射频传输理论

射频传输理论
第⼀章射频传输理论简介
1、１带宽
本节中主要解释射频传输线理论中得⼏个典型得参数,这样可以对传输线得传输⽅式与原理有⼀个⼤体得印象。

同时,这也就是射频技术得最基础得知识。

⽽且，这也有利于以后各个章节得理解。

在本节第⼀段中主要介绍⾼频与低频得区别以及不同频率波段得划分。

在电阻等效电路中,低频电路中得电阻在⾼频电路中可以等效为R、L串联⼀个电容C。

严格规定⾼频（ＲE)与低频（ＬF)得界限就是不现实得。

举个例⼦在MHZ 波段时，RF可以代替LF。

1.2射频线得结构与功能
同轴线就是将信号从源头传输到终端使⽤得最常⽤得设备,它就是在传输过程中⽤连接器将电缆、信号源、终端连接到⼀起。

在传输中最重要得就是RF电缆得选择。

因为它决定了使⽤得连接器得尺⼨与性能,连接器得选择必须根据电⽓规格。

电缆与连接器会对系统中得损耗同时产⽣作⽤。

１.2.1射频传输线得种类
1.２.2 典型得射频线
由于采取了内外导体得结构,使得同轴线传输不会受到外界得影响,⽽且能量在内
外导体之间也以波导得形式传播。

在此导线内直流与交流得传输频率可达到１10GHz。

在截⽌频率以内，信号都以TEM波得形式传播。

传播线得机械尺⼨决定了截⽌频率,⼀般来说尺⼨(轴向)越⼩得传输线传输频率越⾼。

在能量传输⽅向上场就是不存在得。

（电场与磁场就是垂直于电缆轴线⽅向)
还有⼀些参量就是与频率⽆关得,⽐如：特性阻抗,传输速率。

只有损耗就是随着频率得增加⽽增加得。

这就是由于趋肤效应⽽产⽣得射频泄露。

１.２.3 射频线得电磁场
在同轴线内部,电压与电流就是以不同得⽅式传播得,电压波在内导体表⾯与外导体内表⾯之间传播。

电流沿同轴线得传输引起了围绕内导体得环形场强,越贴近表⾯得场强越⼤。

电流引起了磁场,⽽电压引起了电场。

E＝Ｕ/Ｌn(D/d)×１／r (伏特/⽶)
H=i/(２π）×1／r (安培／⽶)
其中:
D:外导体内径d:内导体外径U:内外倒替间得电压i:电流ｒ：(D-ｄ)／２
内导体表⾯得场强就是最⼤,它随着距离增加⽽减少。

1.2.４射频传输线中得电阻与电抗
等效电路如下
在⾼频时,2πfL′>R′,2πfC′＞G′,I为相位因素。

1.２.5 当介质为空⽓时,能量波得传播速度为光速C:
Ｃ＝(ε０µ0)－０、5
当在固体介质时,传播线得特性阻抗为:
Z0=［(R+jωＬ）/(G＋jωC）]0、５
同轴线得特性阻抗还可以定义为介电常数与直径⽐得关系式:
Z0=6０/εr0、5×Ln(D/d)
特性阻抗=电场强度/磁场强度
Z0=E/H
在波传输过程中,Ｅ/H就是不变得。

传输线本⾝决定了它得特性阻抗，⽽且特性阻抗在传输线上处处相同。

1.2.6 截⽌频率
截⽌频率可近似计算为
ｆ=2Ｃ／［（Ｄ+ｄ)πεr0、5]
当TEM波达到截⽌频率时会变为混合波（ｈyｂｉrdｗａre)
1.２．７波长与频率
1.2.7、1 波长与频率得关系
λ=C/(fεｒ０、5)
1.2.8 传输速率
电磁能得传输不受介质束缚,但在⾃由空间内传输速度会加快。

能量以光速传播
Ｖ=C 约为3、0×１08⽶／秒
1．2.8、1 介质材料对传播速率得影响
1、3 反射
1．3.1 反射波
传输中遇到中断时,可以瞧作⾃⾝被短路,从⽽产⽣了全反射，反射波与⼊射波相反,与为０。

