射频传输理论

第一章射频传输理论简介1.1带宽本节中主要解释射频传输线理论中的几个典型的参数，这样可以对传输线的传输方式和原理有一个大体的印象。同时，这也是射频技术的最基础的知识。而且，这也有利于以后各个章节的理解。在本节第一段中主要介绍高频和低频的区别以及不同频率波段的划分。在电阻等效电路中，低频电路中的电阻在高频电路中可以等效为R、L串联一个电容C。严格规定高频（RE）与低频（LF）的界限是不现实的。举个例子在MHZ波段时，RF可以代替LF。1.2射频线的结构和功能同轴线是将信号从源头传输到终端使用的最常用的设备，它是在传输过程中用连接器将电缆、信号源、终端连接到一起。在传输中最重要的是RF电缆的选择。因为它决定了使用的连接器的尺寸和性能，连接器的选择必须根据电气规格。电缆和连接器会对系统中的损耗同时产生作用。1.2.1射频传输线的种类1.2.2典型的射频线由于采取了内外导体的结构，使得同轴线传输不会受到外界的影响，而且能量在内外导体之间也以波导的形式传播。在此导线内直流和交流的传输频率可达到110GHz。在截止频率以内，信号都以TEM波的形式传播。传播线的机械尺寸决定了截止频率，一般来说尺寸（轴向）越小的传输线传输频率越高。在能量传输方向上场是不存在的。（电场和磁场是垂直于电缆轴线方向）还有一些参量是与频率无关的，比如：特性阻抗，传输速率。只有损耗是随着频率的增加而增加的。这是由于趋肤效应而产生的射频泄露。1.2.3射频线的电磁场在同轴线内部，电压和电流是以不同的方式传播的，电压波在内导体表面和外导体内表面之间传播。电流沿同轴线的传输引起了围绕内导体的环形场强，越贴近表面的场强越大。电流引起了磁场，而电压引起了电场。E=U/Ln（D/d）×1/r（伏特/米）H=i/(2π)×1/r(安培/米)其中：D：外导体内径d：内导体外径U：内外倒替间的电压i：电流r：(D-d)/2内导体表面的场强是最大，它随着距离增加而减少。1.2.4射频传输线中的电阻和电抗等效电路如下在高频时，2πfL′R′，2πfC′G′，I为相位因素。1.2.5当介质为空气时，能量波的传播速度为光速C：C=（ε0μ0）-0.5当在固体介质时，传播线的特性阻抗为：Z0=[（R+jωL）/（G+jωC）]0.5同轴线的特性阻抗还可以定义为介电常数与直径比的关系式：Z0=60/εr0.5×Ln（D/d）特性阻抗=电场强度/磁场强度Z0=E/H在波传输过程中，E/H是不变的。传输线本身决定了它的特性阻抗，而且特性阻抗在传输线上处处相同。1.2.6截止频率截止频率可近似计算为f=2C/[（D+d）πεr0.5]当TEM波达到截止频率时会变为混合波（hybirdware）1.2.7波长和频率1.2.7.1波长和频率的关系λ=C/（fεr0.5）1.2.8传输速率电磁能的传输不受介质束缚，但在自由空间内传输速度会加快。能量以光速传播V=C约为3.0×108米/秒1.2.8.1介质材料对传播速率的影响1.3反射1.3.1反射波传输中遇到中断时，可以看作自身被短路，从而产生了全反射，反射波与入射波相反，和为0。当波在传输时遇到台阶面时，由于特性阻抗产生了变化，电压也一定变化，一部分电压被反射回去。1.3.2不同中断的反射短路改变极性，产生180°相位变化开路不改变极性，电流电压100%反射，相位不变化1.3.3失配的定义1.3.3.1反射系数Γ理想情况Γ=0短路或开路Γ=1注：有可能出现U反U入的情况，这种情况只会出现在电压上，能量肯定会变低。当阻抗增加落后于中断时出现此情况。1.3.3.2回波损耗RL=20logU反/U入理想情况RL=无穷短路或开路RL=0一般来说，回波损耗是对能量而言，而不是电压。RL=20log[（Z1+Z2）/（Z1-Z2）]1.3.3.3电压驻波比在失配的传输线上会有两种波在传播，一个是入射波，一个是反射波。在某些位置两种波产生叠加。叠加的波并不沿传输线传播，而是停滞的。换而言之，在任何参照面上总是存在一个最大或最小电压。这种波称为驻波。VSWR=（U入+U反）/（U入-U反）=UMAX/UMIN=（Γ+1）/（Γ-1）理想情况VSWR=无穷短路或开路VSWR=01.3.4RL，VSWR，Γ之间关系1.3.5两次以上的中断产生的确反射在传输时,中断平面越多,产生的放射波也总和。当遇到两种以上中断时，反射信号的大小取决于两种中断间的确距离。1.4RF线的损耗、（射频传输线=RF线）衰减是用来表示信号传输过程中能量的损耗。主要有以下几个影响因素：1．由于趋肤效应和介质上的损失，部分电能会转化为热能；2．反射回来的能量在传输过程中被损耗；3．表面裸漏而造成射频线漏。1.4.1损耗=10log(Powerout)／(Powerin)|dB|1.4.2内、外导体、介质材料对损耗的影响。导体损耗=导体损耗+介质损耗。