华工射频电路与天线(一)课程

Research Institute of Antennas & RF Techniques
射频电路与天线（一）
RF Circuits and Antennas 第1讲绪论
褚庆昕
华南理工大学电子与信息学院天线与射频技术研究所TEL: 22236201-601Email:qxchu@
1.1
RF/MW典型应用的频谱
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T e c h n o l o g y 1.2RF/MW 的特点
频率高
¾通信系统中相对带宽Δf/f通常为一定值，所以频率f越高，越容易实现更大的带宽Δf，从而信息的容量就越大。

¾例如，对于1%的相对带宽，600MHz频率下宽带为6MHz（一个电视频道的带宽），而60GHz频率下带宽为600MHz（100个电视频道！）。

¾因此，RF/MW的一个最广泛应用就是无线
通信。

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T e c h n o l o g y 微波接力通信
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T e c h n o l o g y 蜂窝电话系统
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o u t h C h i n a U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y 波长短¾天线与RF 电路的特性是与其电尺寸l /λ相关的。

在保持特性不变的前提下，波长λ越短，天线和电路的尺寸l 就越小，因此，波长短有利于电路的小型化。

¾
目标的雷达散射截面（RCS ）也与目标的电尺寸成正比，因此在目标尺寸一定的情况下，波长越小，RCS 就越大。

这就是雷达系统通常工作在MW 的原因。

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雷达
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大气窗口¾地球大气层中的电离层对大部分无线电波呈反射状态（短波传播的原理），但在MW 波段存在若干窗口。

因此，卫星通信、射频天文通常采用微波波段。

分子谐振¾各种分子、原子和原子核的谐振都发生在MW波段，这使得微波在基础科学、医学、遥感和加热等领域有独特的应用。

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T e c h n o l o g y 卫星通信
卫星定位导航
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射电天文望远镜
微波炉
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T e c h n o l o g y 微波治疗仪
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上述特点使得RF/MW有着广泛的应用，但是真正使RF/MW成为一门独立学科是因其具有一个独特特点：RF/MW的波长与自然界物体尺寸相比拟。

在RF/MW相邻低端以下的频段，波长比物体尺寸长很多，可以采用集总模型研究。

在RF/MW相邻高端以上的频段，波长比物体尺寸小很多，可以采用几何光学研究。

当波长与物体的尺寸相比拟时，电磁波波动性呈主流，因此必须采用电磁场理论和分布模型
研究。

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o u t h C h i n a U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y 1.3 常规电路元件的射频特性
在常规交流电路中，最常用的电路元件是电阻R，电感L，电容C和连接这些元件的导线。

在频率较低时，电阻器，电感器和电容器分别对应于热能，磁场能量和电场能量集中的区域，所以可以用“集总”元件表征。

这时R，L，C基本为常数，不随频率变化，导线也相当于与频率无关的短路线段。

在RF/MW波段，由于导体的趋肤效应，介质损耗效应，电磁感应等的影响，器件区域不再
是单纯能量的集中区，而呈现分布特性。

导体的趋肤效应
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于是标称值为R的电阻R的电阻的等效电路为通常趋肤效应引起电阻和引线间电容可以忽略。

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变得有耗，产生高频介质电导率，损耗电导为
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与电导的并联，并联Research Institute of Antennas & RF Techniques
【例】计算一个47pF平板电容器的高频阻抗，设引
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Research Institute of Antennas & RF Techniques S o u t h C h i n a U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y 1.4 RF/MW 发展简史1864年，英国物理学家J. C. Maxwell (1831-1879, 48岁)发表了著名的麦克斯韦方程，从理论上预测电磁波的存在。

1887年，德国物理学家H.Hertz (1857-1894, 37岁) 实验证实了麦克斯韦方程的预言。

赫芝采用电火花间隙发射机和加载偶极天线演示电磁波的传播.
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T e c h n o l o g y 1900年，意大利发明家G. Marconi (1874-1937, 63岁)首次实现了穿越大西洋的无线电通信。

他的发射天线与地之间连接70KHz电火花发生器，接收天线与风筝支撑。

1931年，
英国与法国之间建立了第一条微波通信线线路。

二次大战后，微波接力通信得到了迅速发展，20世纪50-70年代，微波接力通信是电视信号远距离传输的主要手段。

大西洋
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T e c h n o l o g y 1935年，英国的R. W. Watt开展了雷达的研究，（Radar = radio detecting and ranging 无线电探测与定位），同年首次在试验中测得飞机的回波。

