射頻微波電路簡(jiǎn)述

王明月　張德慧　魏銘

摘 要：近年來， 無線技術(shù)， 特別是通信（例如數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)電話）、射頻識(shí)別（RFID）、導(dǎo)航（GPS）、遙感遙測(cè)以及探測(cè)（雷達(dá)）等技術(shù)的飛速發(fā)展與不斷進(jìn)步引起了全球范圍內(nèi)的普遍關(guān)注。因此， 對(duì)于無線電應(yīng)用所需的高頻載波而言， 這將有利于更好地規(guī)劃和使用電磁頻譜， 并允許設(shè)計(jì)更多有效的天線?？梢灶A(yù)見， 基于低成本制造工藝和現(xiàn)代計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)工具， 未來的新型無線系統(tǒng)將使用更高頻率以及更寬頻帶的頻譜。因此， 射頻前端及其電路在現(xiàn)代無線系統(tǒng)中占據(jù)著重要地位。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)代無線電 射頻微波

在通信如此發(fā)達(dá)的時(shí)代，無線電領(lǐng)域已經(jīng)越來越受到人們的重視。阿姆斯特朗是無線電領(lǐng)域的開拓者和創(chuàng)新者。他在反饋電路和振蕩真空管電路方面的開拓性工作標(biāo)志著現(xiàn)代無線電技術(shù)的誕生。由于超外差電路、超反饋方面的貢獻(xiàn)以及寬幅調(diào)頻系統(tǒng)的發(fā)明，他成為現(xiàn)代無線電技術(shù)的創(chuàng)始人之一。

1. 現(xiàn)代無線電

1.1現(xiàn)代無線電的系統(tǒng)原理

射頻通信接收機(jī)的前端由許多子系統(tǒng)級(jí)聯(lián)以實(shí)現(xiàn)若干目的。濾波器和匹配網(wǎng)絡(luò)提供了頻率選擇性以消除干擾信號(hào)，放大器通過提高接收信號(hào)幅度和需要發(fā)射的信號(hào)功率來“管理”噪聲電平，混頻器和振蕩器將調(diào)制信息從一個(gè)頻率變換到另一個(gè)頻率。使用接收機(jī)的主要目的是把疊加到射頻或載波上的信號(hào)轉(zhuǎn)換到較低頻率上，以便將其直接送到揚(yáng)聲器或進(jìn)一步數(shù)字化處理。在蜂窩通信系統(tǒng)中，該低頻信號(hào)通常被稱為基帶信號(hào)，其帶寬從30kHz到5MHz的范圍內(nèi)變化，而載波頻率可以在500MHz到2GHz的范圍內(nèi)選擇。發(fā)射機(jī)則將基帶信號(hào)疊加或調(diào)制到一個(gè)RF載波上，以便更容易地將其輻射到自由空間，并使其易于從一個(gè)天線（發(fā)射）傳播到另一個(gè)天線（接收）。

1.2現(xiàn)代無線電收發(fā)機(jī)的結(jié)構(gòu)

現(xiàn)代移動(dòng)通信發(fā)射機(jī)需要最大限度地提高頻譜效率和電源效率，例如，頻譜效率和電源效率的提高可通過抑制載波的發(fā)射以及只發(fā)射一個(gè)單邊帶來實(shí)現(xiàn)，也可以通過選擇調(diào)制方式來提高頻譜利用率。實(shí)現(xiàn)單邊帶調(diào)制的經(jīng)典技術(shù)是正交調(diào)制。通過嚴(yán)格要求允許的失真來實(shí)現(xiàn)電源效率，并且利用最少的手工調(diào)整來實(shí)現(xiàn)這樣一種設(shè)計(jì)。對(duì)電源效率的要求會(huì)直接導(dǎo)致復(fù)合半導(dǎo)體晶體管的產(chǎn)生，包括Gaashbts和PHEMTS，而且大部分應(yīng)用于蜂窩手機(jī)中。對(duì)于基站和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)應(yīng)用而言，在低于幾千兆赫茲的工作頻率下，Si-LDMOS是主流技術(shù)，并引入了高擊穿電壓的氮化鎵（GaN）場(chǎng)效應(yīng)管。另一種趨勢(shì)是發(fā)展通用放大器的概念，它能使相同的RF前端應(yīng)用于許多不同的應(yīng)用場(chǎng)合。

