1. 什么是射頻？

射頻簡稱RF，是高頻交流變化電磁波的簡稱。

電磁波其實就是比較熟悉的概念了。

依據(jù)麥克斯韋的電磁場理論：振蕩的電場產(chǎn)生振蕩的磁場，振蕩的磁場產(chǎn)生振蕩的電場。

電磁場在空間內(nèi)不斷向外傳播，形成了電磁波。

下圖可以大致體現(xiàn)體現(xiàn)這個過程，E代表電場，B代表磁場。

在軸上同一位置的電場、磁場的相位和幅度均會隨著時間發(fā)生變化。

通常情況下，射頻（RF）是振蕩頻率在300KHz-300GHz之間的電磁波的統(tǒng)稱，被廣泛應(yīng)用于雷達(dá)和無線通信。

2. 射頻基本特征

為了描述給定射頻信號，可以從頻率、波長、幅度、相位四個角度出發(fā)。

2.1 頻率和波長

電磁波的頻率即電磁場振蕩的頻率。

波動具有周期，頻率（f）即給定單位時間內(nèi)的波發(fā)生的周期數(shù)，單位為赫茲（Hz）。

下圖表示的是頻率為10Hz的信號單位時間內(nèi)的波形。

波長（λ）即波在一個周期內(nèi)傳播的距離，在傳播速度一定的情況下，波長與頻率成反比，即，λ = c / f。

相似頻率的RF之間會相互干擾，因此有專門管理頻譜的組織來分配使用頻段，避免應(yīng)用之間的互相干擾，規(guī)范RF的使用。

由于衰減等因素影響，低頻電磁波一般能比高頻電磁波傳播更長的距離，因此經(jīng)常被用來超視距雷達(dá)。

而高頻電磁波能量高，穿透能力強(qiáng)，帶寬更高，現(xiàn)在也被用于一些視距內(nèi)的通信來緩解低頻段擁擠的問題，例如mmWave通信。

2.2 振幅

RF的振幅信號即單個周期內(nèi)電場振蕩變化的度量，對于正弦波，可以用峰值①、峰-峰值②、均方根值來表示③。

2.3 相位

相位即波周期中單個時間點的位置，在正弦波中通常用弧度表示。

3. 調(diào)制

單純的電磁波是沒有意義的，為了達(dá)到通信的目的，我們需要對發(fā)射端的電磁波進(jìn)行一些操作來達(dá)到承載數(shù)據(jù)的目的，這個操作就叫做調(diào)制。

稍微學(xué)術(shù)一點，為了達(dá)到通信的目的，RF信號必須具有一種攜帶信息的方式，調(diào)制即利用三個波特性（頻率、相位、振幅）來達(dá)到修改RF信號、傳輸數(shù)據(jù)的目的。

調(diào)制又分為模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制，下面分別介紹。

3.1 模擬調(diào)制

模擬調(diào)制包括發(fā)送帶有模擬載波的模擬數(shù)字信號，最簡單的模擬調(diào)制包括調(diào)幅（幅度），調(diào)頻（頻率），調(diào)相（相位）。

載波：被調(diào)制以傳輸信號的波形，通常為正弦波。

原始信號：

調(diào)幅（AM）: 基礎(chǔ)調(diào)幅過程: 調(diào)制信號與載波的最大振幅相加，再與載波相乘，結(jié)果如下：

調(diào)頻（FM）：

直接調(diào)頻：利用調(diào)制信號直接控制振蕩器的振蕩頻率。

間接調(diào)頻：現(xiàn)將調(diào)制信號進(jìn)行積分，然后對載波調(diào)相，最后通過n次倍頻器得到最后的調(diào)制信號。調(diào)頻可以通過調(diào)相間接得到。

調(diào)相（PM）：如間接調(diào)頻，調(diào)相和調(diào)頻經(jīng)常一起發(fā)生。通過調(diào)制數(shù)據(jù)信號可以將載波的相位往前或者向后挪移。

3.2 數(shù)字調(diào)制

數(shù)字調(diào)制指用數(shù)字信號對正弦或余弦高頻振蕩進(jìn)行調(diào)制。最基本的調(diào)制方式包括：振幅鍵控（ASK）、頻率鍵控（FSK）、移相鍵控（PSK）。

抗干擾能力：PSK>FSK>ASK

振幅鍵控（ASK）：用數(shù)字調(diào)制信號控制，可以通過改變幅度本身，也可以通過簡單地關(guān)閉、打開信號形成能量脈沖（開關(guān)鍵：OOK）。

