1、常用無線電頻段

    當今社會,技術發(fā)展之迅猛,對人們生活影響之重大，應是無線電技術。射頻/微波工程就是這一領域的核心。過去的100多年來,人們對射頻/微波技術的認識和使用日趨成熟。

   從圖1-1所示的無線電技術的發(fā)展歷史可以看出,近年來射頻/微波工程的應用已經發(fā)展到了近乎極至的狀態(tài)。

     對電磁波頻譜的劃分是美國國防部于第二次世界大戰(zhàn)期間提出的,后由電工電子工程協(xié)會（IEEE）推廣,被工業(yè)界和政府部門廣泛接受。具體電磁波頻譜分段見表1-1。在整個電磁波譜中,射頻/微波處于普通無線電波與紅外線之間,是頻率高的無線電波,它的頻帶寬度比所有普通無線電波波段總和大1000倍以上,可攜帶的信息量不可想象。一般情況下,射頻/微波頻段又可劃分為米波（波長10～1m,頻率30～300MHz）、 分米波（波長10～1dm,頻率300～3000MHz）、 厘米波（波長10～1cm,頻率3～30GHz）和毫米波（波長10～1mm,頻率30～300GHz）四個波段。其后是亞毫米波、 遠紅外線、 紅外線、 可見光。

     以上這些波段的劃分并不是惟一的,還有其他許多不同的劃分方法,它們分別由不同的學術組織和政府機構提出,甚至還在相同的名稱代號下有不同的范圍,因此波段代號只是大致的頻譜范圍。其次,以上這些波段的分界也并不嚴格,工作于分界線兩邊臨近頻率的系統(tǒng)并沒有質和量上的躍變,這些劃分是人為的,僅是一種助記符號。

    對不同頻段無線電信號的使用不能隨意確定。也就是說,頻譜作為一種資源,各國各級政府都有相應的機構對無線電設備的工作頻率和發(fā)射功率進行嚴格管理。范圍內更有詳細的頻譜用途規(guī)定,即CCIR建議文件,在這個文件中,規(guī)定了雷達、通信、 導航、 工業(yè)應用等民用無線電設備所允許的工作頻段。表1-2是各無線電頻段的基本用途。各個用途在相應頻段內只占有很小的一段頻譜或點頻工作。

      和平年代,在某個地區(qū),要避免用途不同的無線電設備使用相同的頻率,否則,將會帶來災難性的后果。相反地,在電子對抗或電子戰(zhàn)系統(tǒng)中,就是要設法掌握敵方所使用的無線電頻率,給對方實施毀滅性打擊。

      目前,發(fā)展快的民用領域是移動通信。巨大的市場潛力和飛速的更新步伐,使得這一領域成為全球的一個支柱產業(yè)。表1-3給出了常用移動通信系統(tǒng)頻段分布及其工作方式。

       一般地,射頻/微波技術所涉及的無線電頻譜是表1-1 中甚高頻(VHF)到毫米波段或者P波段到毫米波段很寬范圍內的無線電信號的發(fā)射與接收設備的工作頻率。具體地,這些技術包括信號的產生、  調制、 功率放大、 輻射、 接收、 低噪聲放大、 混頻、 解調、 檢測、 濾波、 衰減、移相、 開關等各個模塊單元的設計和生產。它的基本理論是經典的電磁場理論。研究電磁波沿傳輸線的傳播特性有兩種分析方法。一種是“場”的分析方法,即從麥克斯韋方程出發(fā),在特定邊界條件下解電磁波動方程,求得場量的時空變化規(guī)律,分析電磁波沿線的各種傳輸特性；

      另一種是“路”的分析方法,即將傳輸線作為分布參數電路處理,用基爾霍夫定律建立傳輸線方程,求得傳輸線上電壓和電流的時空變化規(guī)律,分析電壓和電流的各種傳輸特性。用這兩種方法研究同一個問題,其結論是相同的。到底是用“場”的方法還是用“路”的方法,應由研究的方便程度來決定。對于射頻/微波工程中的大量問題,采用網絡方法和分布參數概念可以得到滿意的工程結果,而不是拘泥于嚴謹的麥克斯韋方程組及其數值解法。

