射频电路第3次课-1.7传输线及特性阻抗剖析
传输线及S参数-PPT
反射系数 (reflection coefficient)
反射系数 ：传输线上任意一点处的反射波电压（或电流）与入射波电 压（或电流）之比，即
(z) U r (z) Ir (z) Ui (z) Ii (z)
对无耗传输线 j ，终端负载为Zl，则
(z)
A2e jz A1e jz
Zl Zl
21
散射参量(S)
实际的射频系统不能采用终端开路(电容效应)或短路(电感效应)的测量方
法，另外终端的不连续性将导致有害的电压电流波反射，并产生可能造成器
件损坏的振荡。
S 参量的定义
a1 b1
S
a2 b2
定义归一化入射电压波：an
Vn 2
Z0In Z0
定义归一化反射电压波：bn
Vn 2
Z0In Z0
+ -
v3
iN-1 N-1端口+- vN-1
其中
阻抗
Znm
矩阵
多端口 网络
vn i ik 0
m
i2 v2
+ -
2
端口
i4 v4
+ -
4
端口
iN vN
+- N
端口
for k m 19
同理：
i1 i2
Y11 Y21
iN YN1
Y12 Y22
YN 2
Y1N v1
Y2
N
相加：Vn an bn Z0 相减：In an bn / Z0
：
an Vn /
Z0
， I
n
Z0
bn Vn /
Z0
I
n
Z0
参量：
第三章传输线理论
第三章传输线理论本章的目的是概述由集总电路向分布电路表示法过度的物理前提。
在此过程中，推导出一个最有用的公式：一般的射频传输线结构的空间相关阻抗表示公式。
正如我们知道的，频率的提高意味着波长的减小，该结论用于射频电路，就是当波长可与分立的电路元件的几何尺寸相比拟时，电压和电流不再保持空间不变，必须把它们看做是传输的波。
因为基尔霍夫电压和电流定律都没有考虑到这些空间的变化，我们必须对普通的集总电路分析进行重大的修改。
本章重点介绍传输线理论，首先介绍传输线理论的实质，再介绍常用的几种传输线，其中重点介绍微带传输线，以及一般的传输线方程及阻抗的一般定义公式。
3.1传输线的基本知识传输微波能量和信号的线路称为微波传输线。
本节主要介绍传输线理论的实质以及理论基础3.1.1传输线理论的实质传输线理论是分布参数电路理论，它在场分析和基本电路理论之间架起了桥梁。
随着工作频率的升高，波长不断减小，当波长可以与电路的几何尺寸相比拟时，传输线上的电压和电流将随着空间位置而变化，使电压和电流呈现波动性，这一点与低频电路完全不同。
传输线理论用来分析传输线上电压和电流的分布，以及传输线上阻抗的变化规律。
在射频阶段，基尔霍夫定律不再成立，因而必须使用传输线理论取代低频电路理论。
现在举例说明：分析一个简单的电路，该电路由内阻为R1的正弦电压源V1通过1.6cm的铜导线与负载电阻R2组成。
电路图如下：图3.1 简单电路并且我们假设导线的方向与z轴方向一致，且它们的电阻可以忽略。
我们假设振荡器的频率是1MHz，由公式(3.1)10m/s, rε=10, rμ=1 因此可以得到波长其中是相速度，=9.49×7λ=94.86m.连接源和负载的1.6cm长的导线，在如此小的尺度内感受的电压空间变化是不明显的。
但是当频率提高到10GHz时情况就明显的不同了，此时波长降低到λ=p v/1010=0.949cm，近似为导线长度的2/3，如果沿着1.6cm的导线测量电压，确定信号的相位参考点所在的位置是十分重要的。
射频电路3_传输线(2)20100914
Z in jZ c tan l
Pin 0 e j 2 l e j ( 2 l )
Research Institute of Antennas & RF Techniques
0
South China University of Technology
传输线上电与电流的通解为
U U U U0 (e j z L e j z )
1 j z I U 0 (e Le j z ) Zc
但传输线上的具体解是由传输线两端的边界 条件决定的。
I
U
U U
Zc
l
ZL
0
z
Research Institute of Antennas & RF Techniques
3.1.1 行波状态 transversal wave
South China University of Technology
L 0 ，即匹配时 当 Z L Z c 时，
U U U 0 e j z U 0 j z U I e Zc Zc
