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。

依據麥克斯韋的電磁場理論：振蕩的電場產生振蕩的磁場，振蕩的磁場產生振蕩的電場。

電磁場在空間內不斷向外傳播，形成了電磁波。

下圖可以大致體現體現這個過程，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之間的電磁波的統稱，被廣泛應用于雷達和無線通信。

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。

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）即給定單位時間內的波發生的周期數，單位為赫茲（Hz）。

下圖表示的是頻率為10Hz的信號單位時間內的波形。

波長（λ）即波在一個周期內傳播的距離，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，避免應用之間的互相干擾，規范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，因此經常被用來超視距雷達。

而高頻電磁波能量高，穿透能力強，帶寬更高，現在也被用于一些視距內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. 調制

單純的電磁波是沒有意義的，為了達到通信的目的，我們需要對發射端的電磁波進行一些操作來達到承載數據的目的，這個操作就叫做調制。

稍微學術一點，為了達到通信的目的，RF信號必須具有一種攜帶信息的方式，調制即利用三個波特性（頻率、相位、振幅）來達到修改RF信號、傳輸數據的目的。

調制又分為模擬調制和數字調制，下面分別介紹。

3.1 模擬調制

模擬調制包括發送帶有模擬載波的模擬數字信號，最簡單的模擬調制包括調幅（幅度），調頻（頻率），調相（相位）。

載波：被調制以傳輸信號的波形，通常為正弦波。

原始信號：

調幅（AM）: 基礎調幅過程: 調制信號與載波的最大振幅相加，再與載波相乘，結果如下：

調頻（FM）：

直接調頻：利用調制信號直接控制振蕩器的振蕩頻率。

間接調頻：現將調制信號進行積分，然后對載波調相，最后通過n次倍頻器得到最后的調制信號。調頻可以通過調相間接得到。

調相（PM）：如間接調頻，調相和調頻經常一起發生。通過調制數據信號可以將載波的相位往前或者向后挪移。

3.2 數字調制

數字調制指用數字信號對正弦或余弦高頻振蕩進行調制。最基本的調制方式包括：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）：用數字調制信號控制，可以通過改變幅度本身，也可以通過簡單地關閉、打開信號形成能量脈沖（開關鍵：OOK）。

頻率鍵控（FSK）：FSK用二進制數據調制載波的頻率，形成具有明顯變化的頻率來表示數據位。

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

在高速系統中，以符號表示單個1或0的格式傳輸數字數據非常慢，為了提高數據傳輸的速度，需要借用更復雜的調制形式，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。

要進行擴展也很容易，增加更多的相位點，就可以產生更多的符號，增加數據速率。

除了增加相位點，也可以通過增加幅度調制來進一步增加數據表示的維度，增加數據傳輸的效率。

正交幅度調制（QAM）：調制過程中，同時以載波信號的幅度和相位來代表不同的比特編碼，將多進制與正交載波技術相結合，進一步提高頻帶利用率。下圖是16-QAM的示例圖。

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

這些點根據不同的調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調制技術

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

IQ調制就是數據分為兩路，分別進行載波調制，兩路載波相互正交（相位相差90°）。

數字IQ調制完成了符號到矢量坐標系的映射，映射點一般稱為星座點，具有實部和虛部。

該矢量坐標系也可以稱為IQ坐標系。

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

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承載的數據內容被稱為1個符號（Symbol），每個符號對應星座圖上的一個狀態，不同狀態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. 擴頻

擴頻（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，常用于無線通信領域。

擴頻具有以下優點：

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。接收方必須知道擴頻碼，才可恢復原始信號；

③ 多個用戶可獨立使用同樣的較高帶寬，且幾乎無干擾。

目前主流的兩個擴頻技術是跳頻擴頻和直接序列擴頻。

4.1 跳頻擴頻（FHSS）

用一定的擴頻碼序列進行選擇的多頻率頻移鍵控調制，使載波頻率不斷跳變。

發送方用看似隨機的無線電頻率序列廣播信息，并在固定時間間隔內從一個頻率跳到另一個頻率，接收方接收時也同步跳轉頻率。

4.2 直接序列擴頻（DSSS）

用高碼率的擴頻碼序列在發送方直接擴展信號頻譜，而接收方則用相同擴頻碼序列進行解擴。

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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、 遠紅外線、 紅外線、 可見光。

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研究方法 -- 微波技術

具體地,微波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。

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,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律,分析電壓和電流的各種傳輸特性。

用上述兩種方法的結果是相同的，取決于哪個更方便。

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

“結構就是電路”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。

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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，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,對應于無線系統所工作的頻譜范圍,也規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：

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。

頻率變換器：將一個或兩個頻率的信號變為另一個所希望的頻率信號,如分頻器、變頻器、 倍頻器、 混頻器等。

頻率選擇電路：在復雜的頻譜環境中,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。

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

功率

功率用來描述射頻/微波信號的能量大小。

所有電路或系統的設計目標都是實現射頻/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）構成,有固定衰減量和可調衰減量之分。

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是否正常。分支線耦合器和環形橋耦合器可實現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構,實現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,實現兩個阻抗之間的匹配。

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

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射頻微波工程基礎知識

關于分貝dB的基礎概念

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

功率對應關系表

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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構、 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。

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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。

近年來發展最為迅猛的當數個人通信系統,當然,導航、遙感、 科學研究、 生物醫學和微波能的應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,并給出幾個應用實例。

無線通信系統:

空間通信,遠距離通信,無線對講,蜂窩移動,個人通信系統,無線局域網,衛星通信,航空通信,航海通信,機車通信,業余無線電等。

導航系統：

微波著陸系統（MLS）,GPS,無線信標,防撞系統,航空、航海自動駕駛等。

遙感：

地球監測,污染監測,森林、農田、 魚汛監測,礦藏、沙漠、 海洋、 水資源監測,風、雪、冰、凌監測,城市發展和規劃等。

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。

廣播系統：

調幅（AM）,調頻（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,機器人傳感器等。

電子戰系統：

間諜衛星,輻射信號監測,行軍與阻擊等。

醫學應用：

磁共振成像,微波成像,微波理療,加熱催化,病房監管等。

空間研究:

射電望遠鏡,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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