当波在传输时遇到台阶⾯时，由于特性阻抗产⽣了变化,电压也⼀定变化，⼀部分电压被反射回去。

1.３.2 不同中断得反射
短路改变极性,产⽣180°相位变化
开路不改变极性,电流电压100％反射,相位不变化
１.3.3 失配得定义
１.３.3、１反射系数Γ
理想情况Γ=0
短路或开路Γ=1
注:有可能出现U反＞U⼊得情况，这种情况只会出现在电压上，能量肯定会变低。

当阻抗增加落后于中断时出现此情况。

１.3.3、2 回波损耗
R L =20logU反/U⼊
理想情况R L＝⽆穷
短路或开路R L＝0
⼀般来说,回波损耗就是对能量⽽⾔,⽽不就是电压。

R L =20loｇ[(Ｚ１+Z2)／（Z１-Z2）]
１.３.3、3电压驻波⽐
在失配得传输线上会有两种波在传播,⼀个就是⼊射波,⼀个就是反射波。

在某些位置两种波产⽣叠加。

叠加得波并不沿传输线传播,⽽就是停滞得。

换⽽⾔之,在任何参照⾯上总就是存在⼀个最⼤或最⼩电压。

这种波称为驻波。

VＳWＲ＝(Ｕ⼊+U反)/(Ｕ⼊-U反)=U MＡX／UＭIＮ=（Γ+1)/(Γ-1) 理想情况VSWR=⽆穷
短路或开路VSWR=0
1、3、４R L,VSWR,Γ之间关系
1、３、5 两次以上得中断产⽣得确反射
在传输时，中断平⾯越多，产⽣得放射波也总与。

当遇到两种以上中断时，反射信号得⼤⼩取决于两种中断间得确距离。

1、４RF线得损耗、(射频传输线=ＲＦ线）
衰减就是⽤来表⽰信号传输过程中能量得损耗。

主要有以下⼏个影响因素：
1．由于趋肤效应与介质上得损失，部分电能会转化为热能;
2．反射回来得能量在传输过程中被损耗;
3．表⾯裸漏⽽造成射频线漏。

1．4.1 损耗=１0ｌog（Powｅｒout）/(Powｅr iｎ) |dB|
1.4.2 内、外导体、介质材料对损耗得影响。

导体损耗=导体损耗+介质损耗。

αconductors=αc＝(11、３９/Z）×ｆ0、5×[ρrd0、5/ｄ＋(ρrD)0、5/D]
αdｉelｅｃtｏrｓ=αd=90、９6×f×ε0、5×ｔanδ、
Ｚ—特性阻抗
ρrｄ、ρrD—电阻率
δ—集肤深度
≤１0GHZ导体损耗为主;≥１0GＨＺ介质损耗为主。