无反射波，即行波状态 电压与电流同相
第3讲内容
South China University of Technology
无耗传输线的工作状态 无耗传输线的特解 教材pp19-36
Research Institute of Antennas & RF Techniques
3.1 无耗传输线的工作状态
South China University of Technology
0
Research Institute of Antennas & RF Techniques
射频通信电路分析
前期课：微波技术， 电子线路 内 容：微波电路理论，应用技术， 半导体知识，通信系统概念
2
本课的相关课程与技术
相关课程：
电磁场 -- 基础课
电场磁场分布，电波传播 滤波器、匹配、 阻抗变换
微波技术--无源电路 分布参数、传输线、微波网络、 射频电路--有源电路 放大、振荡、变频、滤波、收发信机
20
§1.2 BJT硅双极型微波晶体管
特征频率
B E B E B
P+
PN+结 PN结
P+
N+
P+ P 型 基区 N 型 型型 型 Si N+ 衬底
N+
功率增益 最高振荡频率 噪声系数
型 型型 C
c b
E
Ic
C
Ib
e
B
21
1. 特征频率 fT
fT ≈ f β
5~10GHz
Ic β= Ib
Vce = 0
有源电路定义： • 中国习惯指含半导体器件的各种电路 • 英文书刊: active circuit 仅指有高频能量增长的电路 如:放大器、振荡器 passive circuit 指无能量增长的电路
如: 混频器、检波器、开关、限幅器 信息工业领域： 信息采集 ----
信息传输 ---- 信息处理
3
一、 微波频段划分与应用领域
单片集成是最终方向
五、设计技术
计算机辅助设计：三次上机实验课
14
六、课程要求
星期一下午交上周作业并取回上周所交作业 顾洪明、庞云波：东主楼11区222房间 电话: 62781443 平时作业占课程总成绩的20％
15
参 考 书
传输线的特性阻抗分析
1，传输线模型由平行双导体构成的引导电磁波结构称为传输线（Transmission Line）。
人们熟知的传输线有平行双导线、同轴线、平行平板波导及其变形——微带线。
低频电路中，传输线负载端、源端的电压、电流差别不大，但在高频电路（传输线长度与电磁波波长相比拟）中两者差别很大。
传输线模型就是用来揭示这种变化的规律的模型。
传输线上的电压、电源是纵向位置的参数。
传输线在电路中相当于一个二端口网络，一个端口连接信号源，通常称为输入端，另一个端口连接负载，称为输出端。
2，传输线的特性阻抗分析特性阻抗：又称“特征阻抗”，它不是直流电阻，属于长线传输中的概念。
在高频范围内，信号传输过程中，信号到达的地方，信号线和参考平面（电源或地平面）间由于电场的建立，会产生一个瞬间电流，如果传输线是各向同性的，那么只要信号在传输，就始终存在一个电流I，而如果信号的输出电平为V，在信号传输过程中，传输线就会等效成一个电阻，大小为V/I，把这个等效的电阻称为传输线的特性阻抗Z。
信号在传输的过程中，如果传输路径上的特性阻抗发生变化，信号就会在阻抗不连续的结点产生反射。
影响特性阻抗的因素有：介电常数、介质厚度、线宽、铜箔厚度。
传输线的基本特性是特性阻抗和信号的传输延迟，在这里，我们主要讨论特性阻抗。
传输线是一个分布参数系统，它的每一段都具有分布电容、电感和电阻。
传输线的分布参数通常用单位长度的电感L和单位长度的电容C以及单位长度上的电阻、电导来表示，它们主要由传输线的几何结构和绝缘介质的特性所决定的。
分布的电容、电感和电阻是传输线本身固有的参数，给定某一种传输线，这些参数的值也就确定了，这些参数反映着传输线的内在因素，它们的存在决定着传输线的一系列重要特性。
一个传输线的微分线段l可以用等效电路描述如下：传输线的等效电路是由无数个微分线段的等效电路串联而成，如下图所示：从传输线的等效电路可知，每一小段线的阻抗都是相等的。
传输线的特性阻抗就是微分线段的特性阻抗。
在射频电路设计中的阻抗匹配分析
4λ/ 4 阻抗调谐 λ/ 4 阻抗调谐器用于串联连接在旅行驻波的工作状态下远离不匹配载荷位于电压节点或波 环的一段或多段长度是λ/ 4 具有不同的特性阻抗的传输线。但λ/ 4 调谐器的工作频带宽非 常狭窄，有必要采取λ/ 4 阻抗调谐来宽带工作。 通常一个源阻抗不共轭，随着负载的阻抗匹配，即 。在为了最大限度地能量运输，
