对射频微波电路设计的认识

1、射频微波电路设计论文学院：信电学院班级：通信0801姓名：学号：对射频微波电路设计的认识摘要：射频（RF）是Radio Frequency的缩写，表示可以辐射到空间的电磁频率， 频率范围从300KHz30GHz之间。射频简称RF射频就是射频电流，它是一种高 频交流变化电磁波的简称。每秒变化小于1000次的交流电称为低频电流，大于 10000次的称为高频电流，而射频就是这样一种高频电流。微波是指频率为 300MHz-300GHz的电磁波，是无线电波中一个有限频带的简称，即波长在1米（不 含1米）到1毫米之间的电磁波，是分米波、厘米波、毫米波和亚毫米波的统称。 微波频率比一般的无线电波频率高，通常

2、也称为“超高频电磁波”。微波作为一 种电磁波也具有波粒二象性。微波的基本性质通常呈现为穿透、反射、吸收三个 特性。对于玻璃、塑料和瓷器，微波几乎是穿越而不被吸收。对于水和食物等就 会吸收微波而使自身发热。而对金属类东西，则会反射微波。关键字：射频微波电路设计射频即Radio Frequency，通常缩写为RF。表示可以辐射到空间的电磁频率， 频率范围从300KHz30GHz之间。射频简称RF射频就是射频电流，它是一种 高频交流变化电磁波的简称。每秒变化小于1000次的交流电称为低频电流，大 于10000次的称为高频电流，而射频就是这样一种高频电流。有线电视系统就是 采用射频传输方式。在电子学理

3、论中，电流流过导体，导体周围会形成磁场；交 变电流通过导体，导体周围会形成交变的电磁场，称为电磁波。在电磁波频率低 于100khz时，电磁波会被地表吸收，不能形成有效的传输，但电磁波频率高于 100khz时，电磁波可以在空气中传播，并经大气层外缘的电离层反射，形成远 距离传输能力，我们把具有远距离传输能力的高频电磁波称为射频，射频技术在 无线通信领域中被广泛使用。射频技术的分类：自动识别技术和射频识别技 术。自动识别技术自动设备识别技术是目前国际上发展很快的一项新技术，英文名称为AutomaticEquipmentIdentification ，简称AEI。该项技术的基本思想是通 过采用一些先

4、进的技术手段，实现人们对各类物体或设备（人员、物品）在不同状态（移动、静止或恶劣环境）下的自动识别和管理。目前应用最 广泛的自动识别技术大致可以分为两个方面：光学技术和无线电技术两个 方面。其中光学技术中普遍应用的产品有：条形码和摄像两大类。这两类 产品目前已广泛应用于人们的日常生活中，并已为人们所熟知。比如：条 形码用于商品管理，摄像用于抓拍违章车辆等。射频识别技术射频识别技术依其采用的频率不同可分为低频系统和高频系统两大 类；根据电子标签内是否装有电池为其供电，又可将其分为有源系统和无 源系统两大类；从电子标签内保存的信息注入的方式可将其分为集成电路 固化式、现场有线改写式和现场无线改写式

5、三大类；根据读取电子标签数 据的技术实现手段，可将其分为广播发射式、倍频式和反射调制式三大类。一、低频系统一般指其工作频率小于 30MHz，典型的工作频率有：125KHz、225KHz、13.56MHz等，这些频点应用的射频识别系统一般都有相 应的国际标准予以支持。其基本特点是电子标签的成本较低、标签内保存 的数据量较少、阅读距离较短（无源情况，典型阅读距离为10cm）电子标签外形多样（卡状、环状、钮扣状、笔状）、阅读天线方向性不强等。二、高频系统一般指其工作频率大于 400MHz，典型的工作频段有： 915MHz、2450MHz、5800MHz等。高频系统在这些频段上也有众多的国际标 准予以

6、支持。高频系统的基本特点是电子标签及阅读器成本均较高、标签 内保存的数据量较大、阅读距离较远（可达几米至十几米），适应物体高 速运动性能好、外形一般为卡状、阅读天线及电子标签天线均有较强的方 向性。三、有源电子标签内装有电池，一般具有较远的阅读距离，不足之处是电池 的寿命有限（310年）；无源电子标签内无电池，它接收到阅读器（读出装置） 发出的微波信号后，将部分微波能量转化为直流电供自己工作，一般可做到免维 护。相比有源系统，无源系统在阅读距离及适应物体运动速度方面略有限制。在 整个射频通信中，主要包含以下几种频率：传输频率、接收频率、中频和基带 频率。基带频率是用来调制数据的信号频率。而真正