αconductors=αc=（11.39/Z）×f0.5×[ρrd0.5/d+（ρrD）0.5/D]αdielectors=αd=90.96×f×ε0.5×tanδ.Z—特性阻抗ρrd、ρrD—电阻率δ—集肤深度≤10GHZ导体损耗为主；≥10GHZ介质损耗为主。1.4.3护套一根好的RF线要把电场和磁场控制在内、外导体之间。由于受到机械和加工的限制。100%的保证是不现实的，总是会有能量在传输中损耗。除了线缆自身的能量辐射之外，其他能量的泄露都视为损耗，它会引起系统的干涉甚至错误。泄露取决于频率的大小和传输系统自身的结构，为了避免高泄露，外套护套必须要有很好的密封和绝缘性能。1.5趋肤效应由于频率的增加，金属导体的纯电阻会随阻抗的的确增加而增加。着是由于磁场的作用使得电流的传输越来越趋向金属表面。另一方面，如果给导体通直流电，导体横截面上的电流密度是不同均匀的。在频率很高时电流在导体的表面bi2i1传输的深度很浅（内导体在外表面，外导体在内表面）。这种现象叫趋肤效应。由于电流i1通过。在导体内部引起了环行磁场H，如果i1为交流，其引起的磁场也是交替的，用于抵消的电压会产生另一电i2，在导体内部时i2的传输方向与i1方向相同，而在靠近导体表面处的传播方向与i1相同，因此，导体表面的电流密度要远大于导体内部。一般的，在微波的射频段很大部分i1在大约3δ深度传播。（有大约95%的i1在3δ深度以内通过）在趋肤深度δ以内有碍大越37%的电流通过,其计算方法如下:δ=[ρ/(πμf)]0.5=[1/(πμσf)]0.5f—频率ρ—电阻率σ=1/ρ—传输系数|K=(1/μ0×μr×π)0.5||δ=K×1/(f×σ)0.5|K—介质因素以铜为例μ0=4π×e-8H/m(真空渗透能力)μr=0.99H/m(铜渗透能力)则ρ铜=1.724×e-8Ωm(27ºc时铜电阻率)ρ铜=7.6071/Ωm(铜传输系数)ρ铜≈503δ=503×(1/sqrt(f×7.607))=67μm/sqrt5〔MHZ〕频率肤效深度50HZ9.3mme+6HZ0.07mme+9HZ0.002mme+12HZ0.07mm高频率→薄肤效深度高传输系数(低电阻率)→薄肤效深度1.6无源互调(PLM)互调现象越来越广地与系统中相互作用的敏感性联系在一起,尤其是在宽频带广播和组格式交流之中。什么是有源、无源互调呢？有源互调可以理解为由传输频率和非线性因素(二极管,转换器)组成的函数。例如当本地震荡器适用信号频率fRL进入电波接收装置的非线性特征元件时，中间频率fIF=fRF-fLD。但是有许多激发出的信号被加载到这种和成的波上。假设其具有非线性的特征，那么和成波才是有效的。fIM=|nf1±mf2|(m、n为整数)有源互调→将频率产品与非线性特征的传输要素混合另一方面无源互调产品是由于两种或更多的信号频率在某部分上混合，理论上具有线性的传输特征。但它的特征其实是非线性的。绝对线性只是一种理想的状态，也就是说，这种产品是不存在的。无源互调→将频率产品与假定的线性特征混合无论有源还是无源互调都具有许多的意义，其取决于特定的系统和使用部件。互调水平的不稳定性是由系统中个别部分的微小变化而引起的。（1）如何消除无源互调：系统中任何零件的设计都要谨慎，组装时要考虑它的低互调特性，而且任何螺绞连接处都必须旋紧。这有可能达到大于175dBc力学测定。测量调定只能使特性趋于稳定，但不能解决PIM测量中的问题。为了弄清任意一个组件对互调特性的影响，最主要是找到整个系统中最差的互调特性，而不是那些微弱的不稳定特性。（2）消除PIM的原因：干扰在无线基站设备中会引起重复甚至中断。1.6.1说明在无线电系统中，有一些发射信道存在于单一基础系统中，发射信道和接收信道是不能预先被判断的，传输信道经过三阶互调可能会落入接收的频段，这使得无源互调的问题更加棘手。在现在移动通信系统中，三阶互调的规格界限一般在—100至—150dBc,与双载波电平总和和发射功率有关。它在20—200瓦之间。但是在大于150dBc时要想查明系统中的互调干扰或是找出造成误差的无件几乎是不可能的，即使在很好的实验室条件下。而发射功率与互调之间的信号比是大于150dBc的，在无线天馈测量领域中尤其如此。为了满足这样的要求，所有零件的设计，组装和维护都必须十分小心。（指同轴连接器的设计）期望系统互调PIM大于150dBc吉品的互调PIM大于155dBcdBc=负载功率比=dBcarrierdBm=1mw的绝对值若想消除较大的互调产品，在设计和维护时就必须注意许多方面的问题，下表列出了一些影响互调的因素几种影响互调的典型因素——接触表面氧化材料由铝或其它材料的氧化性引起，可以使用银来提高性能——具有磁性的材料钢，不锈钢等，引起非线性特征——电流饱和电流和电压将不再在线性关系——高电晕等离子效应——小裂纹出现在连接表面——油脂在连接元件之间，不允许直接相连。