匹配网路的不同拓补结构的优缺点
拓扑（一）cp1-ls-cp2，不包含电感但是有 3 个 电容。这种拓扑结构的优点是： 1）不存在直流短路和直流阻塞问题； 2）它的成本在所有的拓扑结构最少，因为电容通常比电感便宜多了；
3）电感的面积通常比在 RF 电路设计的电容大的多，因此它具有最小芯片面积； 4）在 RF 电路设计一个电容的 Q 值高于电感。因此这是最受欢迎的拓扑结构。然而，应该 指出的是，该拓扑是唯一适合初始阻抗的拓补结构。它 位于 3 区的史密斯圆图。如图 1 所示。
图1 另一个上述 8 个中的 3 种拓扑结构， 只包含一个电感。 它们是： cp1-cs-lp2 （B） ， （C） cp1-ls-cp2， 和（E）lp1-cs-cp2。再对比这两种拓扑结构，拓扑（E）lp1-cs-cp2 是一个更好的，因为在它 的下一阶段没有直流阻塞或直流短路问题。除此之外，它的电容 CP2 可以减少由下个夹断 电容引起的偏差。 如图 2 所示 这种拓扑结构是有时称为“挖掘”电容匹配网络。最后的 4பைடு நூலகம்个拓扑包含两个或三个电感。他 们的是拓扑结构（d），（f），（G），和（H）。他们通常被认为是不适合用于电路设计 是因为他们太贵了。作为匹配网络，它的输入输出端口的匹配电路如图 3 所示
表格 1 当
不匹配引起的额外能量损失：
第一行表明了当 =0，没有额外功率损失。第二行和第三行表明 大于 0 小于 10%，额外功 率损失很小。从起始的-30dBm 减少不到 0.5dBm.但是，当 大于 50%，额外的能量损失将 很明显，额外能力损失将超过 1dB。不匹配电路设计引起的额外功率损失将严重破坏传输系
射频集成电路设计详解
Z0
R1 jL1 G1 jC1
L1 C1
1
1 2
R1
j L1
1
1 2
G1
jC1
L1 C1
1
j
1 2
R1
L1
G1
C1
L1 C1
对于工程上常用的双导线传输线，其特性阻抗为
Z0
L1 C1
120ln
2D
d （空气介质）
式中D为两导线间距离，d为导线半径。一般Z0在100 ～1000 之间，常用的有200 、300 、400 、600
1 2
Eg
2
Rg Rin
均匀传输线基本方程
描写传输线上每个微分段上的电 压和电流的变化规律，可由此解出 线上任意点的电压、电流及其相互 关系。
dU (z) dz
(R1
jL1)I (z)
dI (z) dz
(G1 jC1)U (z)
均匀传输线的基本特性
均匀传输线方程的通解表明，传输线上任一点z处的
电压或电流都等于沿-z方向传播的入射波（行波）与沿 +z方向传播的反射波（行波）的叠加。
表示由单位长度的分布电阻决定的导体衰减常数
d
G1Z0 2
表示由单位长度的漏电导决定的介质衰减常数
2．相速度和相波长
相速度定义为入射波或反射波电压、电流等相位面 的传播速度，用vp来表示。
ωt βz ＝常数
1 vp L1C1
无耗传输线上传播行波的相速度与频率无关，也 称为无色散波；对低损耗线，这个结果近似成立。
二．特性阻抗
传输线上入射波电压与入射波电流之比，或反 射波电压Ur (z)与反射波电流Ir (z)之比的负值，用Z0 来表示。即
射频电路的基础知识介绍
射频电路的基础知识介绍描述射频布局和天线调谐需要了解射频特定的概念，并且需要比传统电路布局更多的关注。
本节介绍 RF 设计、传输线路和特性阻抗的基础知识。
需要理解以下概念和术语来设计有效的 RF 布局。
▪传输线▪特性阻抗▪回波损耗▪介入损耗▪阻抗匹配影响射频设计与模拟设计相关的关键因素是射频电路的阻抗。
在低频时，负载阻抗在距离负载走线不同距离处测量时保持不变。
对于大多数应用，也不依赖于迹线宽度或其均匀性。
因此，迹线仅表示为低频节点。
但在高频时，RF 电路的阻抗（Z）会在距负载不同距离处测量时发生变化。
这种变化还取决于所使用的基底和射频迹线的尺寸。
因此，迹线也成为 RF 原理图中的设计元素。
传输线是通过定义的路径传输电磁能量的媒介。
同轴电缆，波导以及 RF 引脚和天线之间的 RF 走线都是传输线。
大多数射频迹线是诸如微带线和共面波导之类的传输线。
传输的关键特性是它的特征阻抗（Z0），它是通过无损传输线传播的波的电压和电流的振幅比。
对于频率为2.45 GHz 的应用，例如BLE，50Ω特性阻抗广泛用于射频迹线。
传输线路的等效模型即使 Z0 是一个实数，它也不是 RF 走线的电阻。
理想的传输由于其特性阻抗不消耗能量或具有任何损耗。