1938年，第一只调速管问世，1940年，英国的布特和兰特尔研制出磁控管，这些微波电子管器件都是雷达不可缺少的源。

1940年，第一台10cm波长雷达问世。

雷达的出现使微波得到了人们的根本认识。

美国在MIT专门成立“辐射实验室”，调集了大量顶尖科学家以战时状态对雷达进行大规模、全方位研究，极大地促进了雷达
与微波技术的发展。

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T e c h n o l o g y 1945年，雷神公司把磁控管用于微波加热，诞生了微波炉，如今磁控管依然是微波炉的核心源。

1963年，国际通信卫星组织发射了第一颗同步通信卫星。

70年代，雷达、卫星通信、微波中继通信成为RF/MW应用的主要领域，并迅速扩展到微波加热和微波遥感等领域。

同时，RFIC、MIC开始迅速发展。

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T e c h n o l o g y 80-90年代，移动通信成为最耀眼的应用，如同二次大战中雷达对RF/MW发展的促进作用一样，移动通信，尤其是蜂窝移动通信给RF/MW带来了第二次发展高潮。

由于是民用，涉及千家万户，发展更为迅速，更为广泛，甚至改变了人类的生活习惯。

如今，RF/MW应用几乎深入了各类领域，我们身边随处可见：手机、蓝牙、无线上网，卫星电视、GPS定位、RFID等。

2000 9010
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S o u t h C h i n a U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y 1.5 课程内容设置 从典型RF系统看本课程内容设置Antenna 无线通信系统原理框图
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T e c h n o l o g y 无线通信系统射频前端原理框图
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o u t h C h i n a U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y RF/MW系统通常由这样几类装置组成：¾传输线：传输RF/MW信号的装置。

¾无源器件：完成微波信号和功率的分配、控制和滤波等功能的装置，没有进行微波能量与其他能量（如直流）的转换,如滤波器，双工器，耦合器等。

¾有源器件：产生、放大、变换微波信号和功率的装置，一般要将微波能量与其他能量进行转换。

¾天线：辐射或接收电磁波的装置。

正是上述装置构成了本课程内容。

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S o u t h C h i n a U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y 当然，RF/MW应用还涉及其他重要方面，如：
¾电波传播
¾RF/MW测量
¾RF/MW仿真与计算
尽管很重要，由于课时有限，本课程不讲授。

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S o u t h C h i n a U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y 1.6 本课程要求与建议
成绩评定与作业要求¾作业30%，期未考试70%。

¾每周交一次作业，课件从网上下载http://202.38.193.234/rf1/ 参考书籍¾[1] 李绪益微波技术与微波电路，华南理工大学出版社，2007，（教材，习题）¾[2] R. Ludwig, P. Bretchko, RF circuit Design –Theory and Applications, 电子工业出版社（中、英本），2004。

¾[3] P. M. Pozar, Microwave Engineering, (Third edition), 电子工业出版社（中、英本），2006。

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o u t h C h i n a U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y 教学方法¾课程特点@概念抽象、数学公式多¾我们的对策@强调形象化教学@强调原理和设计过程@运用软件实现设计¾
最终的目标@运用软件可以设计典型RF/MW 电路
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o u t h C h i n a U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y 学习方法¾大处着眼@始终把握每讲内容在整体课程中的地位。

@始终把握所学元器件在RF/MW 系统中的地位。

@从原理上掌握每一元器件的机理、功能和作用。

¾小处着手@熟练掌握具有代表性的理论、公式、推导。

@熟悉几种具有代表性的元器件的设计过程，并能完成典型电路设计。

@从小入手，举一反三，触类旁通，从而在有限的学时内，最大限度地掌握RF/MW 电路与天线的理论与设计。

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o u t h C h i n a U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y 建议给自己定个目标：上、中、下。

在所定目标下，制成学习方案和精力分配。

¾上：出色完成课程学习, 掌握尽可能多的细节。

¾中：较好完成课程学习，掌握课堂所授主要内容。

¾下：基本完成课程学习，掌握课堂所授基本内容。

无论定怎样的目标，
“不抛弃，不放弃”。

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o u t h C h i n a U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y 小结1
射频/微波的基本概念与特点 射频/微波的简史 课程内容设置 本课程的要求与建议
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T e c h n o l o g y 习题1P10: 0-1，0-2。