射频电路与天线（华南理工金品公开课）学习笔记--绪论
1.1 电磁场与电磁波回顾
电磁场 = 电场 ＋ 磁场
电磁波≠电场波＋磁场波 => 时变、空变的电场与时变、空变的磁场相互转化形成电磁波
(认识事物：间接观察与抽象思维 =>麦克斯韦将电磁波抽象为数学公式、库伦定律、磁场）
电磁波的路:特定的产生和导引电磁波的结构称电磁波的路。
射频频段的电路称为射频电路。
1.2 射频(Radio Frequency)定义
是无线电频谱中占据某一特定频段的电磁波。
广义射频的频率范围:30MHz-30000Hz(10m-0.1mm)
狭义射频的频率范围:30MHz-3GhHz(10m-0.1m) 注:没有确定范围
微波(Microwave):300MHz-3000GHz（1m-0.1mm）
1.3 射频特点
①频率高=>好处：频率高，信息的容量大。因为通信系统中相对带宽
通常为一定值，所以频率f越高，越容易实现更大的带宽
，从而信息的容量就越大
微波传输？接力通信：地面上多个微波传送塔
②波长短(
)
原因：天线与射频电路的特性是与其电尺寸
相关的。在保持特性不变的前提下，波长
越短，天线和电路的尺寸
就越小，因此，波长短有利于电路的小型化。
雷达系统工作在微波？ 目标的雷达散射截面（RCS）也与目标的电尺寸成正比。在目标尺寸一定的情况下，波长越小，RCS就越大。
③大气窗口
地球电离层对大部分无线电波呈反射状态，但在微波波段存在若干窗口(甚高频[30M-300M]及以上电磁波可以穿透电离层)=>卫星通信、射频天文望远镜的应用
④分子谐振
各种分子、原子和原子核的谐振都发生在微波波段，这使得微波在基础科学、医学、遥感和加热等领域有独特的应用=>微波炉(微波波段和水分子谐振频率一样)、微波治疗仪
一些典型应用：
⑤射频的波长与自然界物体尺寸相比拟
在射频相邻低端以下的频段，波长比物体尺寸长很多，可以采用集总模型研究
在射频相邻高端以上的频段，波长比物体尺寸小很多，可以采用几何光学研究
当波长与物体的尺寸相比拟时，电磁波波动性呈主流，因此，必须采用电磁场理论和分布模型研究
简单理解集总参数电路和分布参数电路：
低频电路对应集总参数电路，此类电路导线上每个位置的电压和电流是相同的。
随着频率的提高，信号的传输不再是电压和电流，而是依靠电场和磁场传播，电磁场被锁定在导线和参考地之间。由于具有这种高频效应，若等效为电路的话，导线上各个位置处的电压不同（周期重复点除外），各个位置的电流也不同，这种情况下称为分布参数电路，导线称为传输线。
z注：一个电路应该作为集总参数电路，还是作为分布参数电路，或者说，要不要考虑参数的分布性，取决于其本身的线性尺寸与表征其内部电磁过程的电压、电流的波长之间的关系。
1.4 常规电路元件的射频特性
常用电路元件：电阻R、电容C、电感L、连接元件的导线
当频率较低时，R、L、C分别对应热能、磁能、电能集中的区域，用“集总”原件表征。此时R、L、C基本为常数，不随频率变化，导线也相当于与频率无关的短路线段。
在射频波段，由于导体的趋肤效应，介质损耗效应，电磁感应等的影响，器件区域不再是单纯能量的集中区，而呈现分布特性。
1.4.1 长线概念
考虑导线上传输交变电流i，变化规律为：![i(t,z)=I{_{0}}cos(wt-\beta z+\phi _{0})=I_{0}cos[2\pi (\frac{t}{T}-\frac{z}{\lambda })+\phi _{0}]](http://img.e-com-net.com/image/info8/c2670d2eb11d467ebef04d7d31cab60c.gif){kind=small}
其中:
对于f1=50Hz(照明交流电),f2=1GHz(GSM蜂窝电路)，f3=10GHz(X波段雷达)
从i的变化规律公式来看，当波长>>z时，i与导线的长度无关
如下图对于1m的导线上电流变化
通常把射频导线（传输线）称为长线，传统的电路理论已不适合长线。
1.4.2 导体的趋肤效应
对于交流电流，导体周围产生磁场，磁场又产生电场。而电场形成与原电流相反的电流密度。在导体中心处，这种效应最强烈，致使导体中心的电流密度明显减小，随着频率的增高，电流趋于导体表面，即趋肤效应。
高频时，导体损耗会增大，并具有电感效应，纵向电流密度沿导体径向的分布规律为：
趋肤深度: 
，与频率、磁导率、电导率有关
在高频条件下，电阻和电感为:
，a为导体半径
高频电阻与直流电阻之比恰好等于导体截面积与趋肤深度面积之比。
高频电感电抗等于高频电阻值。
趋肤深度示意图
1.4.3 高频电阻
由于高频效应，高频时电阻R将会出现引线电感、引线电阻、极间电容、引线间电容等
标称值为R的电阻R的电阻的等效电路为：
注：通常趋肤效应引起的电阻和引线间电容可以忽略
【例】计算长为2.5cm,半径为a=2.032x10-4m的铜导线连接的500电阻的高频电阻的阻抗特性，极间电容为5pF。
1.4.4 高频电容
对于面积为A，间距为d，填充介电常数为的电介质的平板电容在低频时为：
高频时，除了引线电感和引线电阻外，电介质变得有耗，产生高频介质电导率，损耗电导为：
于是，平板电容变成了C与电导的并联，并联导纳:
损耗角正切(损耗角正切指的是电容器的有功功率P与无功功率Q的比值):
损耗角正切反映了位移与传导电流的比例。
考虑引线电感L，引线电阻Rs和介质损耗电导，平板电容的等效电路为：
1.4.5 高频电感
电感通常是由导体线圈构成，在高频，线圈除了具有电感外，还有高频电阻和线圈导体间的寄生电容。等效电路如下：
可以看出，电感变为RLC谐振器。
1.5 微波发展简史
1864年，麦克斯韦发表了麦克斯韦方程，从理论上预测了电磁波的存在。
1887年，赫兹用实验证实了电磁波的存在。
1990年，Marconi首次实现了穿越大西洋的无线电通信。
1931年，英法之间建立了第一条微波通信线路。
1935年，英国开始雷达研究。
1938年，速调速管出现。1940年，研究出磁控管。这位雷达提供了大功率源。
1940年，第一台10cm波长雷达问世。
1945年，磁控管用于微波加热，诞生微波炉。
1963年，发射了第一颗同步通信卫星。
70年代，雷达、卫星通信、微波中继通信成为微波应用的主要领域，并迅速扩展到微波加热和微波遥感等领域。同时，RFIC(射频集成电路)、MIC开始迅速发展。
80-90年代，移动通信。
如今:微波、射频应用几乎深入了各类领域，我们身边随处可见：手机、蓝牙、无线上网，卫星电视、GPS定位与导航、RFID(射频识别)等。
1.6 其他
射频系统通常由以下几类器件组成:
传输线（transmission line）：传输射频信号的器件。
无源器件（passive component）：完成射频信号和功率的分配、控制和滤波等功能的装置，没有进行射频能量与其他能量（如直流）的转换,如滤波器、阻抗匹配器、功分器和耦合器等。
有源器件（active device）：产生、放大、变换微波信号和功率的装置，一般要将微波能量与其他能量进行转换。
天线（antenna）：辐射或接收电磁波的装置。