传输线的等效模型如上图所示。
它是表示传输线分布式串联电感与分布式并联电容之比的属性。
其中 L 和 C 分别是沿传输线任意长度的分布电感和分布电容。
特性阻抗（Z0）取决于 PCB 材料，基底厚度，迹线宽度，迹线厚度以及 RF 迹线和接地填充物之间的间隙。
这些参数在传统的布局和设计中经常被忽略，但它们在射频设计中扮演着重要的角色。
阻抗测量设置的表示上图描述了测量 RF 电路阻抗的典型测量设置。
射频走线上给定点的阻抗与走线的特征阻抗，与负载的距离和负载阻抗有关;计算方式如下面的等式：其中 Z 是在距离负载的距离为 l 处测得的阻抗，ZL是在负载（l = 0）处测得的阻抗，Z0是传输线的特性阻抗，β是相位常数。
传输线的特性阻抗PPT课件
)
x处的电压电流为：
U
(x)
1 2
(U1
e ZCI1)
x
1 2
(U1
e ZCI1)
x
I(x)
1 (U1 2 ZC
e I1)
x
1 (U1 2 ZC
I1 ) e
x
可写为
U
( x)
1 2
U1
e(
x
e
x)
1 2
e ZCI1(
x
e
x)
I(
x)
1 2
U1 ZC
e(
x
e
x)
1 2
e I1(
x
e
x)
传输线原参数
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② 整个传输线可以看成是由许许多多微小的线元 x 级联而成；
始
+ i L0Δx R0Δx
终
端
u(t) G0Δx- i
C0Δx
x
端
Δx
③ 每一个线元可以看成是集总参数的电路，因而 可以将基尔霍夫定律应用到这个电路的回路和 结点。
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2. 均匀传输线的方程
+
u ( x,t )
定义反射系数为沿线任意点处反射波电压相量
与入射波电压相量之比。
•
nx
反射波电压 入射波电压
U e j x
•
U e j x
ne2 j x
任一点的 反射系数
•
n
U
•
U
1 2
•
(U
2
ZC
•
I
2
)
1 2
•
(U
2
射频电路设计_第2章_传输线分析
2.9信号源和有载传输线
对于完整的实验系统，还必须考虑线与信号源的匹配情况 一、出发射系数：
2.9信号源和有载传输线
二、传输线的功率考虑
当源和负载均与传输线特性阻抗相匹配：
2.9信号源和有载传输线
当负载与传输线特性阻抗相匹配，而源失配：
当源和负载与传输线特性阻抗均失配：
2.2 传输线的类型与特性
五、波导 • 在大功率的微波应用中，波导作为传输线具有 一定的优势。波导一般被制作成圆形的或方形 的中空金属腔。 • 波导尺寸大小与波导的工作频率有关。在波 导结构中，使用1/4波长的直探针耦合和环形 探针耦合来注入或传输微波能量。 • 在现代微波电路设计中，常用同轴电缆代替波 导来发射和接收射频信号。
传输线分析
2.1 传输线理论的实质 2.2 传输线类型及特性 2.3 等效电路表示法 2.4平行板传输线的电路参数 2.5一般的传输线方程 2.6微带传输线 2.7端接负载的无耗传输线 2.8特殊的终端条件 2.9信号源和有载传输线
传输线的定义
• 传输线是传输电流信号的导体。任 何传输线都可以用由离散电容C、离 散电感L、电阻R和电导G所组成的 分布电路表示，如图1.5.1所示。其 中，电阻R为单位长度的串联等效电 阻，对于一个理想的传输线而言， 其值应为0；G为单位长度的电导， 反映传输线介质的绝缘品质，对于 一个理想的传输线而言，其值应为 无穷大。L为单位长度的电感，C为 单位长度的电容，一个理想的传输 线只有电感和电容。通常线参数R、 C、L、G的值可通过对传输线的电 磁场进行分析得出，这些参数与它 们的截面几何尺寸及材料的电特性 有关。
2.7端接负载的无耗传输线
2.8特殊的终端条件
一、端接负载无耗传输线的输入阻抗
传输线的特性阻抗分析
传输线的特性阻抗分析传输线是用于信号传输的电路元件，常见于通信系统、电子设备和电源系统等。
它的主要功能是传输高频信号，并且具有一定的特性阻抗。
特性阻抗是指传输线上单位长度所具有的电阻和电感之比，通常用Ω/米表示。
特性阻抗的分析是研究传输线电学特性的重要方面，下面将从分析传输线的基本结构、传输线上的电路模型以及特性阻抗的计算等方面进行详细介绍。
1.传输线的基本结构：传输线由两个导体（通常为金属）构成，它们之间由绝缘材料（如聚乙烯、聚氯乙烯等）隔开。