      在射頻/微波頻率范圍內,模塊的幾何尺寸與信號的工作波長可以比擬,分布參數概念始終貫穿于工程技術的各個方面。而且,同一功能的模塊,在不同的工作頻段的結構和實現(xiàn)方式大不相同?！敖Y構就是電路”是射頻/微波電路的顯著特征。射頻/微波電路的設計目標就是處理好材料、結構與電路功能的關系。

  No.2 射頻/微波的重要特性

   2.1射頻/微波的基本特性

  1．似光性

   射頻/微波能像光線一樣在空氣或其他媒體中沿直線以光速傳播,在不同的媒體界面上存在入射和反射現(xiàn)象。這是因為射頻/微波的波長很短,比地球上的一般物體（如艦船、飛機、 火箭、  汽車、 房屋等）的幾何尺寸小的多或在同一個數量級。

   當射頻/微波照射到這些物體上時將產生明顯的反射,對于某些物體將會產生鏡面反射。

因此,可以制成尺寸、體積合適的天線,用來傳輸信息,實現(xiàn)通信；可接收物體所引起的回波或其他物體發(fā)射的微弱信號,用來確定物體的方向、距離和特征,實現(xiàn)雷達探測。

  2.穿透性

  射頻/微波照射某些物體時,能夠深入物體的內部。微波（特別是厘米波段）信號能穿透電離層,成為人們探測外層空間的宇宙窗口；能夠穿透云霧、 植被、 積雪和地表層,具有全天候的工作能力,是遙感技術的重要手段；能夠穿透生物組織,是醫(yī)學透熱療法的重要方法；能穿透等離子體,是等離子體診斷、研究的重要手段。

   3.非電離性

    一般情況下,射頻/微波的量子能量還不夠大,不足以改變物質分子的內部結構或破壞物質分子的鍵結構。由物理學可知,在外加電磁場周期力的作用下,物質內分子、原子和原子核會產生多種共振現(xiàn)象,其中,許多共振頻率就處于射頻/微波頻段。這就為研究物質內部結構提供了強有力的實驗手段,從而形成了一門獨立的分支學科——微波波譜學。從另一方面考慮,利用物質的射頻/微波共振特性,可以用某些特定的物質研制射頻/微波元器件,完成許多射頻/微波系統(tǒng)的建立。

    4.信息性

    射頻/微波頻帶比普通的中波、短波和超短波的頻帶要寬幾千倍以上,這就意味著射頻/微波可以攜帶的信息量要比普通無線電波可能攜帶的信息量大的多。因此,現(xiàn)代生活中的移動通信、多路通信、 圖像傳輸、 衛(wèi)星通信等設備全都使用射頻/微波作為傳送手段。

     射頻/微波信號還可提供相位信息、極化信息、 多普勒頻移信息等。這些特性可以被廣泛應用于目標探測、目標特征分析、遙測遙控、遙感等領域。

    2.2射頻/微波的主要優(yōu)點

  由上述基本特性可歸納出射頻/微波與普通無線電相比有以下優(yōu)點:

  (1) 頻帶寬?？蓚鬏數男畔⒘看蟆?/p>

  (2)分辨率高。連續(xù)波多普勒雷達的頻偏大,成像更清晰,反應更靈敏。

  (3)尺寸小。電路元件和天線體積小。

  (4)干擾小。不同設備相互干擾小。

   (5)速度快。數字系統(tǒng)的數據傳輸和信號處理速度快。

  (6) 頻譜寬。頻譜不擁擠,不易擁堵,設備更可靠

2.3射頻/微波的不利因素

   由于射頻/微波本身的特點,也會帶來一些局限性。主要體現(xiàn)在如下幾個方面:

  (1) 元器件成本高。

  (2)輻射損耗大。

  (3)大量使用砷化鎵器件,而不是通常的硅器件。

  (4)電路中元件損耗大,輸出功率小。

  (5)設計工具精度低,成熟技術少。

  這些問題都是我們必須面對的,在工程中應合理設計電路,取得一個比較好的折中方案。

No.3射頻/微波系統(tǒng)的核心問題

   3.1射頻鐵三角

  由于頻率、 阻抗和功率是貫穿射頻/微波工程的三大核心指標,故將其稱為射頻鐵三角。它能夠形象地反映射頻/微波工程的基本內容。這三方面既有獨立特性,又相互影響。三者的關系可以用圖1-2表示。