7、的传输频率则比基带频率 高很多，一般的频谱范围是500MHz到38GHz，数据信号也是在此高频下进行传 输的。一般来说，射频系统具有非常强大的传输调制信号的功能，即使在有干扰 信号和阻断信号z2的情况下，该系统也可以做到以最高的质量发送并且以最 好的灵敏度接收调制信号。阻断信号主要有两种：带内阻断信号和带外阻断信号。 带外阻断信号是指分布在信号频谱之外的无关信号，例如由其它无线传输技术产 生的数据信号。带内阻断信号则分布在我们感兴趣的信号频谱之内，例如由相同 的无线传输技术在其它终端产生的数据信号。对于无线通信而言，要成功地实现 射频接收功能，必须要过滤掉这两种阻断信号。中频多被用来作为传输/

8、接受频率和基带频率的过渡，而这种传输方式正是超外差结构的基础。一般而言，带 外阻断信号可以被天线自带的滤波器过滤掉。而中频的存在使我们有机会在信号 被混合到基带频率并做数字处理之前将带内阻断信号滤除。另一方面，在发送端， 中频常被用来滤除所有从基带转换到中频这个过程中可能产生的伪数据和噪 声。电路设计中的问题采用超外差结构的另外一种实现方法是利用中频采样来减少信号链上 的器件个数。这种方法选择在中频对信号进行采样，而不是在采样前先将 信号混合到基带。在第一种超外差结构中，从中频到基带的转换过程需要 以下器件：本机锁相环、智能解调器（混频器）和双向 ADC （模拟-数字转 换器）。如果选择在中频

9、进行采样，那这三个器件可以用一个高性能的 ADC 来代替。这不仅可以降低信号链的复杂程度，还可以提高信号解调的质量。 但是，如果在下行基带转换器里应用高质量智能解调器，也能得到非常好 的通信效果。如果能使本机锁相环和射频器件的漏电足够小，基带的直流 失调便可最小化。现在，许多智能解调器都使用了直流失调补偿环路来进 一步减小甚至最终消除直流失调。除此之外，解调器的相位分离功能可以 做到非常准确的90度的相位分离，这将确保信号解调时，误差向量的值不 会变坏或者只是变坏一点。最后，如果我们在使用智能解调器的同时，使 用一个具有低相位噪声的锁相环，将会确保基带输出信号的低噪声，并且因此获得一个好的位错

10、误率（BER）。因为ADC要在越来越高的频率下工作， 所以中频采样结构的功耗变得比第一种超外差结构越来越高，并因此而越 来越昂贵，这是中频采样结构的最主要的缺点。由于这个原因，基于中频 采样的射频结构往往更适合那些在相对低频或者中频的应用，毕竟这些频 段对成本的影响不大。不过随着科技的发展，尤其是CMOS工艺的引进，使得集成高性能的器件和电路的价格越来越低，在不远的将来，中频采样 结构将不再是一种昂贵的选择。在射频通信中应用的第三种结构是直接转换结构。由于直接转换结构 直接将基带信号和射频信号在同一进程中混合在一起，这使得该结构的信 号链路最为简单，它所需要的元器件最少。与其它两种结构不同的是

11、，它 将不需要中频处理和声表面波（SAW）滤波器。正是由于声表面波滤波器 在过去的年代比现在昂贵很多，才导致了直接转换结构的诞生。直接转换 结构的主要优点是：价格便宜、小型化、低功耗，并且没有中频转换相关 器件。这些优点使得这种结构非常适合在低功耗、便携式终端的应用。尽 管如此，一些高性能器件的使用为直接转换结构应用在高端市场打开了方 便之门。事实上，正是这些高性能器件的使用，使得直接转换结构受到越 来越多的关注。由于在直接转换结构中没有中频处理单元，带内阻断信号的功率将直接传递到混频器和模数转换器（如果信号链路上含有模数转换 器）。低噪声的混频器将确保弱信号不会被噪声和阻断信号所淹没。另外，

12、 由于混频器具有高的输出摆幅和低的失真，阻断信号既不会过驱动整个系 统也不会调制到我们需要的载波信号上。对于基带超外差接收器，如果在本机锁相环和射频输入之间存在泄漏通路， 就一定会产生直流失调。对于和全球移动通信系统类似的支持跳频的一些射频 应用来说，频率的跳变将导致本机锁相环路漏电的改变，并最终导致整个系统的 直流失调的跳变。如果要纠正它，必须在系统中引入一个直流失调的补偿环路。 尽管如此，在那些不需要跳频的应用中，本机锁相环的漏电是不变的，因此动态 直流失调的补偿意义不大。在传输端，由于不能有效降低带内噪声和失真，采用 直接转换结构的射频发射机必须是由那些动态范围大的元器件构成。在基站的