传输线可以分为两种类型：平衡传输线（例如双线）和非平衡传输线（例如同轴电缆）。
平衡传输线中的两个导体具有相同的电压和相反的电流，而非平衡传输线中的两个导体之间既有电压差也有电流流过。
2.传输线上的电路模型：为了分析传输线的电学特性，可以将传输线建模为电路模型。
常见的电路模型有两类：长线模型和短线模型。
（1）长线模型：适用于高频信号传输或信号传输距离较长的情况。
长线模型主要包括电感、电容和电阻等参数，并考虑信号的衰减、延迟和反射等效应。
（2）短线模型：适用于低频信号传输或信号传输距离较短的情况。
短线模型主要包括电阻、电感、电容和传输线的长度等参数。
3.特性阻抗的计算：特性阻抗可通过以下公式进行计算：Zc=√(L/C)其中，Zc表示特性阻抗，L表示单位长度的电感，C表示单位长度的电容。
特性阻抗的计算是传输线分析的基础，对传输线上的信号传输和匹配非常重要。
4.特性阻抗的影响因素：特性阻抗与传输线的几何形状、材料选择以及传输线的参数有关。
传输线的几何形状主要包括导体的直径、导体间的距离等。
材料选择主要指导体和绝缘材料的特性，如电导率、介电常数等。
传输线的参数包括电感、电容等。
这些因素都会对特性阻抗产生影响。
总结起来，传输线的特性阻抗分析是研究传输线电学特性的重要方面。
通过分析传输线的基本结构、电路模型以及特性阻抗的计算，我们可以深入了解传输线的工作原理，并根据特性阻抗进行传输线的设计和匹配。
射频电缆的参数理论
射频电缆的参数理论射频电缆是用于传输高频信号的电缆，其参数理论是衡量射频电缆性能的关键指标之一。
本文将介绍射频电缆的常见参数及其理论基础，为射频电缆的选择、设计和应用提供参考。
1.传输线的特性阻抗Z0传输线是指能够有效传输任意波形的电缆或导体，其具有一定的特性阻抗Z0。
对于同一种类型的传输线，其特性阻抗Z0是不变的。
例如，RG58型同轴电缆的特性阻抗为50欧姆，而RG213型同轴电缆的特性阻抗为75欧姆。
特性阻抗是射频电缆的重要参数之一，它决定了信号在传输线上的传播方式以及信号的反射和损耗。
一般来说，当传输线的负载阻抗ZL等于特性阻抗Z0时，信号在传输线上无反射和传输损耗，这一条件称为匹配。
如果负载阻抗ZL与特性阻抗Z0不匹配，就会产生反射和传输损耗，降低射频电缆的传输性能。
2.信号传输损耗无论何种传输线，都存在一定的信号传输损耗，它随着线长和频率的增加而增加。
传输线的传输损耗是由于信号在传输过程中被传输线材料吸收和散射而产生的。
射频信号的传输损耗是射频电缆参数理论中的一个重要指标之一。
传输线的传输损耗可以用以下公式计算：L = αL × l其中，L为总传输损耗，αL为单位长度传输损耗常量，l 为传输线长度。
传输损耗与传输线的频率和特性阻抗Z0密切相关。
一般来说，特性阻抗越高，使用频率越高，传输损耗就越小。
3.反射系数及其与驻波比的关系反射系数是射频电缆参数理论中的另一个重要指标，它表示了信号被传输线负载反射的程度。
反射系数的大小受到负载阻抗ZL和传输线特性阻抗Z0的影响，它的计算公式为：Γ = (ZL- Z0) / (ZL+ Z0)其中，Γ为反射系数，ZL为负载阻抗，Z0为特性阻抗。
当负载阻抗等于特性阻抗时，反射系数为0，信号不反射。
当负载阻抗与特性阻抗不匹配时，信号会部分反射。
驻波比（Standing Wave Ratio，SWR）是衡量反射程度的参数之一，它是将反射系数与透射系数相互转换得到的。
射频技术03传输线PPT课件
射频技术
SKLMMW
微带特性阻抗与w/h的关系
介质微带特性阻抗随着w/h增大而减小；相同尺寸条件
下，r越大，特性阻抗越小。
射频技术
SKLMMW
微带特性阻抗与导带厚度的关系
对于不同宽度的导带，厚度对特性阻抗影响不同
射频技术
SKLMMW
微带线—基本传输特性
例1：在0.5mm厚的介质基片Rogers 5880上的
•实际接收系统的特性不能采用终端开路、短路的测量方法；
•当采用导线形成短路线时，导线本身存在电感，而且其电感量在 高频下非常大；
•若采用终端开路，也会在终端形成负载电容，另外，当涉及电波
电波传播时也并不希望发射系数的模等于1
例如，终端的不连续性将导致有害的电压、电波反射，并产生可 能造成器件损坏的振荡。
k 0 e 00e 2 3 1 0 9 0 3 1 .1 8 8 0 7 8( 1 6 /m )1
2/ 2/8 6 7 .3 1 (m 0)m
