射頻電路的原理及應(yīng)用

2015-12-30 12:00

一．什么是射頻電路？

射頻簡稱RF，射頻就是射頻電流，它是一種高頻交流變化電磁波的簡稱。每秒變化小于1000次的交流電稱為低頻電流，大于1000次的稱為高頻電流，而射頻就是這樣一種高頻電流。

射頻電路指處理信號的電磁波長與電路或器件尺寸處于同一數(shù)量級的電路。此時由于器件尺寸和導(dǎo)線尺寸的關(guān)系，電路需要用分布參數(shù)的相關(guān)理論來處理，這類電路都可以認(rèn)為是射頻電路，對其頻率沒有嚴(yán)格要求，如長距離傳輸?shù)慕涣鬏旊娋€（50或60Hz）有時也要用RF的相關(guān)理論來處理。

二．射頻電路的原理及發(fā)展

射頻電路最主要的應(yīng)用領(lǐng)域就是無線通信，圖1.1為一個典型的無線通信系統(tǒng)的框圖，下面以這個系統(tǒng)為例分析射頻電路在整個無線通信系統(tǒng)中的作用。

圖1.1 典型射頻系統(tǒng)方框圖

這是一個無線通信收發(fā)機(jī)（tranceiver）的系統(tǒng)模型，它包含了發(fā)射機(jī)電路、接收機(jī)電路以及通信天線。這個收發(fā)機(jī)可以應(yīng)用于個人通信和無線局域網(wǎng)絡(luò)中。在這個系統(tǒng)中，數(shù)字處理部分主要是對數(shù)字信號進(jìn)行處理，包括采樣、壓縮、編碼等；然后通過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器變成模擬形式進(jìn)入模擬信號電路單元。
模擬信號電路分為兩部分：發(fā)射部分和接收部分。

發(fā)射部分的主要作用是：數(shù)- 模轉(zhuǎn)換輸出的低頻模擬信號與本地振蕩器提供的高頻載波經(jīng)過混頻器上變頻成射頻調(diào)制信號，射頻信號經(jīng)過天線輻射到空間中去。接收部分的主要作用是：空間輻射信號經(jīng)過天線耦合到接收電路中去，接收到的微弱信號經(jīng)過低噪聲放大器被放大后與本地振蕩信號經(jīng)過混頻器下變頻為包含中頻信號分量的信號。濾波器的作用就是將有用的中頻信號濾出來后輸入模-數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，然后進(jìn)入數(shù)字處理部分處理。

下面，將針對圖1.1 方框圖中的低噪聲放大器（LNA）討論一般射頻電路的組成和特點(diǎn)。
圖1.2以TriQuint公司的TGA4506-SM為例，給出了這個放大器的電路板圖，注意到輸入信號是通過一個經(jīng)過匹配濾波網(wǎng)絡(luò)輸入放大模塊。放大模塊一般采用晶體管的共射極結(jié)構(gòu)，其輸入阻抗必須與位于低噪聲放大器前面的濾波器的輸出阻抗相匹配，從而保證最佳傳輸功率和最小反射系數(shù)，對于射頻電路設(shè)計(jì)來說，這種匹配是必須的。此外，低噪聲放大器的輸出阻抗必須與其后端的混頻器輸入阻抗相匹配，同樣能保證放大器輸出的信號能完全、無反射的輸入到混頻器中去。這些匹配網(wǎng)絡(luò)是由微帶線組成，在有些時候也可能由獨(dú)立的無源器件組成，但是它們在高頻情況下的電特性與在低頻的情況下完全不同。圖上還可以看出微帶線實(shí)際上是一定長度和寬度的敷銅帶，與微帶線連接的是片狀電阻、電容和電感。

圖1.2 TGA4506-SM電路版圖

圖1.3用于個人通信終端的低噪聲放大器電路板圖

在電子學(xué)理論中，電流流過導(dǎo)體，導(dǎo)體周圍會形成磁場；交變電流通過導(dǎo)體，導(dǎo)體周圍會形成交變的電磁場，稱為電磁波。

在電磁波頻率低于100khz時，電磁波會被地表吸收，不能形成有效的傳輸，但電磁波頻率高于100khz時，電磁波可以在空氣中傳播，并經(jīng)大氣層外緣的電離層反射，形成遠(yuǎn)距離傳輸能力，我們把具有遠(yuǎn)距離傳輸能力的高頻電磁波稱為射頻，英文縮寫：RF。高頻電路基本上是由無源元件、有源器件和無源網(wǎng)絡(luò)組成的。高頻電路中使用的元器件與低頻電路中使用的元器件頻率特性是不同的。高頻電路中無源線性元件主要是電阻(器)、電容(器)和電感(器)。

