射頻微波電路簡述

王明月　張德慧　魏銘

摘 要：近年來， 無線技術， 特別是通信（例如數據網絡、移動電話）、射頻識別（RFID）、導航（GPS）、遙感遙測以及探測（雷達）等技術的飛速發展與不斷進步引起了全球范圍內的普遍關注。因此， 對于無線電應用所需的高頻載波而言， 這將有利于更好地規劃和使用電磁頻譜， 并允許設計更多有效的天線。可以預見， 基于低成本制造工藝和現代計算機輔助設計工具， 未來的新型無線系統將使用更高頻率以及更寬頻帶的頻譜。因此， 射頻前端及其電路在現代無線系統中占據著重要地位。

關鍵詞：現代無線電 射頻微波

在通信如此發達的時代，無線電領域已經越來越受到人們的重視。阿姆斯特朗是無線電領域的開拓者和創新者。他在反饋電路和振蕩真空管電路方面的開拓性工作標志著現代無線電技術的誕生。由于超外差電路、超反饋方面的貢獻以及寬幅調頻系統的發明，他成為現代無線電技術的創始人之一。

1. 現代無線電

1.1現代無線電的系統原理

射頻通信接收機的前端由許多子系統級聯以實現若干目的。濾波器和匹配網絡提供了頻率選擇性以消除干擾信號，放大器通過提高接收信號幅度和需要發射的信號功率來“管理”噪聲電平，混頻器和振蕩器將調制信息從一個頻率變換到另一個頻率。使用接收機的主要目的是把疊加到射頻或載波上的信號轉換到較低頻率上，以便將其直接送到揚聲器或進一步數字化處理。在蜂窩通信系統中，該低頻信號通常被稱為基帶信號，其帶寬從30kHz到5MHz的范圍內變化，而載波頻率可以在500MHz到2GHz的范圍內選擇。發射機則將基帶信號疊加或調制到一個RF載波上，以便更容易地將其輻射到自由空間，并使其易于從一個天線（發射）傳播到另一個天線（接收）。

1.2現代無線電收發機的結構

現代移動通信發射機需要最大限度地提高頻譜效率和電源效率，例如，頻譜效率和電源效率的提高可通過抑制載波的發射以及只發射一個單邊帶來實現，也可以通過選擇調制方式來提高頻譜利用率。實現單邊帶調制的經典技術是正交調制。通過嚴格要求允許的失真來實現電源效率，并且利用最少的手工調整來實現這樣一種設計。對電源效率的要求會直接導致復合半導體晶體管的產生，包括Gaashbts和PHEMTS，而且大部分應用于蜂窩手機中。對于基站和點對點應用而言，在低于幾千兆赫茲的工作頻率下，Si-LDMOS是主流技術，并引入了高擊穿電壓的氮化鎵（GaN）場效應管。另一種趨勢是發展通用放大器的概念，它能使相同的RF前端應用于許多不同的應用場合。

為了提高移動發射機的電源效率，出現了很多新型高效率的功率放大器，例如，包絡分離和恢復的Kahn功率放大器、異相功率放大器、Doherty功率放大器、開關功率放大器和雙途徑功率放大器等。為了滿足現代通信對功率放大器線性度的要求，還出現了前饋線性化技術、基帶預失真技術等。

2. 射頻微波

2.1射頻微波概念與應用

（1）概念：

高頻（HF）區也稱為短波（SW）區，頻段為3～30MHz，VHF頻段為30～300MHz，該頻段內包含有調頻廣播頻段，公用業務、一些電視廣播站、航空和業余無線電頻段。甚高頻（UHF）段為300～900MHz，包含有VHF頻段同樣的業務，微波區域開始于UHF頻段的末端，即900MHz或1000MHz（1GHz），它依賴于大眾的認可。“射頻”一詞來源于英文單詞Radiofrequency（RF），直接翻譯過來就是“無線電頻率”，但行業內通常將其轉譯為“射頻”，意為“發射頻率”。由于廣義的“射頻”概念所指的頻率比較寬，常常與“微波”頻率發生交疊，因此，為了方便起見，通常射頻信號是指在30MHz到4GHz這樣一個頻率范圍。也就是說，我們通常所指的射頻主要包括了VHF、UHF以及微波低頻段。

（2）應用：

射頻與微波典型應用涉及以蜂窩與無線通信網絡為基礎的陸上語音和數據通信，以及陸上和基于衛星的廣播系統ISM頻段內的射頻識別（RFID）系統則在貨運及物流業務領域變得越來越流行。至于導航領域，GPS應該是應用最廣泛的，它已經被安裝在大量的交通工具和移動設備中。同時，汽車行業以及雷達系統中，，GPS還用于監測周圍環境或者用作駕駛輔助系統的傳感器。

