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技術(shù)文章

微波無線電通信的基本知識

閱讀：240 發(fā)布時間：2024-8-20

1、常用無線電頻段

當(dāng)今社會,技術(shù)發(fā)展之迅猛,對人們生活影響之重大，應(yīng)是無線電技術(shù)。射頻/微波工程就是這一領(lǐng)域的核心。過去的100多年來,人們對射頻/微波技術(shù)的認(rèn)識和使用日趨成熟。

從圖1-1所示的無線電技術(shù)的發(fā)展歷史可以看出,近年來射頻/微波工程的應(yīng)用已經(jīng)發(fā)展到了近乎極至的狀態(tài)。

常用無線電頻段1.jpg

常用無線電頻段2.jpg

對電磁波頻譜的劃分是美國國防部于第二次世界大戰(zhàn)期間提出的,后由電工電子工程協(xié)會（IEEE）推廣,被工業(yè)界和政府部門廣泛接受。具體電磁波頻譜分段見表1-1。在整個電磁波譜中,射頻/微波處于普通無線電波與紅外線之間,是頻率高的無線電波,它的頻帶寬度比所有普通無線電波波段總和大1000倍以上,可攜帶的信息量不可想象。一般情況下,射頻/微波頻段又可劃分為米波（波長10～1m,頻率30～300MHz）、分米波（波長10～1dm,頻率300～3000MHz）、厘米波（波長10～1cm,頻率3～30GHz）和毫米波（波長10～1mm,頻率30～300GHz）四個波段。其后是亞毫米波、遠(yuǎn)紅外線、紅外線、可見光。

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以上這些波段的劃分并不是惟一的,還有其他許多不同的劃分方法,它們分別由不同的學(xué)術(shù)組織和政府機構(gòu)提出,甚至還在相同的名稱代號下有不同的范圍,因此波段代號只是大致的頻譜范圍。其次,以上這些波段的分界也并不嚴(yán)格,工作于分界線兩邊臨近頻率的系統(tǒng)并沒有質(zhì)和量上的躍變,這些劃分是人為的,僅是一種助記符號。

對不同頻段無線電信號的使用不能隨意確定。也就是說,頻譜作為一種資源,各國各級政府都有相應(yīng)的機構(gòu)對無線電設(shè)備的工作頻率和發(fā)射功率進行嚴(yán)格管理。范圍內(nèi)更有詳細(xì)的頻譜用途規(guī)定,即CCIR建議文件,在這個文件中,規(guī)定了雷達、通信、導(dǎo)航、工業(yè)應(yīng)用等民用無線電設(shè)備所允許的工作頻段。表1-2是各無線電頻段的基本用途。各個用途在相應(yīng)頻段內(nèi)只占有很小的一段頻譜或點頻工作。

常用無線電頻段4 副本.jpg

和平年代,在某個地區(qū),要避免用途不同的無線電設(shè)備使用相同的頻率,否則,將會帶來災(zāi)難性的后果。相反地,在電子對抗或電子戰(zhàn)系統(tǒng)中,就是要設(shè)法掌握敵方所使用的無線電頻率,給對方實施毀滅性打擊。

目前,發(fā)展快的民用領(lǐng)域是移動通信。巨大的市場潛力和飛速的更新步伐,使得這一領(lǐng)域成為全球的一個支柱產(chǎn)業(yè)。表1-3給出了常用移動通信系統(tǒng)頻段分布及其工作方式。

常用無線電頻段5 副本.jpg

一般地,射頻/微波技術(shù)所涉及的無線電頻譜是表1-1 中甚高頻(VHF)到毫米波段或者P波段到毫米波段很寬范圍內(nèi)的無線電信號的發(fā)射與接收設(shè)備的工作頻率。具體地,這些技術(shù)包括信號的產(chǎn)生、調(diào)制、功率放大、輻射、接收、低噪聲放大、混頻、解調(diào)、檢測、濾波、衰減、移相、開關(guān)等各個模塊單元的設(shè)計和生產(chǎn)。它的基本理論是經(jīng)典的電磁場理論。研究電磁波沿傳輸線的傳播特性有兩種分析方法。一種是“場"的分析方法,即從麥克斯韋方程出發(fā),在特定邊界條件下解電磁波動方程,求得場量的時空變化規(guī)律,分析電磁波沿線的各種傳輸特性；

另一種是“路"的分析方法,即將傳輸線作為分布參數(shù)電路處理,用基爾霍夫定律建立傳輸線方程,求得傳輸線上電壓和電流的時空變化規(guī)律,分析電壓和電流的各種傳輸特性。用這兩種方法研究同一個問題,其結(jié)論是相同的。到底是用“場"的方法還是用“路"的方法,應(yīng)由研究的方便程度來決定。對于射頻/微波工程中的大量問題,采用網(wǎng)絡(luò)方法和分布參數(shù)概念可以得到滿意的工程結(jié)果,而不是拘泥于嚴(yán)謹(jǐn)?shù)柠溈怂鬼f方程組及其數(shù)值解法。