(f=30GHz)
k 0 e 00e 2 1 1 9 0 3 1 .1 8 8 0 7 2 .6 8 ( 1 /4 m ) 2/ 2/2.6 8 4 2.4 1 (m 9 )m (f=1GHz)
SKLMMW
常用的方法是采用网络分析仪，这种仪器能处 理单端口或双端口RF网络的幅值和相位；
射频技术
SKLMMW
设置键
射频技术
功能键 导航键
数据输入键 Port1
Port2/ RF in
SKLMMW
散射参量*
2.散射参量的物理意义
S21
ZS ΓS Γin
vS
Zin S11 DUT
(Two-port)
通信射频电路预备基础知识传输线
sin sin
d d
Zin (0) ZL
Zin (l)
ZO
ZL ZO
cos l cos l
jZO jZ L
sin sin
l l
ZO
ZL ZO
jZO jZ L
tan tan
l l
• 驻波比及电压驻波比(SWR/VSWR)
o
ZL ZL
Zo Zo
• 短路驻波特性
V（z) V (e j z e j z )
V (z z) V (z) (R jL)I (z)z
I (z z) I (z) (G jC)V (z z)z
• 传输线方程 (电报方程)
dV (z) (R jL)I (z)
dz
dI (z) (G jC)V (z)
dz
d
2V ( dz 2
z)
k
2V
(
z)
0
R、L、G、C为单位 长度的等效参数
SWR=1 (matched) SWR= very large (mismatch----total mismatch)
• 特殊情况分析与讨论
1. 一端口短路传输线的输入阻抗 Short Load
Zin
ZO
ZL ZO
jZO jZ L
tan l tan l
jZO
tan l
一端口短路传输线的输入阻抗与传输线长度关系
无损传输线上电压波/电流波特性
v(t, z) Vo cos t z u
Vo
cos
t
z
u
i(t, z) i
o
cos
t z i
io
cos
t
z
i
电压波/电流波沿无损传输线传播而无衰减!
射频电路原理
射频电路原理射频电路是指工作频率在无线电频率范围内的电路，主要用于无线通信、雷达、卫星通信等领域。
射频电路的设计和应用已经成为现代通信系统中不可或缺的一部分。
本文将从射频电路的基本原理、设计要点和应用领域等方面进行介绍。
首先，射频电路的基本原理是基于交流电路理论，但由于工作频率较高，因此在设计和应用时需要考虑许多特殊因素。
射频电路的特点之一是传输线上的电磁波效应，因此在设计射频电路时需要考虑传输线的特性阻抗匹配、衰减和反射等问题。
另外，射频电路中还会涉及到高频器件的选取和匹配，如高频放大器、滤波器、混频器等。
这些器件的特性对射频电路的性能有着重要的影响。
其次，射频电路的设计要点包括频率选择、阻抗匹配、功率传输和抗干扰能力等方面。
在频率选择上，需要根据具体的应用需求选择合适的工作频段，同时考虑到频率的稳定性和带宽的要求。
阻抗匹配是射频电路设计中的重要环节，它直接影响到信号的传输效率和功率传输。
此外，射频电路在实际应用中通常会受到各种干扰，因此抗干扰能力也是设计中需要重点考虑的问题。
最后，射频电路在通信、雷达、卫星通信等领域有着广泛的应用。
在通信系统中，射频电路用于无线信号的发射和接收，包括调制解调、功率放大、滤波和射频前端等功能。
在雷达系统中，射频电路用于发射和接收雷达信号，并实现信号的处理和解调。
在卫星通信系统中，射频电路则扮演着信号的发射、接收和频率转换等关键角色。
综上所述，射频电路作为现代通信系统中的重要组成部分，其设计和应用都具有一定的复杂性和专业性。
只有深入理解射频电路的基本原理，灵活运用设计要点，并结合实际应用需求，才能设计出稳定、高效的射频电路系统，满足现代通信系统对于高速、高频、高效的需求。
射频通信电路：第三讲 射频指标
输出电流 ic = a0 + a1vi + a2vi2 + a3vi3 + ⋅⋅⋅ + aN viN + ⋅⋅⋅
N
任何真实工作环境下，噪声（至少是热噪声） 总会伴随信号一起出现
噪声功率与需要考虑的带宽有关 信噪比越高，信号越不容易受到噪声的干扰
噪声系数定义（原始）
(SNR)i
有噪 网络
(SNR)o
输入端
输出端
噪声系数：系统输入信噪比与输出信噪比的比值
=
=
S S
⁄ ⁄
( ) = 10log
噪声系数定义（扩展）
Ta Si,min
接收机前端 G，F，Te
解调器
(SNR)o,min
