射频电路第1次课-第1章射频电子学概述1.1~1.3

表1.1 无线电频段
波长(波长) 频率(频段)
100 km以上 3 kHz 10～100km
1～10km 100～1000m 3～30 kHz
30～300 kHz 300～3000 kHz
通
用 名
主 要 应 用
水下通信 海上通信
调幅广播 调幅广播
极低频(ELF) 甚低频(VLF)
低频(LF)或长波(LW) 中频(MF)或中波(MW)

RFID标签与读写器之间的无线通信频段有多种，如下 表所示。相应的射频识别系统都有国际标准予以支持。



工作频率低于30MHz的电子标签的成本较低、 标签内保存的数据量也较少、阅读距离较短 （无源情况，典型阅读距离为10cm）、电子 标签外形多样（卡状、环状、钮扣状、笔 状）、阅读天线方向性弱。 由于低于30MHz的电子标签有以上优点，中 国电信、移动和联通三大运营商2010年8月26 日达成共识，手机支付业务采用银联主导的 13.56MHz标准。以前，中国移动曾经进行过 2.4GHz的RF-SIM手机支付试验。 30MHz以下系统使用最广，但数据速率低， 传输距离短。它可以在一定环境下替代条码， 用在工厂的流水线等场合跟踪物体。
波长 工作电压 休眠电流 电池
尺寸
630～680nm
3V 1μA 1×CR2032
32×87×8mm
总量
17g
接收频率 2.402GHz 接收灵敏度 -90dBm 遥控方式 RF射频技术 USB版本 USB1.1兼容USB2.0 工作电压 4.5～5.5V 尺寸 32×63×8 11g 总量

当今蓬勃发展的物联网(Internet of Things) 更是需要大量应用射频识别 (Radio Frequency Identification，RFID)技术。
射频电路
授课老师：林昌华
Email: 676715918@QQ.com
教材：
第一章
1.1

射频电子学概述
关于射频和射频电路概念

射频和无线电频率在英语词汇里都是Radio Frequency，缩写为RF，意思是可以輻射到空間的 电磁波频率。 频率达到射频的信号叫做射频信号。射频信号在 自由空间传播时的速度等于光速，即 c=f · λ= 3×108 m/s。式中,f 为频率；λ为波长；c为光 速。因为真空光速是一个常量，所以频率与波长 成反比，频率越高波长越短。例如，当 f=106Hz=1MHz时，λ=300m；当 f=103MHz=1GHz时， λ=30cm。

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工作频率高于400MHz的电子标签及阅读器成 本均较高、标签内保存的数据量较大、阅读 距离较远（可达几米至十几米），适应物体 高速运动性能好，外形一般为卡状，阅读天 线及电子标签天线均有较强的方向性。 400MHz以上系统通信距离远，可用在自动收 费或识别车辆身份等场合。缺点是耗电量较 大。
射频电路有如下一些优点。 1) 采用射频可以获得更高的数据传输速率 • 一般来说，工作频率越高，可以达到的数据传输速 率就越高。 • 例如，在二进制数字调制系统中，可以用一个或多 个载波周期的幅度、频率或相位的变化来表示一个 二进制数1或0。这种情况下的数据速率最高等于载 波频率，载波频率越高，数据速率也就越高。
当电路的尺寸小到可以与信号波长相比 拟时,电路将出现一些特殊的性质，基尔 霍夫（Kirhoff）低频电路理论对此已不 再适用，必须用分布参数电路理论对电 路进行分析和解决有关问题。 电路尺寸可以与射频信号波长相比拟的 电路称为射频电路（RF Circuit）。例 如，北京时间2012年9月13日发布的 iphone5的尺寸是123.8×58.6×7.6mm，3G 工作频率最高为2.1GHz,波长为143mm。

还有一些电器的遥控装置也采用了射频技术， 例如，PPT放映遥控器。其技术参数如下。 发射器 接收器
遥控方式 RF射频技术
发射频率
RF输出功率
控制距离
激光功率
2.402GHz 0dBm 10m
＜1mW or 5mW
操作系统
Windows 98/Se,Me, 2000,XP,Mac OS, Linux,Vista
•
•

标签
读
写
器

与磁卡、ＩＣ卡等接触式识别技术不同，ＲＦ ＩＤ系统的读写器与标签之间无须物理接触就 可完成读写和识别功能，因而可实现多目标识 别、运动目标识别，可应用到更广泛的场合。


射频识别基本原理
典型的射频识别系统由标签、读写器和数据交换管理 系统等组成。系统的基本工作原理为：读写器不断发 出一组固定频率的射频信号，当非接触标签内的ＬＣ 串联谐振电路进入读写器的覆盖区域内，在射频电磁 波激励下，ＬＣ谐振电路产生共振。共振使标签内的 电容有了电荷，此时在电容另一端接的一个单向导通 电子泵就可以将电容内的电荷送到另一个电容内并存 储。当所积累的电荷的电压值达到２Ｖ时，这个电压 就可作为标签的工作电源。此时，标签响应读写器的 要求，将信息读出后调制发出，供读写器接收。标签 内的Ｅ２ＰＲＯＭ存储有电子标签唯一的长度为６４ 位的ＩＤ号和用户数据。

