射频与天线绪论资料ppt课件

射频与天线技术射频与天线技术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:黑龙江大学黑龙江大学电子工程学院本章内容n射频/微波的定义n射频/微波的特点n常规电路元件的射频特性n射频/微波的简史n课程内容设置n本课程的要求与建议黑龙江大学电子工程学院0.1 RF/MW的定义黑龙江大学电子工程学院0.1 RF/MW的定义常用微波常用微波波段的划分波段的划分黑龙江大学电子工程学院0.1 RF/MW的定义黑龙江大学电子工程学院0.2 RF/MW的特点n1.频率高q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；q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频率下带宽为600MHz（100个电视频道！）q因此，RF/MW的一个最广泛的应用就是无线通信。黑龙江大学电子工程学院0.2 RF/MW的特点微波接力通信黑龙江大学电子工程学院0.2 RF/MW的特点蜂窝电话系统黑龙江大学电子工程学院0.2 RF/MW的特点n2.波长短q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；q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。黑龙江大学电子工程学院0.2 RF/MW的特点雷达黑龙江大学电子工程学院0.2 RF/MW的特点n3.大气窗口q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。n4.分子谐振q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。黑龙江大学电子工程学院0.2 RF/MW的特点卫星通信黑龙江大学电子工程学院0.2 RF/MW的特点卫星定位导航黑龙江大学电子工程学院0.2 RF/MW的特点射电天文望远镜微波炉黑龙江大学电子工程学院0.2 RF/MW的特点微波治疗仪黑龙江大学电子工程学院0.2 RF/MW的特点q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q在RF/MW相邻低端以下的频段，波长比物体尺寸长很多，可以采用集总模型研究；q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；q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！黑龙江大学电子工程学院0.3 常规电路元件的射频特性q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；q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nR、L和基本为常数，不随频率变化；n导线相当于与频率无关的短路线段。q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。黑龙江大学电子工程学院0.3 常规电路元件的射频特性q考虑导线上传输交变电流i，变化规律为：分别考虑0.3.1 长线概念黑龙江大学电子工程学院0.3 常规电路元件的射频特性对应的波长为：0.3.1 长线概念黑龙江大学电子工程学院0.3 常规电路元件的射频特性q于是，在一段长为1m的导线上：n照明电流几乎不变nGSM蜂窝电话电流变化3.3个周期nX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，导线对于照明电力系统，导线长几米不会有什么影响，而长几米不会有什么影响，而对于对于X波段雷达，导线哪怕波段雷达，导线哪怕变化几厘米，影响都很大。变化几厘米，影响都很大。通常把通常把RF/MW导线导线（传输线）称为长线，（传输线）称为长线，传统的电路理论已不适传统的电路理论已不适合长线！合长线！黑龙江大学电子工程学院0.3 常规电路元件的射频特性q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分别为：0.3.2 导体的趋肤效应黑龙江大学电子工程学院0.3 常规电路元件的射频特性q对于交流电流，导体周围产生磁场；q交流磁场又产生电场q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 导体的趋肤效应黑龙江大学电子工程学院0.3 常规电路元件的射频特性q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：q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黑龙江大学电子工程学院0.3 常规电路元件的射频特性q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：q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 黑龙江大学电子工程学院0.3 常规电路元件的射频特性q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 高频电阻黑龙江大学电子工程学院0.3 常规电路元件的射频特性q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。q【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 高频电阻黑龙江大学电子工程学院0.3 常规电路元件的射频特性q【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 高频电阻黑龙江大学电子工程学院0.3 常规电路元件的射频特性q【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 高频电阻黑龙江大学电子工程学院0.3 常规电路元件的射频特性q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：q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 高频电容黑龙江大学电子工程学院0.3 常规电路元件的射频特性q于是，平板电容变成了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。q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 高频电容黑龙江大学电子工程学院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 高频电容黑龙江大学电子工程学院0.3 常规电路元件的射频特性q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 高频电感黑龙江大学电子工程学院0.4 RF/MW发展简史1864年年，英国物理学家J.C.Maxwell(1831-1879,48岁)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。黑龙江大学电子工程学院0.4 RF/MW发展简史1900年年，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。大西洋黑龙江大学电子工程学院0.4 RF/MW发展简史1935年年，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。黑龙江大学电子工程学院0.4 RF/MW发展简史1945年年，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年年，国际通信卫星组织发射了第一颗同步通信卫星。70年代年代，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。黑龙江大学电子工程学院0.4 RF/MW发展简史80-90年代年代，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。黑龙江大学电子工程学院0.4 RF/MW发展简史黑龙江大学电子工程学院0.5 课程内容设置n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黑龙江大学电子工程学院0.5 课程内容设置nRF/MW系统的组成：q传输线：传输RF/MW信号q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q天线：辐射或接收电磁波n正是上述装置构成了本课程内容黑龙江大学电子工程学院0.5 课程内容设置n当然，RF/MW应用还涉及其它重要方面：q电波传播qRF/MW测量qRF/MW仿真与计算n尽管重要，由于课时有限，划分为实验及自学内容。黑龙江大学电子工程学院0.5 课程内容设置n微波、天线与电波传播的关系q微波n对象对象：如何导引电磁波在微波传输系统中的有效传输n目的目的：希望电磁波按一定要求沿微波传输系统无辐射的传输；q天线n任务任务：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n作用作用：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q电波传播n分析和研究电波在空间的传播方式和特点黑龙江大学电子工程学院0.6 本课程要求与建议n使用教材q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。n参考书籍q1 R.Ludwig,P.Bretchko.RF circuit Design-Theory and Applications.电子工业出版社,2004q2 P.M.Pozar.Microwave Engineering.(3 ed).电子工业出版社,2006.q3 K.Chang.RF and Microwave Wireless System.NY John Wiley&Sons Inc.,2010.黑龙江大学电子工程学院0.6 本课程要求与建议n成绩评定与作业要求q作业+出勤20%q实验10%q期末考试70%n教学方法q课程特点n概念抽象、数学公式多q我们的对策n形象化教学+原理设计q我们的目标n能够分析并设计典型RF/MW电路黑龙江大学电子工程学院0.6 本课程要求与建议n学习方法q大处着眼n始终把握每讲内容在整体课程中的地位；n始终把握所学元器件在RF/MW系统中的地位；n从原理上把握每一元器件的机理、功能和作用。q小处着手n熟练掌握具有代表性的理论、公式和推导；n熟悉集中具有代表性的元器件的设计过程；n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。黑龙江大学电子工程学院本章作业（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？