灵敏度越低，表示接收微弱信号的能力也越强
(SNR)o,min 由调制方法，解调器性能等决定
灵敏度公式推导
由满足灵敏度条件的增益定义：
( ) G
=
So Sin,min
=
So No
No Sin,min
=
No Sin,min
两端口网络的等效输入噪声源
等效
串联噪声电压源 Vn2
输入端短路，将有噪网络的输出噪声功率等 效到输入端的值
并联噪声电流源
I
2 n
输入端开路，将有噪网络的输出噪声功率等 效到输入端的值
信噪比的定义
信噪比：信号功率与需要考虑带宽内噪声功率的比值
Signal Power
S
SNR =
=
Noise Power
Te1
Te2
TeN
F
=
F1
+
F2 −1 + GP1
F3 −1 GP1GP 2
射频电缆的参数理论解析
射频电缆的参数理论第一节 特性阻抗特性阻抗是选用电缆的首先要考虑的参数，它是电缆本身的参数，它取决于导体的直径以及绝缘结构的等效介电常数。
特性阻抗对于电缆的使用有很大的影响。
例如在选择射频电缆作为发射天线馈线时，其特性阻抗应尽可能和天线的阻抗一致，否则会在电缆和天线的连接处造成信号反射，使得天线得到的功率减少，电缆的传输效率也会下降，更为严重的是，反射的存在会使电缆沿线出现驻波，有些地方会出现电压和电流的过载，从而造成电缆的热击穿或热损伤而影响电缆的正常运行。
电缆内部反射的存在，还会造成传输信号的畸变，使传输信号出现重影，严重影响信号传输质量。
为了便于使用，射频电缆的阻抗已经标准化了。
因此在选用电缆时应尽可能选用标准阻抗值。
对于射频同轴电缆有以下三中标准阻抗： 50±2ohm 推荐使用于射频及微波，用于测试仪表以及同轴－波导转换器等；75±3ohm 用于视频或者脉冲数据传输，用于大长度例如CA TV 电缆传输系统；100±5ohm 用于低电容电缆以及其它特种电缆。
以下是同轴电缆特性阻抗计算的各种公式。
§1.1同轴电缆阻抗公式根据传输理论，特性阻抗公式为：Zc ＝)/()(C j G L j R ωω++式中，R 、L 、G 、C 、代表该传输线的一次参数，而ω=2πf 代表信号的角频率。
对于射频同轴电缆传输高频信号，通常都有R ＜＜ωL ，G ＜＜ωC ，此时特性阻抗公式可以简化为：Zc =CL/＝60•ln(D/d)/ε＝138•l g(D/d)/ε（ohm）式中，D为外导体内直径（mm）d为内导体外直径（mm）ε为绝缘相对介电常数表1给出了常用绝缘材料的相对介电常数。
表1常用介质材料的特性§1.2皱纹外导体同轴电缆阻抗公式皱纹外导体已经获得广泛应用，阻抗尚无标准的方法计算，可以利用电容电感参考方法进行计算。
测量出L和C后可以计算阻抗：Zc =CL/§1.4特性阻抗与电容的关系同轴电缆的特性阻抗与电容有如下简单的关系，即Zc＝104/3·ε/ C式中，C为电缆电容（pF/m）第二节电容电容是射频电缆的一个重要参数，同轴电缆的电容按照下式计算：C＝1000ε/（18lnD/d）＝24.13ε/（lgD/d）（pF/m）第三节衰减衰减是射频电缆的重要参数之一，它反映了电磁能量沿电缆传输时的损耗的大小。
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需要注意的是，特性阻抗是在行波传输时 测得的，仅对射频信号有意义，它反映传 输线对射频信号的传输特性。它不是传输 线的直流电阻。 如果传输射频信号的传输线的特性阻抗不 一致，在某处发生了变化，射频信号就会 在阻抗变化处产生反射。 从分布参数理论来看，传输线是一个分布 参数系统。传输线的分布参数通常用单位 长度上的电感L、电容C、电阻R和电导G 来表示。
传输线横截面上电磁场的瞬时分布与二维静电场、 静磁场的分布相似，可借助静电场和静磁场分析方 法计算分布参数C和L, 算出特性阻抗 。工程实践中 可以采用本教材第16章介绍的“测量寄生电容与寄生 电感”的方法来测量分布电容和分布电感，以及特 性阻抗。
1、同轴电缆的特性阻抗
同轴电缆的特性阻抗由下式计算。
1.7.2 射频传输线的特性阻抗 特性阻抗(Characteristic Impedance)和信 号传输延迟(Transmission Delay)是传输 线的两个基本特性。这里，我们首先讨 论特性阻抗。 从电磁场理论来看，在传输射频信号时， 传输线与参考平面之间的介质中将产生 交变的电磁场。例如，PCB微带线或带 状线与地/电源平面之间。行波传输时， 介质中电场强度与磁场强度之比就是传 输线的特性阻抗，即(v/m)/(i/m)=欧姆。 或者说，行波传输时传输线上的电压v与 电流i之比v/i 就是传输线的特性阻抗。
