0.3 常规电路元件的射频特性,于是标称值为R的电阻R的电阻等效电路为： 通常趋肤效应引起电阻和引线间电容可以忽略。【例】计算长为2.5cm，半径为a=2.032104m的铜导线连接的500电阻的高频电阻的阻抗特性，极间电容为5pF。,0.3.3 高频电阻,0.3 常规电路
8、元件的射频特性,【例】计算长为2.5cm，半径为a=2.03210-4m的铜导线连接的500电阻的高频电阻的阻抗特性，极间电容为5pF。,0.3.3 高频电阻,0.3 常规电路元件的射频特性,【例】计算长为2.5cm，半径为a=2.032104m的铜导线连接的500电阻的高频电阻的阻抗特性，极间电容为5pF。,0.3.3 高频电阻,0.3 常规电路元件的射频特性,平板电容是最常用的电容，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：高频时，除了引线电感外，电介质变得有耗，产生高频介质电导率，损耗电导为：,0.3.4 高频电容,0.3 常规电路元件的射频特性,于是，平板电容
9、变成了C与电导的并联，并联导纳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、引线电阻Rs和介质损耗电导，平板电容的等效电路为：,0.3.4 高频电容,0.3 常规电路元件的射频特性,【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=2.03210-4m的铜线。,0.3.4 高频电容,0.3 常规电路元件的射频特性,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。,0.3.5 高频电感,0.4 RF/MW发展简史,1864年，英国物理学家J.C.Maxwell(1831-1879,48岁)
10、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(1857-1894,37岁)实验证实了麦克斯韦方程的预研。Hertz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。,0.4 RF/MW发展简史,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，接收天线由风筝支撑。1931年，英国与法国之间建立了第一条微波通信线路。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，微波接力通信是电视信号远距离传输的主要手段。,大西洋,0.4 RF/
11、MW发展简史,1935年，英国的R.W.Watt开展了雷达的研究，(Radar= Radio Detecting and Ranging无线电探测与定位)，同年首次在试验中测的飞机的回波。1938年，第一只调速管问世。两年后英国的布特和兰特尔研制出磁控管，这些微波电子管器件都是雷达不可缺少的源。1940年，第一台10cm波长雷达问世。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进行研究，促进了微波技术的发展。,0.4 RF/MW发展简史,1945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。1963年，国际通信卫星组织发射了第一颗同步通信卫星。
12、70年代，雷达、卫星通信、微波中继通信成为RF/MW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。,0.4 RF/MW发展简史,80-90年代，移动通信成为最耀眼的应用，如同二战中雷达对RF/MW发展的促进作用一样，移动通信，尤其是蜂窝移动通信给RF/MW带来了二次发展高潮。如今， RF/MW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、RFID等。,0.4 RF/MW发展简史,0.5 课程内容设置,从典型的RF系统看本课程内容的设置,无线通信系统原理框图,0.5 课程内容设置,RF/MW系统的组成：传输线：传输
13、RF/MW信号微波元器件：完成微波信号的产生、放大、变换等和功率的分配、控制及滤波天线：辐射或接收电磁波正是上述装置构成了本课程内容,0.5 课程内容设置,当然，RF/MW应用还涉及其它重要方面：电波传播RF/MW测量RF/MW仿真与计算尽管重要，由于课时有限，划分为实验及自学内容。,0.5 课程内容设置,微波、天线与电波传播的关系微波对象：如何导引电磁波在微波传输系统中的有效传输目的：希望电磁波按一定要求沿微波传输系统无辐射的传输；天线任务：将导行波变换为向空间定向辐射的电磁波，或将在空间传播的电磁波变为微波设备中的导行波作用：1.有效辐射或接收电磁波；2.把无线电波能量转换为导行波能量电波
14、传播分析和研究电波在空间的传播方式和特点,0.6 本课程要求与建议,使用教材微波技术与天线（第三版）西安电子科技大学出版社，刘学观，郭辉萍编著。参考书籍1 R. Ludwig, P. Bretchko. RF circuit Design-Theory and Applications. 电子工业出版社, 20042 P.M. Pozar. Microwave Engineering. (3 ed).电子工业出版社, 2006.3 K. Chang. RF and Microwave Wireless System. NY John Wiley & Sons Inc., 2010.,刘学观 郭
15、辉萍 编著,西安电子科技大学出版社,0.6 本课程要求与建议,成绩评定与作业要求作业+出勤20%实验10%期末考试70%,教学方法课程特点概念抽象、数学公式多我们的对策形象化教学+原理设计我们的目标能够分析并设计典型RF/MW电路,0.6 本课程要求与建议,学习方法大处着眼始终把握每讲内容在整体课程中的地位；始终把握所学元器件在RF/MW系统中的地位；从原理上把握每一元器件的机理、功能和作用。小处着手熟练掌握具有代表性的理论、公式和推导；熟悉集中具有代表性的元器件的设计过程；举一反三，触类旁通，在有限学时内最大限度掌握RF/MW理论与设计。,本章作业,（1）微波的频率和波长范围分别是多少？（2）微波与其它电磁波相比有什么特点？（3）微波技术、天线、电波传播三者研究对象分别时什么？它们有什么区别和联系？,
