内容发布更新时间 : 2024/5/6 17:09:52星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。

龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn

射频微波电路简述

作者：王明月 张德慧 魏铭 来源：《科学与财富》2018年第12期

摘 要：近年来， 无线技术， 特别是通信（例如数据网络、移动电话）、射频识别（RFID）、导航（GPS）、遥感遥测以及探测（雷达）等技术的飞速发展与不断进步引起了全球范围内的普遍关注。因此， 对于无线电应用所需的高频载波而言， 这将有利于更好地规划和使用电磁频谱， 并允许设计更多有效的天线。可以预见， 基于低成本制造工艺和现代计算机辅助设计工具， 未来的新型无线系统将使用更高频率以及更宽频带的频谱。因此， 射频前端及其电路在现代无线系统中占据着重要地位。 关键词：现代无线电 射频微波

在通信如此发达的时代，无线电领域已经越来越受到人们的重视。阿姆斯特朗是无线电领域的开拓者和创新者。他在反馈电路和振荡真空管电路方面的开拓性工作标志着现代无线电技术的诞生。由于超外差电路、超反馈方面的贡献以及宽幅调频系统的发明，他成为现代无线电技术的创始人之一。 1. 现代无线电

1.1现代无线电的系统原理

射频通信接收机的前端由许多子系统级联以实现若干目的。滤波器和匹配网络提供了频率选择性以消除干扰信号，放大器通过提高接收信号幅度和需要发射的信号功率来“管理”噪声电平，混频器和振荡器将调制信息从一个频率变换到另一个频率。使用接收机的主要目的是把叠加到射频或载波上的信号转换到较低频率上，以便将其直接送到扬声器或进一步数字化处理。在蜂窝通信系统中，该低频信号通常被称为基带信号，其带宽从30kHz到5MHz的范围内变化，而载波频率可以在500MHz到2GHz的范围内选择。发射机则将基带信号叠加或调制到一个RF载波上，以便更容易地将其辐射到自由空间，并使其易于从一个天线（发射）传播到另一个天线（接收）。

1.2现代无线电收发机的结构

现代移动通信发射机需要最大限度地提高频谱效率和电源效率，例如，频谱效率和电源效率的提高可通过抑制载波的发射以及只发射一个单边带来实现，也可以通过选择调制方式来提高频谱利用率。实现单边带调制的经典技术是正交调制。通过严格要求允许的失真来实现电源效率，并且利用最少的手工调整来实现这样一种设计。对电源效率的要求会直接导致复合半导体晶体管的产生，包括Gaashbts和PHEMTS，而且大部分应用于蜂窝手机中。对于基站和点对点应用而言，在低于几千兆赫兹的工作频率下，Si-LDMOS是主流技术，并引入了高击穿电

龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn

压的氮化镓（GaN）场效应管。另一种趋势是发展通用放大器的概念，它能使相同的RF前端应用于许多不同的应用场合。

为了提高移动发射机的电源效率，出现了很多新型高效率的功率放大器，例如，包络分离和恢复的Kahn功率放大器、异相功率放大器、Doherty功率放大器、开关功率放大器和双途径功率放大器等。为了满足现代通信对功率放大器线性度的要求，还出现了前馈线性化技术、基带预失真技术等。 2. 射频微波

2.1射频微波概念与应用 （1）概念：

高频（HF）区也称为短波（SW）区，频段为3～30MHz，VHF频段为30～300MHz，该频段内包含有调频广播频段，公用业务、一些电视广播站、航空和业余无线电频段。甚高频（UHF）段为300～900MHz，包含有VHF频段同样的业务，微波区域开始于UHF频段的末端，即900MHz或1000MHz（1GHz），它依赖于大众的认可。“射频”一词来源于英文单词Radiofrequency（RF），直接翻译过来就是“无线电频率”，但行业内通常将其转译为“射频”，意为“发射频率”。由于广义的“射频”概念所指的频率比较宽，常常与“微波”频率发生交叠，因此，为了方便起见，通常射频信号是指在30MHz到4GHz这样一个频率范围。也就是说，我们通常所指的射频主要包括了VHF、UHF以及微波低频段。 （2）应用：

