大学物理大学-射频电路第01讲绪论

ResearchInstituteofAntennas&RFTechniques射频电路RFCircuits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[e-mail]ennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology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ResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology1.1电磁场与电磁波回顾电磁场=电场+磁场电磁波电场波+磁场波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间接观察与抽象思维均匀无界空间称为自由空间，《电磁场与电磁波》课程只涉及了自由空间的电磁波。ResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology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。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。光路（光学的路）同样属于电磁波电路。ResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology1.2射频的定义射频(RadioFrequency)/微波(Microwave)无线电频谱中占据某一特定频段的电磁波。频率3KHz30MHz3GHz3000GHZ音频视频狭义射频微波红外100Km10m1m0.1mm波长300MHz0.1m广义射频ResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnologyP0.23—1130—30L1—230—15S2—415—7.5C4—87.5—3.75X8—12.53.75—2.4Ku12.5—182.4—1.67K18—26.51.67—1.13Ka26.5—401.13—0.75毫米波40—3000.75—0.1亚毫米波300—30000.1—0.01频段代号频率（GHz）波长（cm)ResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology1.3射频的特点频率高通信系统中相对带宽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f，从而信息的容量就越大。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！）。因此，射频最广泛的应用就是无线通信。ResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology微波接力通信ResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology移动通信-蜂窝电话系统ResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology无线通信-WLAN、WiFiResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology波长短天线与射频电路的特性是与其电尺寸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。ResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology雷达ResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology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（短波传播的原理），但在微波波段存在若干窗口。因此，卫星通信、射频天文通常采用微波波段。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。ResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology卫星通信ResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology卫星定位导航ResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology射电天文望远镜微波炉ResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology微波治疗仪ResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnologyRF/MW典型应用的频谱应用范围频率范围电视54MHz—890MHz移动通信（4G-LTE）700-900MHz1710-2690MHzGPS全球定位系统1227MHz（军用）1575MHz（民用）微波炉2.45GHz美国UWB通信3.1—10.6GHz卫星通信C波段和Ku波段雷达L、S、X波段RFID43MHz,900MHz,2.4GHz，5.4GHzResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology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。ResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology1.4常规电路元件的射频特性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。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。ResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology1.4.1长线概念考虑导线上传输交变电流i，变化规律为分别考虑(,)cos()cos[2()]ooootzitzItzIT122,,,cffTf1350Hz1GHzGSM10GHzXfff2（照明交流电）（蜂窝电路）（波段雷达）ResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology对应的波长8611829283933106106000503100.3301103100.0331010cmkmfcmcmfcmcmfResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology于是在一段长为1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。z1mGSM蜂窝电路X波段雷达照明电流长线概念ResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology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，直流电阻R和电流密度J为2lRa2zoIJa1.4.2导体趋肤效应laIResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology对于交流电流，导体周围产生磁场，磁场又产生电场。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。EHIiResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology因此，高频时，导体损耗会增大，并具有电感效应，纵向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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。高频电感电抗等于高频电阻值。(1)arjzJe1f－趋肤深度zJ222DCDCaaRRRa22DCaLRaResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology1.4.3高频电阻由于高频效应，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。ResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology于是标称值为R的电阻R的电阻的等效电路为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2.5cm,半径为a=2.032x10-4m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。221.54..2411DCoaRalaLfHaffZjLjCRResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnologyResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology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，除了引线电感和引线电阻外，电介质变得有耗，产生高频介质电导率，损耗电导为1.4.4高频电容ACddeAGdResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology于是，