頻率鍵控（FSK）：FSK用二進(jìn)制數(shù)據(jù)調(diào)制載波的頻率，形成具有明顯變化的頻率來表示數(shù)據(jù)位。

移相鍵控（PSK）：用數(shù)字調(diào)制信號的正負(fù)控制載波相位，如，數(shù)字信號的振幅為正時，載波起始相位取180°，為負(fù)時，相位取0°。

在高速系統(tǒng)中，以符號表示單個1或0的格式傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)非常慢，為了提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣?，需要借用更?fù)雜的調(diào)制形式，用單個符號來表示幾個位。

正交相移鍵控（QPSK）：又稱四相相移鍵控，利用載波的4中不同相位差來表征輸入，規(guī)定45°/135°/225°/275°四種載波相位，每種相位代表兩個bit的組合，如圖所示。

要進(jìn)行擴(kuò)展也很容易，增加更多的相位點，就可以產(chǎn)生更多的符號，增加數(shù)據(jù)速率。

除了增加相位點，也可以通過增加幅度調(diào)制來進(jìn)一步增加數(shù)據(jù)表示的維度，增加數(shù)據(jù)傳輸?shù)男省?/p>

正交幅度調(diào)制（QAM）：調(diào)制過程中，同時以載波信號的幅度和相位來代表不同的比特編碼，將多進(jìn)制與正交載波技術(shù)相結(jié)合，進(jìn)一步提高頻帶利用率。下圖是16-QAM的示例圖。

對于數(shù)字調(diào)制來說，采用的是離散的數(shù)字量來控制載波相位和幅度的變化，因此其在極坐標(biāo)上的狀態(tài)表示為一個個離散的點

這些點根據(jù)不同的調(diào)制方式而組成不同的圖案，這些圖案有時又稱為星座圖（Constellation）。上圖即為16-QAM的星座圖。

IQ調(diào)制技術(shù)

以上所提及的所有數(shù)字調(diào)制方式，基本上都是通過IQ調(diào)制實現(xiàn)的（如何實現(xiàn)見Understanding I/Q Signals and Quadrature Modulation），I是in-phase（同相）, q是 quadrature（正交）。

IQ調(diào)制就是數(shù)據(jù)分為兩路，分別進(jìn)行載波調(diào)制，兩路載波相互正交（相位相差90°）。

數(shù)字IQ調(diào)制完成了符號到矢量坐標(biāo)系的映射，映射點一般稱為星座點，具有實部和虛部。

該矢量坐標(biāo)系也可以稱為IQ坐標(biāo)系。

在IQ坐標(biāo)系中，任何一點都確定了一個矢量，可以寫為(I + jQ)的形式，數(shù)字調(diào)制完成后便可以得到相應(yīng)的I 和 Q 波形，因此數(shù)字調(diào)制又稱為矢量調(diào)制。

上圖顯示了BPSK、QPSK、16-QAM、32-QAM的星座圖。

一般情況下，信號在星座圖上每個狀態(tài)承載的數(shù)據(jù)內(nèi)容被稱為1個符號（Symbol），每個符號對應(yīng)星座圖上的一個狀態(tài)，不同狀態(tài)間的變化速率就叫做符號速率（Symbol Rate），有時又稱為波特率（Baud Rate）。

4. 擴(kuò)頻

擴(kuò)頻（Spread Spectrum，SS）是將傳輸信號的頻譜（spectrum）打散到較其原始帶寬更寬的一種通信技術(shù)，常用于無線通信領(lǐng)域。

擴(kuò)頻具有以下優(yōu)點：

① 對各類噪聲如多徑失真具有免疫性；

② 可用于隱藏和加密信號。接收方必須知道擴(kuò)頻碼，才可恢復(fù)原始信號；

③ 多個用戶可獨立使用同樣的較高帶寬，且?guī)缀鯚o干擾。

目前主流的兩個擴(kuò)頻技術(shù)是跳頻擴(kuò)頻和直接序列擴(kuò)頻。

4.1 跳頻擴(kuò)頻（FHSS）

用一定的擴(kuò)頻碼序列進(jìn)行選擇的多頻率頻移鍵控調(diào)制，使載波頻率不斷跳變。

發(fā)送方用看似隨機(jī)的無線電頻率序列廣播信息，并在固定時間間隔內(nèi)從一個頻率跳到另一個頻率，接收方接收時也同步跳轉(zhuǎn)頻率。

4.2 直接序列擴(kuò)頻（DSSS）

用高碼率的擴(kuò)頻碼序列在發(fā)送方直接擴(kuò)展信號頻譜，而接收方則用相同擴(kuò)頻碼序列進(jìn)行解擴(kuò)。

01

無線電頻段劃分

一般情況下，射頻/微波頻段分為 米波（10-1m，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(yuǎn)紅外線、 紅外線、 可見光。