為了提高移動(dòng)發(fā)射機(jī)的電源效率，出現(xiàn)了很多新型高效率的功率放大器，例如，包絡(luò)分離和恢復(fù)的Kahn功率放大器、異相功率放大器、Doherty功率放大器、開關(guān)功率放大器和雙途徑功率放大器等。為了滿足現(xiàn)代通信對(duì)功率放大器線性度的要求，還出現(xiàn)了前饋線性化技術(shù)、基帶預(yù)失真技術(shù)等。

2. 射頻微波

2.1射頻微波概念與應(yīng)用

（1）概念：

高頻（HF）區(qū)也稱為短波（SW）區(qū)，頻段為3～30MHz，VHF頻段為30～300MHz，該頻段內(nèi)包含有調(diào)頻廣播頻段，公用業(yè)務(wù)、一些電視廣播站、航空和業(yè)余無線電頻段。甚高頻（UHF）段為300～900MHz，包含有VHF頻段同樣的業(yè)務(wù)，微波區(qū)域開始于UHF頻段的末端，即900MHz或1000MHz（1GHz），它依賴于大眾的認(rèn)可?！吧漕l”一詞來源于英文單詞Radiofrequency（RF），直接翻譯過來就是“無線電頻率”，但行業(yè)內(nèi)通常將其轉(zhuǎn)譯為“射頻”，意為“發(fā)射頻率”。由于廣義的“射頻”概念所指的頻率比較寬，常常與“微波”頻率發(fā)生交疊，因此，為了方便起見，通常射頻信號(hào)是指在30MHz到4GHz這樣一個(gè)頻率范圍。也就是說，我們通常所指的射頻主要包括了VHF、UHF以及微波低頻段。

（2）應(yīng)用：

射頻與微波典型應(yīng)用涉及以蜂窩與無線通信網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的陸上語音和數(shù)據(jù)通信，以及陸上和基于衛(wèi)星的廣播系統(tǒng)ISM頻段內(nèi)的射頻識(shí)別（RFID）系統(tǒng)則在貨運(yùn)及物流業(yè)務(wù)領(lǐng)域變得越來越流行。至于導(dǎo)航領(lǐng)域，GPS應(yīng)該是應(yīng)用最廣泛的，它已經(jīng)被安裝在大量的交通工具和移動(dòng)設(shè)備中。同時(shí)，汽車行業(yè)以及雷達(dá)系統(tǒng)中，，GPS還用于監(jiān)測(cè)周圍環(huán)境或者用作駕駛輔助系統(tǒng)的傳感器。

2.2射頻微波域的物理現(xiàn)象

RF頻段介于集中參數(shù)頻段與分布參數(shù)頻段之間，集中參數(shù)頻段可用“路”的概念來分析，分布參數(shù)則用“場(chǎng)”的概念來分析。RF頻段是一種相對(duì)概念，事實(shí)上，它與電路尺寸有關(guān)，電路尺寸只要小于八分之一導(dǎo)波波長(zhǎng)（λg），就可用“路”的概念來分析電路。

（1）集總元件的射頻效應(yīng)

在射頻微波條件下，集總電阻、電容以及電感等器件的物理特性將不再是在低頻段中表現(xiàn)出的“純”阻性、容性和感性，也就是說，這些低頻集總元件如果應(yīng)用于高頻環(huán)境下，則其頻率響應(yīng)應(yīng)不在呈現(xiàn)出理想的電阻、電容和電感特性。

（2）趨膚效應(yīng)

在RF中，趨膚效應(yīng)的影響很嚴(yán)重?！摆吥w效應(yīng)”是指交流（AC）電流流經(jīng)導(dǎo)體時(shí)趨向于導(dǎo)體外邊部分，而直流（DC）電流均勻地流經(jīng)整個(gè)導(dǎo)體的截面積。隨著電流頻率的升高，趨膚效應(yīng)形成了一個(gè)較小的導(dǎo)流帶，于是形成了大于直流（DC）均勻電阻的交流（AC）電阻。趨膚效應(yīng)引起的最明顯的影響就是使信號(hào)傳輸途徑中的損耗增加。