   3.2射頻鐵三角的內涵

   1.頻率

   頻率是射頻/微波工程中基本的一個參數,對應于無線系統(tǒng)所工作的頻譜范圍,也規(guī)定了所研究的微波電路的基本前提,進而決定微波電路的結構形式和器件材料。直接影響射頻/微波信號頻率的主要電路有：

  (1)信號產生器：用來產生特定頻率的信號,如點頻振蕩器、機械調諧振蕩器、 壓控振蕩器、 頻率合成器等。

(2)頻率變換器：將一個或兩個頻率的信號變?yōu)榱硪粋€所希望的頻率信號,如分頻器、變頻器、 倍頻器、 混頻器等。

  (3)頻率選擇電路：在復雜的頻譜環(huán)境中,選擇所關心的頻譜范圍。經典的頻率選擇電路是濾波器,如低通濾波器、帶通濾波器、 高通濾波器和帶阻濾波器等。近年發(fā)展起來的高速電子開關由于體積小,在許多方面取代了濾波器來實現(xiàn)頻率選擇。在射頻/微波工程中,這些電路可以獨立工作,也可以相互組合,還可以與其他電路組合,構成射頻/微波電路子系統(tǒng)。

   這些電路的測量儀器有頻譜分析儀、頻率計數器、功率計、網絡分析儀等。

2.功率

   功率用來描述射頻/微波信號的能量大小。所有電路或系統(tǒng)的設計目標都是實現(xiàn)射頻/微波能量的佳傳遞。  影 響射頻/微波信號功率的主要電路有：

  (1)衰減器:控制射頻/微波信號功率的大小。通常由有耗材料（電阻性材料）構成,有固定衰減量和可調衰減量之分。

  (2)功分器:將一路射頻/微波信號分成若干路的組件,可以是等分的,也可以是比例分配的,希望分配后信號的損失盡可能小。功分器也可用作功率合成器,在各個支路口接同頻同相等幅信號,在主路疊加輸出。

   (3)耦合器:定向耦合器是一種特殊的分配器。通常是耦合一小部分功率到支路,用以檢測主路信號的工作狀態(tài)是否正常。分支線耦合器和環(huán)形橋耦合器可實現(xiàn)不同相位的功率分配/合成，配合微波二極管,完成多種功能微波電路,如混頻、變頻、 移相等

  (4)放大器：提高射頻/微波信號功率的電路,在射頻/微波工程中地位極為重要。用于接收的是小信號放大器,該類放大器著重要求低噪聲、高增益。用于發(fā)射的是功率放大器,對于該類放大器,為了滿足要求的輸出功率,可以不惜器件和電源成本。用于測試儀器的放大器,完善和豐富了儀器的功能。

3.阻抗

  阻抗是在特定頻率下,描述各種射頻/微波電路對微波信號能量傳輸的影響的一個參數。

  電路的材料和結構對工作頻率的響應決定電路阻抗參數的大小。工程實際中,應設法改進阻抗特性,實現(xiàn)能量的大傳輸。所涉及的射頻/微波電路有：

  (1)阻抗變換器:增加合適的元件或結構,實現(xiàn)一個阻抗向另一個阻抗的過渡。

  (2)阻抗匹配器:一種特定的阻抗變換器,實現(xiàn)兩個阻抗之間的匹配。

  (3)天線:一種特定的阻抗匹配器,實現(xiàn)射頻/微波信號在封閉傳輸線和空氣媒體之間的匹配傳輸。

No.4 射頻微波電路的應用

    射頻/微波電路的經典用途是通信和雷達系統(tǒng)。近年來發(fā)展為迅猛的當數個人通信系統(tǒng),當然,導航、遙感、 科學研究、 生物醫(yī)學和微波能的應用也占有很大的體量。下面歸納出射頻/微波電路的各種用途,并給出幾個應用實例。

  (1)無線通信系統(tǒng):

