微波無(wú)線電通信系統(tǒng)基礎(chǔ)

2023-04-28 10:02:05

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1、常用無(wú)線電頻段

當(dāng)今社會(huì),技術(shù)發(fā)展之迅猛,對(duì)人們生活影響之重大,首推無(wú)線電技術(shù)。射頻/微波工程就是這一領(lǐng)域的核心。過(guò)去的100多年來(lái),人們對(duì)射頻/微波技術(shù)的認(rèn)識(shí)和使用日趨成熟。

從圖1-1所示的無(wú)線電技術(shù)的發(fā)展歷史可以看出,近年來(lái)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)。

對(duì)電磁波頻譜的劃分是美國(guó)國(guó)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(huì)（IEEE）推廣,被工業(yè)界和政府部門(mén)廣泛接受。具體電磁波頻譜分段見(jiàn)表1-1。在整個(gè)電磁波譜中,射頻/微波處于普通無(wú)線電波與紅外線之間,是頻率高的無(wú)線電波,它的頻帶寬度比所有普通無(wú)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(zhǎng)10～1m,頻率30～300MHz）、分米波（波長(zhǎng)10～1dm,頻率300～3000MHz）、厘米波（波長(zhǎng)10～1cm,頻率3～30GHz）和毫米波（波長(zhǎng)10～1mm,頻率30～300GHz）四個(gè)波段。其后是亞毫米波、遠(yuǎn)紅外線、紅外線、可見(jiàn)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(jī)構(gòu)提出,甚至還在相同的名稱代號(hào)下有不同的范圍,因此波段代號(hào)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(méi)有質(zhì)和量上的躍變,這些劃分完全是人為的,僅是一種助記符號(hào)。

對(duì)不同頻段無(wú)線電信號(hào)的使用不能隨意確定。也就是說(shuō),頻譜作為一種資源,各國(guó)各級(jí)政府都有相應(yīng)的機(jī)構(gòu)對(duì)無(wú)線電設(shè)備的工作頻率和發(fā)射功率進(jìn)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(gè)文件中,規(guī)定了雷達(dá)、通信、導(dǎo)航、工業(yè)應(yīng)用等軍用或民用無(wú)線電設(shè)備所允許的工作頻段。表1-2是各無(wú)線電頻段的基本用途。各個(gè)用途在相應(yīng)頻段內(nèi)只占有很小的一段頻譜或點(diǎn)頻工作。

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和平年代,在某個(gè)地區(qū),要避免用途不同的無(wú)線電設(shè)備使用相同的頻率,否則,將會(huì)帶來(lái)災(zāi)難性的后果。相反地,在電子對(duì)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(wú)線電頻率,給對(duì)方實(shí)施毀滅性打擊。

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

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一般地,射頻/微波技術(shù)所涉及的無(wú)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(wú)線電信號(hào)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(hào)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(cè)、濾波、衰減、移相、開(kāi)關(guān)等各個(gè)模塊單元的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)。它的基本理論是經(jīng)典的電磁場(chǎng)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(chǎng)”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(dòng)方程,求得場(chǎng)量的時(shí)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(shí)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(gè)問(wèn)題,其結(jié)論是相同的。到底是用“場(chǎng)”的方法還是用“路”的方法,應(yīng)由研究的方便程度來(lái)決定。對(duì)于射頻/微波工程中的大量問(wèn)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(hào)的工作波長(zhǎng)可以比擬,分布參數(shù)概念始終貫穿于工程技術(shù)的各個(gè)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(shí)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(jì)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?yàn)樯漕l/微波的波長(zhǎng)很短,比地球上的一般物體（如艦船、飛機(jī)、火箭、導(dǎo)彈、汽車(chē)、房屋等）的幾何尺寸小的多或在同一個(gè)數(shù)量級(jí)。

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

因此,可以制成尺寸、體積合適的天線,用來(lái)傳輸信息,實(shí)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(hào),用來(lái)確定物體的方向、距離和特征,實(shí)現(xiàn)雷達(dá)探測(cè)。

2.穿透性

射頻/微波照射某些物體時(shí),能夠深入物體的內(nèi)部。微波（特別是厘米波段）信號(hào)能穿透電離層,成為人們探測(cè)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(chǎng)周期力的作用下,物質(zhì)內(nèi)分子、原子和原子核會(huì)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(qiáng)有力的實(shí)驗(yàn)手段,從而形成了一門(mén)獨(dú)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(wú)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(dòng)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(hào)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(cè)、目標(biāo)特征分析、遙測(cè)遙控、遙感等領(lǐng)域。

2.2射頻/微波的主要優(yōu)點(diǎn)

由上述基本特性可歸納出射頻/微波與普通無(wú)線電相比有以下優(yōu)點(diǎn):

(1) 頻帶寬?？蓚鬏?shù)男畔⒘看蟆?/p>

(2)分辨率高。連續(xù)波多普勒雷達(dá)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(hào)處理速度快。

(6) 頻譜寬。頻譜不擁擠,不易擁堵,軍用設(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(diǎn),也會(huì)帶來(lái)一些局限性。主要體現(xiàn)在如下幾個(gè)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(jì)工具精度低,成熟技術(shù)少。