我们将一条较长的传输线分割成若干长度为I 的小线段。这些小线段的等效电路表示如下：
•
如下图所示，无数个长度为I 的小线段的等效电 路串联组成整个传输线的等效电路。
• • •
如下图所示，组成传输线的每一小线段的阻抗 相等，均为Z0 。 其中串联阻抗为：Zs=I(R+jwl) 并联阻抗为：Zp=1/I(G+jwC)=1/ Yp 这里，I 是线段长度；R、l、C和G分别是单 位长度上的电阻、电感、电容和电导。
•
•
•
• • • • •
•
RG-8/U 或 RG-8/ AU 50Ω 大直径 RG-58/U 或 RG-58/AU 50Ω 小直径 RG-174/U 或 RG-174/AU 50Ω 微直径 RG-11/U 或 RG-11/AU 75Ω 大直径 RG-59/U 或 RG-59/AU 75Ω 大直径 大直径同轴电缆较之小直径同轴电缆的信号损失要 稍微小些。当传输距离很长时可以考虑使用大直径 同轴电缆。一般短距离传输选择小直径(RG-58/U或 RG-59/U)同轴电缆,例如，作为接收天线馈线, 因为 它们更容易敷设。 微直径的RG-174主要作为器件之间的连接(例如接收 器和预选器之间),在平衡变压器、共轴转换器和仪 器上应用,有时也用在接收天线上。
L 138 D Z0 lg C er d ( )
•
•
其中，L=单位长度电缆的电感量,亨/米 ；C=单位长 度电缆的电容量,法/米；d为内导体半径；D为外导体 半径;er为介质的相对介电常数。 从公式看出，同轴电缆的特性阻抗与内外导体半径之 比和介质的相对介电常数有关。
同轴电缆的特性阻抗可以有 35～125Ω 很多种, 其中 绝大多数种类的阻抗为 50Ω 或 75Ω 。 常用于接收天线的同轴电缆有以下几种 :
R jwL Z0 G jwC
当频率很低时（f≤1kHz），wl 和wc很小可以 忽略，计算式进一步简化为：
R Z0 G
当频率很高时(f≥100kHz)，wl 和wc很大，R 和G可以忽略，计算式进一步简化为：
L Z0 C
从
L 可以看出，传输线的特性阻抗与频率关 Z0 C 系不大，主要取决于传输线分布参数的 大小。而传输线分布参数的大小主要由传输线的几 何结构和绝缘介质的特性决定。由于同一型号传输 线的几何结构和绝缘介质相同，它们的分布电感L、 电容C、电阻R和电导G是相同的，所以特性阻抗相 同。不同型号传输线的几何结构和绝缘介质不同， 它们的分布参数也不同，所以特性阻抗不同。
因此，传输线可由阻抗均为Z0的细小线段等效 如下。
Z0的计算式为：
I R jwl 1 2 R jwl 2 Z0 I R jwl 4 2 2 G jwc
Z0就是传输线在无损耗条件下的特性阻抗，它 与单位传输线上的L、C、R和G有关。
因为小线段的长度I 很小，I 2 就更小，所以I和I 2 项可以忽略。特性阻抗的计算式可以简化为：
1.7 射频传输线 射频信号可以通过无线信道传输，即自由空间 传输，也可以通过有线信道传输，即传输线传 输。无线信道介于无线收发信设备之间，属于 无线通信范畴，有专门的学科来研究其属性。 传输线介于收发信设备之间，以及介于设备内 部的各单元之间和元器件之间。射频传输线设 计是射频有线网络、射频微波工程、光纤通信 等工程的基础。 1.7.1 射频传输线的种类 射频传输线有波导(Waveguide)、同轴电缆 (Coaxial Cable)、平行线(Parallel line)、PCB微 带线(PCB Microstrip line)和带状线(PCB Strip line) 。
•
传输功率容量大、损耗低，适合传输波长在10cm以 上的射频信号。它的缺点是体积大重量大。
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适合传输信号功率不大，对传输线损 耗要求不高的场合
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夹在两个接地平板之间的 信号线叫做带状线。 未夹在两个接地平板之间 的信号线叫做微带线。
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制作在同 一块印刷 电路板上 的带状线 和微带线。