在電子技術(shù)領(lǐng)域，射頻電路的特性不同于普通的低頻電路。主要原因是在高頻條件下，電路的特性與低頻條件下不同，因此需要利用射頻電路理論去理解射頻電路的工作原理。在高頻條件下，雜散電容和雜散電感對電路的影響很大。雜散電感存在于導(dǎo)線連接以及組件本身存在的內(nèi)部自感。雜散電容存在于電路的導(dǎo)體之間以及組件和地之間。在低頻電路中，這些雜散參數(shù)對電路的性能影響很小，隨著頻率的增加，雜散參數(shù)的影響越來越大。在早期的VHF頻段電視接收機(jī)中的高頻頭，以及通信接收機(jī)的前端電路中，雜散電容的影響都非常大以至于不再需要另外添加電容。

此外，在射頻條件下電路存在趨膚效應(yīng)。與直流不同的是，在直流條件下電流在整個導(dǎo)體中流動，而在高頻條件下電流在導(dǎo)體表面流動。其結(jié)果是，高頻的交流電阻要大于直流電阻。

在高頻電路中的另一個問題是電磁輻射效應(yīng)。隨著頻率的增加，當(dāng)波長可與電路尺寸12比擬時，電路會變?yōu)橐粋€輻射體。這時，在電路之間、電路和外部環(huán)境之間會產(chǎn)生各種耦合效應(yīng)，因而引出許多干擾問題。這些問題在低頻條件下往往是無關(guān)緊要的。

隨著通信技術(shù)的發(fā)展，通信設(shè)備所用頻率日益提高，射頻（RF）和微波（MW）電路在通信系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，高頻電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域得到了工業(yè)界的特別關(guān)注，新型半導(dǎo)體器件更使得高速數(shù)字系統(tǒng)和高頻模擬系統(tǒng)不斷擴(kuò)張。微波射頻識別系統(tǒng)（RFID）的載波頻率在915MHz和2450MHz頻率范圍內(nèi)；全球定位系統(tǒng)（GPS）載波頻率在1227.60MHz和1575.42MHz的頻率范圍內(nèi)；個人通信系統(tǒng)中的射頻電路工作在1.9GHz，并且可以集成于體積日益變小的個人通信終端上；在C波段衛(wèi)星廣播通信系統(tǒng)中包括4GHz的上行通信鏈路和6GHz的下行通信鏈路。通常這些電路的工作頻率都在1GHz以上，并且隨著通信技術(shù)的發(fā)展，這種趨勢會繼續(xù)下去。但是，處理這種頻率很高的電路，不僅需要特別的設(shè)備和裝置，而且需要直流和低頻電路中沒有用到的理論知識和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)。

三．射頻電路的應(yīng)用
RF(Radio Frequency)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于多種領(lǐng)域，如：電視、廣播、移動電話、雷達(dá)、自動識別系統(tǒng)等。專用詞RFID(射頻識別)即指應(yīng)用射頻識別信號對目標(biāo)物進(jìn)行識別。
RFID的應(yīng)用包括：
● ETC(電子收費(fèi))
● 鐵路機(jī)車車輛識別與跟蹤
● 集裝箱識別
● 貴重物品的識別、認(rèn)證及跟蹤
● 商業(yè)零售、醫(yī)療保健、后勤服務(wù)等的目標(biāo)物管理
● 出入門禁管理
● 動物識別、跟蹤
● 車輛自動鎖死(防盜)
射頻頻段頻段的主要應(yīng)用領(lǐng)域有：

1. 衛(wèi)星通信與衛(wèi)星電視廣播
* 雙邊帶廣播系統(tǒng)（DBS-Direct Broadcast System）
* C波段 ：4/6GHz，下行4 GHz，上行6 GHz
* Ku波段：12/15GHz，下行12GHz，上行15GHz
* 衛(wèi)星間通信：36GHz

2. 微波中繼通信
* 干線微波：2.1GHz，8GHz，11GHz
* 支線微波：6GHz，8GHz，11GHz，36GH
* 農(nóng)村多址(一點(diǎn)多址)：1.5GHz，2.4GHz，2.6GHz

3. 雷達(dá)、氣象、測距、定位
* 雷達(dá)遠(yuǎn)程警戒：P， L， S，C
* 精確制導(dǎo)：X,，Ka
* 氣象：1.7 GHz，0.1375GHz
* 汽車防撞、自動記費(fèi)：36 GHz，60GHz
* 防盜：9.4 GHz
* 全球定位：1227.60MHz和1575.42MHz

4. 射電天文：36GHz, 94GHz, 125GHz

5. 計(jì)算機(jī)無線網(wǎng)：2.5 GHz, 5.8 GHz, 36GHz