第1章 射频微波工程介绍.ppt

第1章射频 微波工程介绍 1 1常用无线电频段1 2射频 微波的重要特性1 3射频 微波工程中的核心问题1 4射频 微波电路的应用1 5射频 微波系统举例1 6射频 微波工程基础常识 1 1常用无线电频段 射频 微波工程是当今无线电技术领域的核心 对电磁波频谱的划分由美国国防部于二战期间提出 后为国际电子电气工程师协会 IEEE 推广 在整个电磁波谱中 射频 微波处于普通无线电波与红外线之间 是频率最高的无线电波 它的频带宽度比所有普通无线电波波段总和大1000倍以上 可携带的信息量及其庞大 图1 1无线电技术的发展历史 射频 微波工程发展简史 1837年摩尔斯 SamuelMorse 发明了利用电磁感应原理 以点 划 空格为形式的有线电报通信 1876年贝尔 AlexanderGrahamBell 和华特生 ThomasA Watson 发明了电话 1894年马可尼 GuglielmoMarconi 发明了无线电报 首次实现了通过大气层的无线通信 1908年德福莱斯特 LeeDeForest 发明了真空三极管 实现了对电信号的放大 发展简史 1933年阿姆斯特朗 EdwinHowardArmstrong 发明频率调制 FM 1946年首家公众移动电话服务在美面世 1954 1964年卫星通信从实验逐渐走向成熟 1990年GSM系统在欧洲开通 1995年GSM系统在中国开通 现在及今后 3G 4G移动通信 表1 1电磁波频谱分段 说明 1 波段划分不惟一 波段分界不严格 2 频谱是一种资源 其使用应严格管理 国际范围内有CCIR建议文件作出详细的频谱用途规定 3 避免与利用干扰 表1 2各无线电频段的基本用途 射频 微波技术所涉及的无线电频谱 甚高频到毫米波段或P波段到毫米波段 基本理论是经典的电磁场与电磁波理论 研究电磁波沿传输线的传播特性有两种分析方法 1 场 的分析方法2 路 的分析方法 分布参数概念始终贯穿于工程技术的各个方面 而且同一功能的模块在不同的工作频段的结构和实现方式大不相同 结构就是电路 是射频 微波电路的显著特征 射频 微波电路的设计目标就是处理好材料 结构与电路功能的关系 1 2射频 微波的特性 1 2 1射频 微波的基本特性 1 似光性 2 穿透性 4 信息性 3 非电离性 共振 微波波谱学 研制某些微波元器件 1 2 2射频 微波的主要优点 1 频带宽 2 分辨率高 连续波多普勒雷达的频偏大 成像更清晰 反应更灵敏 3 尺寸小 4 干扰小 不同设备相互干扰小 5 速度快 数字系统的数据传输和信号处理速度快 6 频谱宽 频谱不拥挤 不易拥堵 军用设备更可靠 1 2 3射频 微波的不利因素 1 元器件成本高 2 辐射损耗大 3 大量使用砷化镓器件 而不是通常的硅器件 4 电路中元件损耗大 输出功率小 5 设计工具精度低 成熟技术少 图1 2频率 阻抗和功率的铁三角关系 1 3射频 微波工程中的核心问题 1 3 1射频铁三角 1 3 2射频铁三角的内涵 1 频率 1 信号产生器 用来产生特定频率的信号 如点频振荡器 机械调谐振荡器 压控振荡器 频率合成器等 2 频率变换器 将一个或两个频率的信号变为另一个信号 如分频器 变频器 倍频器 混频器等 3 频率选择电路 滤波器 高速电子开关这些电路的测量仪器有频谱分析仪 频率计数器 功率计 网络分析仪等 2 功率 描述射频 微波信号的能量大小 影响射频 微波信号功率的主要电路有 1 衰减器 控制射频 微波信号功率的大小 有固定衰减量和可调衰减量之分 2 功分器 将一路射频 微波信号分成若干路的组件 可以是等分的 也可以是比例分配的 3 耦合器 定向耦合器通常是耦合一小部分功率到支路 用以检测主路信号的工作状态是否正常 分支线耦合器和环形桥耦合器可实现不同相位的功率分配 合成 4 放大器 提高射频 微波信号功率的电路 小信号放大器要求低噪声 高增益 功率放大器为满足要求的输出功率可不惜器件和电源成本 还有用于测试仪器的放大器 3 阻抗 在特定频率下 描述各种射频 微波电路对微波能量传输的影响 1 阻抗变换器 实现一个阻抗向另一个阻抗的过渡 2 阻抗匹配器 实现两个阻抗之间的匹配 3 天线 实现射频 微波信号在封闭传输线和空气媒体之间的匹配传输 1 4射频 微波电路的应用 经典用途是通信和雷达系统 1 无线通信系统 2 雷达系统 3 导航系统 4 遥感 5 射频识别 6 广播系统 7 汽车和高速公路 8 传感器 9 电子战系统 10 医学应用 11 空间研究 12 无线输电 1 5射频 微波系统举例 1 5 1射频 微波通信系统 1 基本原理 利用其似光传输特性 穿越空气 实现信息的无线传递 基本的通信系统就是成对的发射机和接收机 2 卫星通信 卫星地面站结构框图 卫星通信系统示意图 1 5 2雷达系统 1 基本原理 原意为无线电探测与定位 基本原理是发射的微波信号遇到目标后反射回来 检测发射信号与接收信号之间的关系 即可确定目标的信息 图1 7雷达基本原理示意图 2 多普勒雷达 多普勒 Doppler 雷达是依靠移动目标所引起的多普勒频移信息的一种雷达体制 具有很强的距离鉴别能力和速度鉴别能力 能够在复杂的背景下检测出目标 它有连续波和脉冲两种形式 连续波多普勒雷达结构示意图 脉冲多普勒雷达结构示意图 4 高度表 高度表是各种飞行器的必备仪表 发射信号与接收信号的频移含有目标距离的信息 如果目标是地面 就可确定出飞行器的距地面高度 C波段微波高度表结构框图 1 6射频 微波工程基础常识 1 6 1关于分贝的几个概念 射频 微波电路通常用波的概念来描述能量的传递 用功率波而不用电压 电流 波 为便于测量和运算 多用分贝 单位 表1 4与分贝相关的常见物理量 功率dBW功率可用分贝 dB 表示 基准参考量的单位不同 电压dBV基准