 空間通信,遠距離通信,無線對講,蜂窩移動,個人通信系統(tǒng),無線局域網,衛(wèi)星通信,航空通信,航海通信,機車通信,業(yè)余無線電等。

(3)導航系統(tǒng)：

  微波著陸系統(tǒng)（MLS）,GPS,無線信標,防撞系統(tǒng),航空、航海自動駕駛等。

  (4)遙感：

  地球監(jiān)測,污染監(jiān)測,森林、農田、 魚汛監(jiān)測,礦藏、沙漠、 海洋、 水資源監(jiān)測,風、雪、冰、凌監(jiān)測,城市發(fā)展和規(guī)劃等。

(5)射頻識別：

  保安,防盜,入口控制,產品檢查,身份識別,自動驗票等。

  (6)廣播系統(tǒng)：

  調幅（AM）,調頻（FM）廣播,電視（TV）等。

  (7)汽車和高速公路：

  自動避讓,路面告警,障礙監(jiān)測,路車通信,交通管理,速度測量,智能高速路等。

  (8)傳感器：

  潮濕度傳感器,溫度傳感器,長度傳感器,探地傳感器,機器人傳感器等。

   (9) 電子戰(zhàn)系統(tǒng)：間諜衛(wèi)星,輻射信號監(jiān)測,行軍與阻擊等。

  (10)醫(yī)學應用：磁共振成像,微波成像,微波理療,加熱催化,病房監(jiān)管等。

  (11)空間研究:射電望遠鏡,外層空間探測等。

  (12) 無線輸電: 空對空,地對空,空對地,地對地輸送電能等。

No.5 射頻/微波系統(tǒng)舉例

5.1射頻/微波通信系統(tǒng)

  1.基本原理

  射頻/微波通信的基本原理就是利用其似光傳輸特性,穿越空氣,實現(xiàn)信息的無線傳遞。

  如圖1-3所示,基本的通信系統(tǒng)就是成對的發(fā)射機和接收機。

2.微波通信數據鏈

 微波通信和專用微波數據鏈的系統(tǒng)示意圖。

3.衛(wèi)星通信

 K波段衛(wèi)星通信系統(tǒng)的地面站結構框圖。

    K波段衛(wèi)星通信系統(tǒng)示意圖。

  5.2 雷達系統(tǒng)

  1.基本原理

  雷達的原意為無線電探測與定位,基本原理是發(fā)射的微波信號遇到目標后反射回來,檢測發(fā)射信號與接收信號之間的關系,即可確定目標的信息。

圖1-7是雷達的基本原理示意圖。

2.脈沖雷達

   脈沖雷達是雷達的一種基本形式。對連續(xù)波微波信號進行脈沖調幅,發(fā)射出去的信號就是微波脈沖。檢測回波脈沖信號與發(fā)射脈沖信號的時間差(微波傳輸的速度是光速)，即可確定目標的距離。脈沖雷達的結構框圖。

3、多普勒雷達

    多普勒（Doppler）雷達是依靠移動目標所引起的多普勒頻移信息的一種雷達體制,具有很強的距離鑒別能力和速度鑒別能力,能夠在復雜的背景下檢測出目標。它有連續(xù)波和脈沖兩種形式

4.高度表

  高度表是各種飛行器的儀表。發(fā)射信號與接收信號的頻移含有目標距離的信息。

  如果目標是地面,就可確定出飛行器的距地面高度。圖1-11是C波段高度表的結構框圖。

   No.6 射頻/微波工程基礎常識

6.1關于分貝的幾個概念

  通常情況下,射頻/微波電路用波的概念來描述能量的傳遞,用功率而不用電壓或電流。

  由于便于測量和運算,分貝用的多。表1- 4 給出了與分貝相關的常見物理量及其用途。

6.2常用射頻/微波接頭

     從1.5節(jié)可以看出,各種電路模塊需要用接插件連接起來。這種連接可以是硬連接,也可以通過電纜軟連接。電纜分為柔性電纜、軟電纜和半剛性電纜。工程中的具體選擇由總體結構、 成本與性能等因素決定。表1-5給出常用接頭的性能。

    這些接頭都是陰—陽配對使用。旋接時一手捏緊陰頭端，另一手旋轉陽頭端螺套，使接頭插針沿軸向拔出或插入，不應旋轉陰頭端，以免損傷插針和插孔。接頭另一端焊接射頻/微波電路或與合適的電纜相接。