13、相关应用中，由于面积和频道密度要被重点考虑，直接转换结构尤其被看好。 因为从基站的角度看，带内阻断信号是不存在的（也就是说基站自己将处理带内 阻断信号），所以，即使直接转换结构缺乏滤除带内阻断信号的功能也是可以接 受的。当然，选择何种射频电路结构应该由市场应用来决定。这些指导设计的因素包括：从设计到产品进入市场的时间、成本、外形、功能指标、灵活性、 能否支持多种不同的应用模式等等。如何针对一个确定的应用去选择合适的射频 结构不在本文的介绍范围之内。但是可以明确的是，如今一些射频器件制造商已 经可以提供各种针对性的服务以帮助我们设计合适的射频系统，在整个结构设计 的过程中，他们甚至可以提供几位富

14、有经验的工程师为我们答疑解惑。微波的简述微波的频率在300MHz-300GHz之间，波长在1米（不含1米）到1毫米 之间，是分米波、厘米波、毫米波和亚毫米波的统称。微波频率比一般的无线 电波频率高，通常也称为“超高频”。微波作为一种电磁波也具有波粒二象性。微 波量子的能量为1 99x10 -251. 99x10-22j。物质吸收微波的能力，主要由其介 质损耗因数来决定。介质损耗因数大的物质对微波的吸收能力就强，相反，介质 损耗因数小的物质吸收微波的能力也弱。由于各物质的损耗因数存在差异，微波 加热就表现出选择性加热的特点。物质不同，产生的热效果也不同。水分子属 极性分子，介电常数较大，其介质损

15、耗因数也很大，对微波具有强吸收能力。而 蛋白质、碳水化合物等的介电常数相对较小，其对微波的吸收能力比水小得多。 因此，对于食品来说，含水量的多少对微波加热效果影响很大。微波波长很短， 比地球上的一般物体（如飞机，舰船，汽车建筑物等）尺寸相对要小得多，或在 同一量级上。使得微波的特点与几何光学相似，即所谓的似光性。因此使用微波 工作，能使电路元件尺寸减小；使系统更加紧凑；可以制成体积小，波束窄方向 性很强，增益很高的天线系统，接受来自地面或空间各种物体反射回来的微弱信号，从而确定物体方位和距离，分析目标特征。由于微波波长与物体（实验 室中无线设备）的尺寸有相同的量级，使得微波的特点又与声波相似，

16、即所谓 的似声性。例如微波波导类似于声学中的传声筒；喇叭天线和缝隙天线类似与 声学喇叭，萧与笛；微波谐振腔类似于声学共鸣腔微波的产生微波能通常由直流电或50Hz交流电通过一特殊的器件来获得。可以产 生微波的器件有许多种，但主要分为两大类：半导体器件和电真空器件。 电真空器件是利用电子在真空中运动来完成能量变换的器件，或称之为电 子管。在电真空器件中能产生大功率微波能量的有磁控管、多腔速调管、 微波三、四极管、行波管等。在目前微波加热领域特别是工业应用中使用 的主要是磁控管及速调管。微波的热效应微波对生物体的热效应是指由微波引起的生物组织或系统受热而对生 物体产生的生理影响.热效应主要是生物体内

17、有极分子在微波高频电场的 作用下反复快速取向转动而摩擦生热；体内离子在微波作用下振动也会将 振动能量转化为热量；一般分子也会吸收微波能量后使热运动能量增加.如 果生物体组织吸收的微波能量较少，它可借助自身的热调节系统通过血循 环将吸收的微波能量（热量）散发至全身或体外.如果微波功率很强，生物 组织吸收的微波能量多于生物体所能散发的能量，则引起该部位体温升 高.局部组织温度升高将产生一系列生理反应，如使局部血管扩张，并通 过热调节系统使血循环加速，组织代谢增强，白细胞吞噬作用增强，促进 病理产物的吸收和消散等。微波的非热效应微波的非热效应是指除热效应以外的其他效应，如电效应、磁效应及化 学效应等

18、.在微波电磁场的作用下，生物体内的一些分子将会产生变形和 振动，使细胞膜功能受到影响，使细胞膜内外液体的电状况发生变化，引 起生物作用的改变，进而可影响中枢神经系统等.微波干扰生物电（如心电、 脑电、肌电、神经传导电位、细胞活动膜电位等）的节律，会导致心脏活动、 脑神经活动及内分泌活动等一系列障碍.对微波的非热效应，人们还了解 的不很多.当生物体受强功率微波照射时，热效应是主要的（一般认为，功率密度在在10mW/cm2者多产生微热效应.且频率越高产生热效应的阈强度 越低）；长期的低功率密度（1mW/cm2以下）微波辐射主要引起非热效应.微 波萃取的机理可从以下3个方面来分析：微波辐射过程是高频电磁波穿 透萃取介质到达物料内部的微管束和腺胞系统的过程。由于吸收了微波能， 细胞内部的温度将迅速上升，从而使细胞内部的压力超过细胞壁膨胀所能 承受的能力，结果细胞破裂，其内的有效成分自由流出，并在较低的温度下溶解于萃取介质中。通过进一