射频与微波典型应用涉及以蜂窝与无线通信网络为基础的陆上语音和数据通信，以及陆上和基于卫星的广播系统ISM频段内的射频识别（RFID）系统则在货运及物流业务领域变得越来越流行。至于导航领域，GPS应该是应用最广泛的，它已经被安装在大量的交通工具和移动设备中。同时，汽车行业以及雷达系统中，，GPS还用于监测周围环境或者用作驾驶辅助系统的传感器。

2.2射频微波域的物理现象

RF频段介于集中参数频段与分布参数频段之间，集中参数频段可用“路”的概念来分析，分布参数则用“场”的概念来分析。RF频段是一种相对概念，事实上，它与电路尺寸有关，电路尺寸只要小于八分之一导波波长（λg），就可用“路”的概念来分析电路。 （1）集总元件的射频效应

龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn

在射频微波条件下，集总电阻、电容以及电感等器件的物理特性将不再是在低频段中表现出的“纯”阻性、容性和感性，也就是说，这些低频集总元件如果应用于高频环境下，则其频率响应应不在呈现出理想的电阻、电容和电感特性。 （2）趋肤效应

在RF中，趋肤效应的影响很严重。“趋肤效应”是指交流（AC）电流流经导体时趋向于导体外边部分，而直流（DC）电流均匀地流经整个导体的截面积。随着电流频率的升高，趋肤效应形成了一个较小的导流带，于是形成了大于直流（DC）均匀电阻的交流（AC）电阻。趋肤效应引起的最明显的影响就是使信号传输途径中的损耗增加。 （3）电磁辐射

在RF电路中发现的另外一个问题是信号很容易从电路内部向外部和在电路内部之间辐射。这样，就造成了电路内部元件之间、电路与其环境之间、其环境与电路之间的互相耦合。这种耦合又称为寄生耦合，电路元件之间的耦合造成了RF电路中的寄生反馈，它会引起电路的不稳定及性能下降。电路中的信号向外辐射造成了两个后果—RF电路中的损耗增加及干扰环境中的其他RF电路。当然，第三种寄生耦合造成了环境中的RF电路（若干个）对本身RF电路的干扰。可以这样说，在RF电路中产生的干扰及其他很多奇奇怪怪的效应都是这种互耦造成的。例如，在RF电路中的放大器很容易就成为了振荡器，而RF振荡器偏偏又不起振或者振荡不稳定。互耦会造成RF电路不稳定或工作在临界稳定状态—亚稳定状态，当工作条件或环境温度发生变化时，电路即变为不稳定状态。互耦效应在直流电路中及低频电路中是见不到的或者是可以忽略的。 （3）电源耦合

RF电路中的另外一个重要问题是公用电源的去耦合问题。在RF有源电路中，必须提供电源。在设计RF电路及系统时，为了简化电路、提高电路及系统的可靠性，要尽可能减少电源的种类。也就是说，在电路设计中，要尽可能选用与供电电压相同的器件及术与集成芯片。电路与系统中若干个单元电路使用公用电源带来了另外一个问题。由于公用电源中每一个单元电路的交流、直流分量都要通过电源。因此，公用电源都是非理想的，具有内阻。通过这个公用内阻，把这些单元电路互相耦合在一起，主要是指交流相互耦合。而由于这种类型的互耦，也加剧了RF电路的不稳定。 （4）噪声

在通信和雷达中，电路与系统的噪声是一个非常重要的问题。因为信号比噪声大得越多，信噪比就越大，而且信号能在理想的误比特率条件下传输得更远。噪声可以分为两类：内部噪声和外部噪声。这两种噪声是不可避免的，它们都会限制接收端放大器的增益。然而，通过合理地设计电路和系统，可以把噪声降到最低。例如，如果在接收端的前面使用低噪声放大器和