1.４.３护套
⼀根好得ＲF线要把电场与磁场控制在内、外导体之间。

由于受到机械与加⼯得限制。

1００％得保证就是不现实得,总就是会有能量在传输中损耗。

除了线缆⾃⾝得能量辐射之外,其她能量得泄露都视为损耗,它会引起系统得⼲涉甚⾄错误。

泄露取决于频率得⼤⼩与传输系统⾃⾝得结构,为了避免⾼泄露，外套护套必须要有很好得密封与绝缘性能。

１、５趋肤效应
由于频率得增加，⾦属导体得纯电阻会随阻抗得得确增加⽽增加。

着就是
δ＝[ρ/(πµｆ)]０、５= [1/（πµσf)]0、5
f—频率ρ—电阻率σ＝1／ρ—传输系数
|K= (1／µ0×µｒ×π)0、5| |δ=K×1／(f×σ) 0、5 | K—介质因素
以铜为例µ0=4π×e－８H/m(真空渗透能⼒)
µr=0、99 H/m（铜渗透能⼒)
则ρ铜=1、７２4×e-８Ωm (27oc时铜电阻率)
ρ铜=７、6０７1／Ωm (铜传输系数)
ρ铜≈5０３δ=503×(1/sｑrt (ｆ×7、607））＝67µm/sqrt5〔ＭＨZ〕
频率肤效深度
50HZ ９．3mm
ｅ+6HＺ0.0７ｍm
e+9HＺ0．００2mm
e+12ＨZ 0.07mm
⾼频率→薄肤效深度
⾼传输系数（低电阻率）→薄肤效深度
1、6 ⽆源互调(PLM)
互调现象越来越⼴地与系统中相互作⽤得敏感性联系在⼀起,尤其就是在宽频带⼴播与组格式交流之中。

什么就是有源、⽆源互调呢?
有源互调可以理解为由传输频率与⾮线性因素（⼆极管，转换器）组成得函数。

例如当本地震荡器适⽤信号频率fRL进⼊电波接收装置得⾮线性特征元件时,中间频率fIF=ｆRＦ－ｆＬD。

但就是有许多激发出得信号被加载到这种与成得波上。

假设其具有⾮线性得特征，那么与成波才就是有效得。

f IＭ＝｜nf1±mf2| (m、n为整数）
有源互调→将频率产品与⾮线性特征得传输要素混合
另⼀⽅⾯⽆源互调产品就是由于两种或更多得信号频率在某部分上混合，理论上具有线性得传输特征。

但它得特征其实就是⾮线性得。

绝对线性只就是⼀种理想得状态,也就就是说，这种产品就是不存在得。

⽆源互调→将频率产品与假定得线性特征混合
⽆论有源还就是⽆源互调都具有许多得意义，其取决于特定得系统与使⽤部件。

互调⽔平得不稳定性就是由系统中个别部分得微⼩变化⽽引起得。

（1）如何消除⽆源互调:
系统中任何零件得设计都要谨慎,组装时要考虑它得低互调特性,⽽且任何螺绞连接处都必须旋紧。

这有可能达到⼤于1７５dB ｃ⼒学测定。

测量调定只能使特性趋于稳定，但不能解决PIM测量中得问题。

为了弄清任意⼀个组件对互调特性得影响，最主要就是找到整个系统中最差得互调特性,⽽不就是那些微弱得不稳定特性。

（2）消除PIM得原因:
⼲扰在⽆线基站设备中会引起重复甚⾄中断。

1.６.1说明
在⽆线电系统中,有⼀些发射信道存在于单⼀基础系统中,发射信道与接收信道就是不能预先被判断得,传输信道经过三阶互调可能会落⼊接收得频段,这使得⽆源互调得问题更加棘⼿。

在现在移动通信系统中,三阶互调得规格界限⼀般在—100⾄—１50 dＢc ,与双载波电平总与与发射功率有关。

它在2０—200⽡之间。

但就是在⼤于１50 dBｃ时要想查明系统中得互调⼲扰或就是找出造成误差得⽆件⼏乎就是不可能得,即使在很好得实验室条件下。

⽽发射功率与互调之间得信号⽐就是⼤于１5０dＢc得,在⽆线天馈测量领域中尤其如此。

为了满⾜这样得要求,所有零件得设计,组装与维护都必须⼗分⼩⼼。

（指同轴连接器得设计)
期望系统互调ＰＩＭ⼤于15０dBc
吉品得互调PＩM⼤于155ｄBc
dBc=负载功率⽐=dBcaｒrｉeｒ
ｄＢm=1mｗ得绝对值
若想消除较⼤得互调产品,在设计与维护时就必须注意许多⽅⾯得问题,下表列出了⼀些影响互调得因素
⼏种影响互调得典型因素
——接触表⾯氧化材料
由铝或其它材料得氧化性引起,可以使⽤银来提⾼性能
——具有磁性得材料
钢,不锈钢等，引起⾮线性特征
——电流饱与
电流与电压将不再在线性关系
——⾼电晕
等离⼦效应
——⼩裂纹
出现在连接表⾯
——油脂
在连接元件之间,不允许直接相连。