2.2射頻微波域的物理現象

RF頻段介于集中參數頻段與分布參數頻段之間，集中參數頻段可用“路”的概念來分析，分布參數則用“場”的概念來分析。RF頻段是一種相對概念，事實上，它與電路尺寸有關，電路尺寸只要小于八分之一導波波長（λg），就可用“路”的概念來分析電路。

（1）集總元件的射頻效應

在射頻微波條件下，集總電阻、電容以及電感等器件的物理特性將不再是在低頻段中表現出的“純”阻性、容性和感性，也就是說，這些低頻集總元件如果應用于高頻環境下，則其頻率響應應不在呈現出理想的電阻、電容和電感特性。

（2）趨膚效應

在RF中，趨膚效應的影響很嚴重。“趨膚效應”是指交流（AC）電流流經導體時趨向于導體外邊部分，而直流（DC）電流均勻地流經整個導體的截面積。隨著電流頻率的升高，趨膚效應形成了一個較小的導流帶，于是形成了大于直流（DC）均勻電阻的交流（AC）電阻。趨膚效應引起的最明顯的影響就是使信號傳輸途徑中的損耗增加。

（3）電磁輻射

在RF電路中發現的另外一個問題是信號很容易從電路內部向外部和在電路內部之間輻射。這樣，就造成了電路內部元件之間、電路與其環境之間、其環境與電路之間的互相耦合。這種耦合又稱為寄生耦合，電路元件之間的耦合造成了RF電路中的寄生反饋，它會引起電路的不穩定及性能下降。電路中的信號向外輻射造成了兩個后果—RF電路中的損耗增加及干擾環境中的其他RF電路。當然，第三種寄生耦合造成了環境中的RF電路（若干個）對本身RF電路的干擾。可以這樣說，在RF電路中產生的干擾及其他很多奇奇怪怪的效應都是這種互耦造成的。例如，在RF電路中的放大器很容易就成為了振蕩器，而RF振蕩器偏偏又不起振或者振蕩不穩定。互耦會造成RF電路不穩定或工作在臨界穩定狀態—亞穩定狀態，當工作條件或環境溫度發生變化時，電路即變為不穩定狀態。互耦效應在直流電路中及低頻電路中是見不到的或者是可以忽略的。

（3）電源耦合

RF電路中的另外一個重要問題是公用電源的去耦合問題。在RF有源電路中，必須提供電源。在設計RF電路及系統時，為了簡化電路、提高電路及系統的可靠性，要盡可能減少電源的種類。也就是說，在電路設計中，要盡可能選用與供電電壓相同的器件及術與集成芯片。電路與系統中若干個單元電路使用公用電源帶來了另外一個問題。由于公用電源中每一個單元電路的交流、直流分量都要通過電源。因此，公用電源都是非理想的，具有內阻。通過這個公用內阻，把這些單元電路互相耦合在一起，主要是指交流相互耦合。而由于這種類型的互耦，也加劇了RF電路的不穩定。

（4）噪聲

在通信和雷達中，電路與系統的噪聲是一個非常重要的問題。因為信號比噪聲大得越多，信噪比就越大，而且信號能在理想的誤比特率條件下傳輸得更遠。噪聲可以分為兩類：內部噪聲和外部噪聲。這兩種噪聲是不可避免的，它們都會限制接收端放大器的增益。然而，通過合理地設計電路和系統，可以把噪聲降到最低。例如，如果在接收端的前面使用低噪聲放大器和低損耗濾波器可降低接收端振蕩器所產生的噪聲，并消除鏡像頻率和鏡像噪聲，而且使用合適的屏蔽和PCB布線技術將能夠有效地降低接收端噪聲的幅度。

總結：信息交流是人類社會的重要基礎，人類社會文明的進步和發展與通信技術的發展密不可分。以無線電波為載體的移動通信、無線局域網等為代表的現代通信網呈爆炸式發展，成為了支撐現代經濟最重要的基礎結構之一。因此，作為無線通信的射頻微波電路設計技術已經變得越來越重要，并且這種技術給人們的生活帶來了極大的便利。

參考文獻：

[1]陳會，張玉興.射頻微波電路設計.機械工業出版社.2015

[2]陳鋮穎.ADS射頻電路設計與仿真從入門到精通.電子工業出版社.2013