02

研究方法 -- 微波技術(shù)

具體地,微波技術(shù)包括信號的產(chǎn)生、 調(diào)制、 功率放大、 輻射、 接收、 低噪聲放大、 混頻、 解調(diào)、 檢測、 濾波、 衰減、移相、 開關(guān)等各個模塊單元的設(shè)計和生產(chǎn)。

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(shù)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。

用上述兩種方法的結(jié)果是相同的，取決于哪個更方便。

在射頻/微波頻率范圍內(nèi)，模塊的幾何尺寸和波長相似，分布參數(shù)的概念始終貫徹于工程技術(shù)的方方面面。

“結(jié)構(gòu)就是電路”是射頻/微波電路的顯著特征。

射頻/微波電路的設(shè)計目標(biāo)就是處理好材料、結(jié)構(gòu)與電路功能的關(guān)系。

03

射頻/微波的核心問題

射頻鐵三角：?頻率，阻抗，功率

這三者是核心指標(biāo)，相互獨立又相互影響

頻率

頻率是射頻/微波工程中最基本的一個參數(shù),對應(yīng)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(jìn)而決定微波電路的結(jié)構(gòu)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：

信號產(chǎn)生器：用來產(chǎn)生特定頻率的信號,如點頻振蕩器、機(jī)械調(diào)諧振蕩器、 壓控振蕩器、 頻率合成器等。

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。

頻率選擇電路：在復(fù)雜的頻譜環(huán)境中,選擇所關(guān)心的頻譜范圍。

經(jīng)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(guān)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(gòu)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(shù)器、功率計、網(wǎng)絡(luò)分析儀等

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(shè)計目標(biāo)都是實現(xiàn)射頻/微波能量的最佳傳遞。

影響射頻/微波信號功率的主要電路有：

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(gòu)成,有固定衰減量和可調(diào)衰減量之分。

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。

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。

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。

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?shù)挠绊懙囊粋€參數(shù)。

電路的材料和結(jié)構(gòu)對工作頻率的響應(yīng)決定電路阻抗參數(shù)的大小。

工程實際中,應(yīng)設(shè)法改進(jìn)阻抗特性,實現(xiàn)能量的最大傳輸。

所涉及的射頻/微波電路有：

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

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。

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。

03

射頻微波工程基礎(chǔ)知識

關(guān)于分貝dB的基礎(chǔ)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,分貝用的最多。

dBm：功率相對于1mW的比值；

dBw：功率相對于1W的比值；

dBi，就是天線相對于一個全向點源天線的增益比值

更多dB

功率對應(yīng)關(guān)系表

03

常用的射頻微波接頭

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(jié)構(gòu)、 成本與性能等因素決定。

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(zhuǎn)陽頭端螺套，使接頭插針沿軸向拔出或插入，不應(yīng)旋轉(zhuǎn)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。

03

射頻微波電路的應(yīng)用

射頻/微波電路的經(jīng)典用途是通信和雷達(dá)系統(tǒng)。

近年來發(fā)展最為迅猛的當(dāng)數(shù)個人通信系統(tǒng),當(dāng)然,導(dǎo)航、遙感、 科學(xué)研究、 生物醫(yī)學(xué)和微波能的應(yīng)用也占有很大的市場份額。

下面歸納出射頻/微波電路的各種用途,并給出幾個應(yīng)用實例。

無線通信系統(tǒng):

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

導(dǎo)航系統(tǒng)：

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

遙感：

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

射頻識別：

保安,防盜,入口控制,產(chǎn)品檢查,身份識別,自動驗票等。

廣播系統(tǒng)：

調(diào)幅（AM）,調(diào)頻（FM）廣播,電視（TV）等。

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。

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(jī)器人傳感器等。

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。

醫(yī)學(xué)應(yīng)用：

磁共振成像,微波成像,微波理療,加熱催化,病房監(jiān)管等。

空間研究:

射電望遠(yuǎn)鏡,外層空間探測等。

無線輸電:

空對空,地對空,空對地,地對地輸送電能等。

編輯：黃飛

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