這些問(wèn)題都是我們必須面對(duì)的,在工程中應(yīng)合理設(shè)計(jì)電路,取得一個(gè)比較好的折中方案。

No.3射頻/微波系統(tǒng)的核心問(wèn)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(dú)立特性,又相互影響。三者的關(guān)系可以用圖1-2表示。

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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(gè)參數(shù),對(duì)應(yīng)于無(wú)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(jìn)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(hào)頻率的主要電路有：

(1)信號(hào)產(chǎn)生器：用來(lái)產(chǎn)生特定頻率的信號(hào),如點(diǎn)頻振蕩器、機(jī)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(gè)或兩個(gè)頻率的信號(hào)變?yōu)榱硪粋€(gè)所希望的頻率信號(hào),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(lái)的高速電子開(kāi)關(guān)由于體積小,在許多方面取代了濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)頻率選擇。在射頻/微波工程中,這些電路可以獨(dú)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(cè)量?jī)x器有頻譜分析儀、頻率計(jì)數(shù)器、功率計(jì)、網(wǎng)絡(luò)分析儀等。

2.功率

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

(1)衰減器:控制射頻/微波信號(hào)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(hào)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(hào)的損失盡可能小。功分器也可用作功率合成器,在各個(gè)支路口接同頻同相等幅信號(hào),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(cè)主路信號(hào)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(shí)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(hào)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(hào)放大器,該類(lèi)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(duì)于該類(lèi)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(cè)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(duì)微波信號(hào)能量傳輸?shù)挠绊懙囊粋€(gè)參數(shù)。

電路的材料和結(jié)構(gòu)對(duì)工作頻率的響應(yīng)決定電路阻抗參數(shù)的大小。工程實(shí)際中,應(yīng)設(shè)法改進(jìn)阻抗特性,實(shí)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(shí)現(xiàn)一個(gè)阻抗向另一個(gè)阻抗的過(guò)渡。

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

(3)天線:一種特定的阻抗匹配器,實(shí)現(xiàn)射頻/微波信號(hào)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(dá)系統(tǒng)。近年來(lái)發(fā)展為迅猛的當(dāng)數(shù)個(gè)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)用也占有很大的市場(chǎng)份額。下面歸納出射頻/微波電路的各種用途,并給出幾個(gè)應(yīng)用實(shí)例。

(1)無(wú)線通信系統(tǒng):

空間通信,遠(yuǎn)距離通信,無(wú)線對(duì)講,蜂窩移動(dòng),個(gè)人通信系統(tǒng),無(wú)線局域網(wǎng),衛(wèi)星通信,航空通信,航海通信,機(jī)車(chē)通信,業(yè)余無(wú)線電等。

(3)導(dǎo)航系統(tǒng)：

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

(4)遙感：

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

(5)射頻識(shí)別：

保安,防盜,入口控制,產(chǎn)品檢查,身份識(shí)別,自動(dòng)驗(yàn)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(chē)和高速公路：

自動(dòng)避讓,路面告警,障礙監(jiān)測(cè),路車(chē)通信,交通管理,速度測(cè)量,智能高速路等。

(8)傳感器：

潮濕度傳感器,溫度傳感器,長(zhǎng)度傳感器,探地傳感器,機(jī)器人傳感器等。

(9) 電子戰(zhàn)系統(tǒng)：間諜衛(wèi)星,輻射信號(hào)監(jiān)測(cè),行軍與阻擊等。

(10)醫(yī)學(xué)應(yīng)用：磁共振成像,微波成像,微波理療,加熱催化,病房監(jiān)管等。

(11)空間研究:射電望遠(yuǎn)鏡,外層空間探測(cè)等。

(12) 無(wú)線輸電: 空對(duì)空,地對(duì)空,空對(duì)地,地對(duì)地輸送電能等。

No.5 射頻/微波系統(tǒng)舉例

5.1射頻/微波通信系統(tǒng)

1.基本原理

射頻/微波通信的基本原理就是利用其似光傳輸特性,穿越空氣,實(shí)現(xiàn)信息的無(wú)線傳遞。

如圖1-3所示,基本的通信系統(tǒng)就是成對(duì)的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)。

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2.微波通信數(shù)據(jù)鏈

微波通信和專用微波數(shù)據(jù)鏈的系統(tǒng)示意圖。

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3.衛(wèi)星通信

K波段衛(wèi)星通信系統(tǒng)的地面站結(jié)構(gòu)框圖。

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K波段衛(wèi)星通信系統(tǒng)示意圖。

5.2 雷達(dá)系統(tǒng)

1.基本原理

雷達(dá)的原意為無(wú)線電探測(cè)與定位,基本原理是發(fā)射的微波信號(hào)遇到目標(biāo)后反射回來(lái),檢測(cè)發(fā)射信號(hào)與接收信號(hào)之間的關(guān)系,即可確定目標(biāo)的信息。

圖1-7是雷達(dá)的基本原理示意圖。

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2.脈沖雷達(dá)

脈沖雷達(dá)是雷達(dá)的一種基本形式。對(duì)連續(xù)波微波信號(hào)進(jìn)行脈沖調(diào)幅,發(fā)射出去的信號(hào)就是微波脈沖。檢測(cè)回波脈沖信號(hào)與發(fā)射脈沖信號(hào)的時(shí)間差(微波傳輸?shù)乃俣仁枪馑?，即可確定目標(biāo)的距離。脈沖雷達(dá)的結(jié)構(gòu)框圖。

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