（3）電磁輻射

在RF電路中發(fā)現(xiàn)的另外一個(gè)問題是信號(hào)很容易從電路內(nèi)部向外部和在電路內(nèi)部之間輻射。這樣，就造成了電路內(nèi)部元件之間、電路與其環(huán)境之間、其環(huán)境與電路之間的互相耦合。這種耦合又稱為寄生耦合，電路元件之間的耦合造成了RF電路中的寄生反饋，它會(huì)引起電路的不穩(wěn)定及性能下降。電路中的信號(hào)向外輻射造成了兩個(gè)后果—RF電路中的損耗增加及干擾環(huán)境中的其他RF電路。當(dāng)然，第三種寄生耦合造成了環(huán)境中的RF電路（若干個(gè)）對(duì)本身RF電路的干擾?？梢赃@樣說，在RF電路中產(chǎn)生的干擾及其他很多奇奇怪怪的效應(yīng)都是這種互耦造成的。例如，在RF電路中的放大器很容易就成為了振蕩器，而RF振蕩器偏偏又不起振或者振蕩不穩(wěn)定?；ヱ顣?huì)造成RF電路不穩(wěn)定或工作在臨界穩(wěn)定狀態(tài)—亞穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)工作條件或環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，電路即變?yōu)椴环€(wěn)定狀態(tài)?；ヱ钚?yīng)在直流電路中及低頻電路中是見不到的或者是可以忽略的。

（3）電源耦合

RF電路中的另外一個(gè)重要問題是公用電源的去耦合問題。在RF有源電路中，必須提供電源。在設(shè)計(jì)RF電路及系統(tǒng)時(shí)，為了簡(jiǎn)化電路、提高電路及系統(tǒng)的可靠性，要盡可能減少電源的種類。也就是說，在電路設(shè)計(jì)中，要盡可能選用與供電電壓相同的器件及術(shù)與集成芯片。電路與系統(tǒng)中若干個(gè)單元電路使用公用電源帶來了另外一個(gè)問題。由于公用電源中每一個(gè)單元電路的交流、直流分量都要通過電源。因此，公用電源都是非理想的，具有內(nèi)阻。通過這個(gè)公用內(nèi)阻，把這些單元電路互相耦合在一起，主要是指交流相互耦合。而由于這種類型的互耦，也加劇了RF電路的不穩(wěn)定。

（4）噪聲

在通信和雷達(dá)中，電路與系統(tǒng)的噪聲是一個(gè)非常重要的問題。因?yàn)樾盘?hào)比噪聲大得越多，信噪比就越大，而且信號(hào)能在理想的誤比特率條件下傳輸?shù)酶h(yuǎn)。噪聲可以分為兩類：內(nèi)部噪聲和外部噪聲。這兩種噪聲是不可避免的，它們都會(huì)限制接收端放大器的增益。然而，通過合理地設(shè)計(jì)電路和系統(tǒng)，可以把噪聲降到最低。例如，如果在接收端的前面使用低噪聲放大器和低損耗濾波器可降低接收端振蕩器所產(chǎn)生的噪聲，并消除鏡像頻率和鏡像噪聲，而且使用合適的屏蔽和PCB布線技術(shù)將能夠有效地降低接收端噪聲的幅度。

總結(jié)：信息交流是人類社會(huì)的重要基礎(chǔ)，人類社會(huì)文明的進(jìn)步和發(fā)展與通信技術(shù)的發(fā)展密不可分。以無線電波為載體的移動(dòng)通信、無線局域網(wǎng)等為代表的現(xiàn)代通信網(wǎng)呈爆炸式發(fā)展，成為了支撐現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)最重要的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)之一。因此，作為無線通信的射頻微波電路設(shè)計(jì)技術(shù)已經(jīng)變得越來越重要，并且這種技術(shù)給人們的生活帶來了極大的便利。

參考文獻(xiàn)：

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