射频和无线技术入门--射频行为--2

1.损耗和增益

器件

电信号以电流形式存在于发射机或接收机中，它沿着某些导体流动，在此过程中，会遇到很多不同的叫做器件或元件的物件。表面上，有数百种不同元器件存在，但所有元器件都可归为有源和无源两类。区别很简单，需要供电装置才能正常工作的叫有源器件，反之，叫无源器件。
所有器件(有源和无源)都或者显示损耗特性，或者显示增益特性。如果出来的信号大于进去的信号，表明该器件有增益，这样的器件叫做放大器。所有放大器都是有源器件。

衰减

如果出来的信号小于进去的信号，表明该器件有损耗。任何信号通过一个器件表现出损耗现象时可称为经历衰减或被衰减。
有很多具有损耗的器件，一些是有源的，一些是无源的。当一个大的射频信号进去，变成一个小的射频信号出来，那么剩下的部分信号转换为热能。表现出损耗现象的器件将变暖，损耗越多，就越热，甚至熔化。通过一个无源器件所经历的损耗为插入损耗。

2.分贝

定义

发射机所发射的信号可能会是达到接收机信号的十亿倍，乘或除这么大的一个数字很难把握。所以可以用对数来表示。在射频中，只需知道有关对数的两样东西。其一，对数是两个值的比值；其二，该比值的单位为分贝(dB)。定义如下:
10*lg(输出功率/输入功率)

分贝数学表达

正如上面所提及的，如果放大器的输出信号是输入信号的100倍，那么该放大器的增益为100。或者使用上面介绍的公式，这个放大器的增益为20dB。常用的两种dB转换:
+3dB指的是两倍大(乘以2)
+10dB指的是10倍大(乘以10)
-3dB指的是减小到1/2(除以2)
-10dB指的是减小到1/10(除以10)
dB只能进行加或减，不能乘或除，简单的分贝转换：
如果信号经历的增益为4000(变大4000倍)，那么增益为多少dB?
4000 = 10 * 10 * 10 * 2 * 2
4000 = 10dB + 10dB + 10dB + 3dB + 3dB = 36dB
4000增益等效于36dB增益。
射频的世界里只处理dB，所需要做的是，进行加加减减就足够了。

3.带宽

带宽是描述频率范围的方法，它等于器件或应用中最高频率和最低频率的差值，所以需要两个频率值来定义带宽。例如，如果一个器件能容纳从75MHz到125MHz之间的所有频率，那么它的带宽就是50MHz。有时带宽也用百分比来表示，它等于实际带宽除以上下频率的平均值。工作在75MHz到125MHz的设备有50%的带宽，计算结果有
(125MHz-75MHz)/((125MHz+75MHz)/2)*100% = 50%
带宽和数据承载能力(数据速率)有直接关系。无线系统的带宽越宽(即频率范围越大)。在一定时间内所承载的数据就越多，所以数据速率就越高。

倍频和十倍频
带宽的另外两个术语就是：倍频和十倍频。倍频和十倍频来源于对数算法，其中倍频指2倍大，十倍频指10倍大。如果器件的上边频是下边频的2倍大，那么器件具有倍频带宽。例如，器件工作在100MHz到200MHz之间就具有倍频带宽。

4.宽带和窄带

射频器件都可以归为两类：窄带(窄的带宽)或宽带(宽的带宽)。窄带和宽带的区别没有严格规定，一般设备带宽小于50%就是窄带，大于50%就是宽带。器件的带宽越宽，所容纳的频率越多，但是它的成本就越高，操作性能就越差，插入损耗就越多。设计射频电路时，在容纳所有要求的频率的情况下，要尽量使用带宽最窄的器件。设计正好容纳需要的频率范围，不要包含更多的频率。