表1.2 IEEE/工业标准微波段命名
波段命名 UHF 频率 （GHz） 0.3 ～1 波段命名 Ku 频率 （GHz） 12～18
L
S C X
1～2
2～4 4～8 8～12
K
Ka 毫米 亚毫米
18～27
27～40 40～300 ＞300
1.2

射频电路的应用

从1897年马可尼 (Guglielmo Marconi) 开始 无线电长距离通信起, 无线电通信的工作频率 就在不断提高。目前，3G移动通信最高工作频 率已经达到2.1GHz, 全球定位系统(GPS)工作 于 1227.60～1575.42 MHz, 14～83 频道的电 视广播工作于 470 ～ 890 MHz,无线局域网 (WLAN)的工作频率也在GHz频段。 对计算机来说,高速大容量的服务器和个人计 算机所采用的时钟脉冲频率不断增加,计算机 主频的工作频率已经达到GHz, 同样需要考虑 电路在射频下的设计问题。

无线电频率从低到高的排列次序就是无线 电频谱。表1.1 将无线电频谱划分为若干 频段。不同频段的无线电信号的传输特性 和用途不同。 对于工作频率高于30MHz(波长10m)的家用 电器来说,就需要考虑元器件和接线的分布 参数对电路性能的影响了。对于频率从几 百MHz(波长1m左右)至4GHz（波长75mm）的 电子设备来说，由于信号波长很短，电子 电路中的元器件和接线的分布参数对电路 工作性能的影响很大，就必须运用射频电 路理论指导电路的分析和设计。设计集中 参数的低频电路采用的基尔霍夫电路定律 不再适用。

2) 采用射频可以缩小天线和射频电路的体积 • 无线通信需要采用天线发射和接收信号。如 果天线的尺寸可以与波长相比拟，天线辐射 和接收电磁波就更为有效。工作频率越高, 波长越短, 天线尺寸也就越小，这样有助于 满足移动通信对天线尺寸小型化的要求。 • 射频电路中电感和电容等元器件的尺寸很小, 这有助于减小设备的体积。 3)空间噪声是影响通信质量的最主要因素。当 频率高到一定程度时(如100MHz)，噪声功率 便会下降；当频率达到1GHz时，外部空间噪 声影响消失，这是一个巨大的优点。
4）射频的传输衰减很大，传输距离短。这看起 来是缺点，对于小区制蜂窝移动通信和射频识 别系统来说确是一个优点。传输距离短可以提 高蜂窝移动通信系统的频率再用率，降低射频 识别系统的差错。
1.3

我国射频电路的研发情况

随着射频电路的广泛应用和不断发展, 射频电 路的工作频率范围不断向更高的频率延伸, 已 有资料显示，工作频率高达 5 GHz的射频电路 已经研制成功。 最有代表性的是3G移动通信TD芯片性能快速提 升，终端产业化能力增强。 TD芯片工艺从 2008年的130nm提升到90nm，65nm的解决方案 即将推向市场，45nm方案开始研发；2009年元 月我国颁发了三张3G牌照，当年TD芯片出货量 达1200万片。终端稳定性和成熟性进一步提升， 已有130多个终端厂家266款不同档次的TD终端 投入市场。
虑分布参数的影响)
电视、蜂窝电话(注：采用分
布参数理论设计)
固定无线、卫星通信(注：采用
场模式理论)
卫星通信、雷达(注：采用场
模式理论)
在无线电频谱中，从 300 MHz ～ 3THz 是微波区,如表1.2所示。微波的波长从 1.0 m ～0.1mm, 分为分米波、厘米波、 毫米波和亚毫米波 4 个波段。 当电路的工作频率高于 4 GHz 时, 波长 甚至低于电路的尺寸，需要用到场模式 理论及TE (Transverse Electric Field) 和 TM (Transverse Magnetic Field)传输线, 这超出了本课程的射频电路学习范畴。

所谓“物联网”，就是“物物相连的互联网”。 这有两层意思：
第一，物联网的核心和基础仍然是互联网 Internet ，它是在互联网基础上扩展的网络； 第二，其终端延伸到了任何物品Things ，组成 了物与物相连的网络，在人与物、物与物之间 进行信息交换和操控。 物联网中的RFID和二维码对物体的技术规格、 商品属性、物流流程等进行标识。
10～100m
1～10m 0.1～1.0m 10～100mm 1～10mm
3～30 MHz
30～300 MHz 300～3000 MHz 3～30 GHz 30～300 GHz
高频(HF)或短波(SW)
甚高频(VHF) 特高频(UHF) 超高频(SHF) 极高频(EHF)
调幅广播、业余无线电
调频广播、电视(注：需要考