在射頻/微波頻率范圍內(nèi),模塊的幾何尺寸與信號的工作波長可以比擬,分布參數(shù)概念始終貫穿于工程技術(shù)的各個方面。而且,同一功能的模塊,在不同的工作頻段的結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)方式大不相同?！敖Y(jié)構(gòu)就是電路"是射頻/微波電路的顯著特征。射頻/微波電路的設(shè)計目標(biāo)就是處理好材料、結(jié)構(gòu)與電路功能的關(guān)系。

No.2 射頻/微波的重要特性

2.1射頻/微波的基本特性

1．似光性

射頻/微波能像光線一樣在空氣或其他媒體中沿直線以光速傳播,在不同的媒體界面上存在入射和反射現(xiàn)象。這是因為射頻/微波的波長很短,比地球上的一般物體（如艦船、飛機、火箭、汽車、房屋等）的幾何尺寸小的多或在同一個數(shù)量級。

當(dāng)射頻/微波照射到這些物體上時將產(chǎn)生明顯的反射,對于某些物體將會產(chǎn)生鏡面反射。

因此,可以制成尺寸、體積合適的天線,用來傳輸信息,實現(xiàn)通信；可接收物體所引起的回波或其他物體發(fā)射的微弱信號,用來確定物體的方向、距離和特征,實現(xiàn)雷達探測。

2.穿透性

射頻/微波照射某些物體時,能夠深入物體的內(nèi)部。微波（特別是厘米波段）信號能穿透電離層,成為人們探測外層空間的宇宙窗口；能夠穿透云霧、植被、積雪和地表層,具有全天候的工作能力,是遙感技術(shù)的重要手段；能夠穿透生物組織,是醫(yī)學(xué)透熱療法的重要方法；能穿透等離子體,是等離子體診斷、研究的重要手段。

3.非電離性

一般情況下,射頻/微波的量子能量還不夠大,不足以改變物質(zhì)分子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)或破壞物質(zhì)分子的鍵結(jié)構(gòu)。由物理學(xué)可知,在外加電磁場周期力的作用下,物質(zhì)內(nèi)分子、原子和原子核會產(chǎn)生多種共振現(xiàn)象,其中,許多共振頻率就處于射頻/微波頻段。這就為研究物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)提供了強有力的實驗手段,從而形成了一門獨立的分支學(xué)科——微波波譜學(xué)。從另一方面考慮,利用物質(zhì)的射頻/微波共振特性,可以用某些特定的物質(zhì)研制射頻/微波元器件,完成許多射頻/微波系統(tǒng)的建立。

4.信息性

射頻/微波頻帶比普通的中波、短波和超短波的頻帶要寬幾千倍以上,這就意味著射頻/微波可以攜帶的信息量要比普通無線電波可能攜帶的信息量大的多。因此,現(xiàn)代生活中的移動通信、多路通信、圖像傳輸、衛(wèi)星通信等設(shè)備全都使用射頻/微波作為傳送手段。

射頻/微波信號還可提供相位信息、極化信息、多普勒頻移信息等。這些特性可以被廣泛應(yīng)用于目標(biāo)探測、目標(biāo)特征分析、遙測遙控、遙感等領(lǐng)域。

2.2射頻/微波的主要優(yōu)點

由上述基本特性可歸納出射頻/微波與普通無線電相比有以下優(yōu)點:

(1) 頻帶寬。可傳輸?shù)男畔⒘看蟆?/p>

(2)分辨率高。連續(xù)波多普勒雷達的頻偏大,成像更清晰,反應(yīng)更靈敏。

(3)尺寸小。電路元件和天線體積小。

(4)干擾小。不同設(shè)備相互干擾小。

(5)速度快。數(shù)字系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸和信號處理速度快。

(6) 頻譜寬。頻譜不擁擠,不易擁堵,設(shè)備更可靠

2.3射頻/微波的不利因素

由于射頻/微波本身的特點,也會帶來一些局限性。主要體現(xiàn)在如下幾個方面:

(1) 元器件成本高。

(2)輻射損耗大。

(3)大量使用砷化鎵器件,而不是通常的硅器件。

(4)電路中元件損耗大,輸出功率小。

(5)設(shè)計工具精度低,成熟技術(shù)少。

這些問題都是我們必須面對的,在工程中應(yīng)合理設(shè)計電路,取得一個比較好的折中方案。

No.3射頻/微波系統(tǒng)的核心問題

3.1射頻鐵三角

由于頻率、阻抗和功率是貫穿射頻/微波工程的三大核心指標(biāo),故將其稱為射頻鐵三角。它能夠形象地反映射頻/微波工程的基本內(nèi)容。這三方面既有獨立特性,又相互影響。三者的關(guān)系可以用圖1-2表示。

射頻鐵三角副本.jpg

3.2射頻鐵三角的內(nèi)涵

1.頻率

頻率是射頻/微波工程中基本的一個參數(shù),對應(yīng)于無線系統(tǒng)所工作的頻譜范圍,也規(guī)定了所研究的微波電路的基本前提,進而決定微波電路的結(jié)構(gòu)形式和器件材料。直接影響射頻/微波信號頻率的主要電路有：