5.环境中的射频

趋肤效应

射频信号不是存在于导体中，就是以波的形式存在于空气中。当射频信号存在于导体，即任何金属上时，它只是挂在金属物体表面。射频信号所呈现的这种行为称为趋肤效应。

自由空间损耗

一旦射频信号逃离导体边界，飞翔在空气中，它们将经受所谓的自由空间损耗。接收机离发射机越远，所接收到的信号就越小，原因就是自由空间损耗。当离发射机越来越远时，接收到射频能力就越来越少，该值的单位是瓦特每平方米，称为功率密度。功率密度是空气中传播的信号强度的度量，射频领域内会经常用到它。

吸收

如果自由空间损耗值不大，几乎射频信号在空气中传播所遇到的任何东西，都会使射频信号发送一定形式的变化。这种变化归为两种：变小或者改变传播方向。
射频所遇到的大部分事物都是使射频信号变得更小。包括空气，雨，玻璃等障碍物，这些事物所表现出来的插入损耗称为吸收。吸收正好解释了微波炉是如何工作的。微波炉内辐射水容易吸收的某个频率的射频信号。当射频信号遇到水时，信号变得越来越小，水就变得越来越热。这就是为什么没有水的东西在微波炉里无法变热的原因。

反射

不是所有东西遇到射频波后都要吸收射频能量。有些东西遇到射频后改变射频信号的方向，这种方向的改变称为反射。大致上，射频信号会以遇到物体时相同的角度反射回去。
很多物体至少会将部分射频信号反射。反射值与两个因素有关：射频频率和物体的材料。有些材料只是以一定程度反射射频信号，如混凝土。而其他材料会发生完全反射，如金属。
当射频信号遇到材料时，射频能量或者被完全吸收(如水)，或者被部分吸收部分反射(如混凝土)，或者完全被反射(如金属)。

6.匹配

50欧姆的含义

射频的标准尺寸是50欧姆。欧姆是阻抗的度量单位，它描述射频信号通过导体的困难程度。任何物体的阻抗都以它的物理尺寸和材料类型来规定。因为第二次世界大战期间，军队需要连接一些碰巧是50欧姆的天线，后来称为RG 58。就电缆而言，75欧姆的性能更佳(即衰减更小)。因为它是近期开发的，75欧姆是用于有线电视的阻抗。相应地，现在有两种阻抗标准：射频用50欧姆和视频用75欧姆。对于低功率或低频率(<300MHz)来说，连接50欧姆和75欧姆的物体不会有什么问题，但在高频或高功率时，需要阻抗匹配电路。

VSWR

VSWR是描述匹配情况的数字度量，匹配越好，泄漏越小。

VSWR	含义
1.0:1	完美匹配，没有泄漏的软管，不可能制成
1.4:1	优良匹配，很小泄漏，通常作为设计目标
2.0:1	良好匹配，可接受的泄漏量
10:1	可怕的匹配
无穷大：1

回波损耗

有一个直接的公式可以将VSWR换算成dB，VSWR越大，回波损耗越小。

VSWR	回波损耗
1.0:1	无穷大
1.4:1	15.6
2.1:1	9.5
10:1	1.7
无穷大:1	0

不良匹配的后果

当射频能量开始沿着来时的方向返回时，称为放射。由于没有完美匹配，经常会有一些射频信号被反射。通常，被反射的射频能量很小而不被注意。在匹配很差的情况下，大部分射频能量被反射，发送射频能量的设备会爆炸，通常这种很差的匹配会被发现。

阻抗匹配

在射频电路设计中经常会遇到不得不连接两个匹配很差的东西(一个导体和器件)。例如，导体可能大小(阻抗)很适合(50欧姆)，但是它所连接的器件阻抗为100欧姆。这种连接将导致匹配很差，大量功率被反射，电路也不能很好地工作。可将阻抗匹配电路50欧姆阻抗变成100欧姆阻抗，这样就可以很好匹配。阻抗匹配电路有很多种，但他们的目的相同：将某些射频器件的阻抗变为50欧姆。

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