(1)信號產(chǎn)生器：用來產(chǎn)生特定頻率的信號,如點頻振蕩器、機械調(diào)諧振蕩器、壓控振蕩器、頻率合成器等。

(2)頻率變換器：將一個或兩個頻率的信號變?yōu)榱硪粋€所希望的頻率信號,如分頻器、變頻器、倍頻器、混頻器等。

(3)頻率選擇電路：在復(fù)雜的頻譜環(huán)境中,選擇所關(guān)心的頻譜范圍。經(jīng)典的頻率選擇電路是濾波器,如低通濾波器、帶通濾波器、高通濾波器和帶阻濾波器等。近年發(fā)展起來的高速電子開關(guān)由于體積小,在許多方面取代了濾波器來實現(xiàn)頻率選擇。在射頻/微波工程中,這些電路可以獨立工作,也可以相互組合,還可以與其他電路組合,構(gòu)成射頻/微波電路子系統(tǒng)。

這些電路的測量儀器有頻譜分析儀、頻率計數(shù)器、功率計、網(wǎng)絡(luò)分析儀等。

2.功率

功率用來描述射頻/微波信號的能量大小。所有電路或系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)都是實現(xiàn)射頻/微波能量的佳傳遞。 影響射頻/微波信號功率的主要電路有：

(1)衰減器:控制射頻/微波信號功率的大小。通常由有耗材料（電阻性材料）構(gòu)成,有固定衰減量和可調(diào)衰減量之分。

(2)功分器:將一路射頻/微波信號分成若干路的組件,可以是等分的,也可以是比例分配的,希望分配后信號的損失盡可能小。功分器也可用作功率合成器,在各個支路口接同頻同相等幅信號,在主路疊加輸出。

(3)耦合器:定向耦合器是一種特殊的分配器。通常是耦合一小部分功率到支路,用以檢測主路信號的工作狀態(tài)是否正常。分支線耦合器和環(huán)形橋耦合器可實現(xiàn)不同相位的功率分配/合成，配合微波二極管,完成多種功能微波電路,如混頻、變頻、移相等

(4)放大器：提高射頻/微波信號功率的電路,在射頻/微波工程中地位極為重要。用于接收的是小信號放大器,該類放大器著重要求低噪聲、高增益。用于發(fā)射的是功率放大器,對于該類放大器,為了滿足要求的輸出功率,可以不惜器件和電源成本。用于測試儀器的放大器,完善和豐富了儀器的功能。

3.阻抗

阻抗是在特定頻率下,描述各種射頻/微波電路對微波信號能量傳輸?shù)挠绊懙囊粋€參數(shù)。

電路的材料和結(jié)構(gòu)對工作頻率的響應(yīng)決定電路阻抗參數(shù)的大小。工程實際中,應(yīng)設(shè)法改進阻抗特性,實現(xiàn)能量的大傳輸。所涉及的射頻/微波電路有：

(1)阻抗變換器:增加合適的元件或結(jié)構(gòu),實現(xiàn)一個阻抗向另一個阻抗的過渡。

(2)阻抗匹配器:一種特定的阻抗變換器,實現(xiàn)兩個阻抗之間的匹配。

(3)天線:一種特定的阻抗匹配器,實現(xiàn)射頻/微波信號在封閉傳輸線和空氣媒體之間的匹配傳輸。

No.4 射頻微波電路的應(yīng)用

射頻/微波電路的經(jīng)典用途是通信和雷達系統(tǒng)。近年來發(fā)展為迅猛的當(dāng)數(shù)個人通信系統(tǒng),當(dāng)然,導(dǎo)航、遙感、科學(xué)研究、生物醫(yī)學(xué)和微波能的應(yīng)用也占有很大的體量。下面歸納出射頻/微波電路的各種用途,并給出幾個應(yīng)用實例。

(1)無線通信系統(tǒng):

空間通信,遠(yuǎn)距離通信,無線對講,蜂窩移動,個人通信系統(tǒng),無線局域網(wǎng),衛(wèi)星通信,航空通信,航海通信,機車通信,業(yè)余無線電等。

(3)導(dǎo)航系統(tǒng)：

微波著陸系統(tǒng)（MLS）,GPS,無線信標(biāo),防撞系統(tǒng),航空、航海自動駕駛等。

(4)遙感：

地球監(jiān)測,污染監(jiān)測,森林、農(nóng)田、魚汛監(jiān)測,礦藏、沙漠、海洋、水資源監(jiān)測,風(fēng)、雪、冰、凌監(jiān)測,城市發(fā)展和規(guī)劃等。

(5)射頻識別：

保安,防盜,入口控制,產(chǎn)品檢查,身份識別,自動驗票等。

(6)廣播系統(tǒng)：

調(diào)幅（AM）,調(diào)頻（FM）廣播,電視（TV）等。

(7)汽車和高速公路：

自動避讓,路面告警,障礙監(jiān)測,路車通信,交通管理,速度測量,智能高速路等。