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电磁波基础——射频是干什么的

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射频为什么难学?   因为概念抽象复杂   

          

·电磁场与波的可视化:射频技术中的电磁场和电磁波是抽象的概念,很难直接观察和理解,需要借助数学模型和仿真工具来进行分析和研究,这对于初学者来说具有一定的难度。

·射频参数的理解:射频领域中有许多独特的参数,如驻波比、反射系数、插入损耗、回波损耗等,这些参数的含义和相互关系较为复杂,需要花费时间去理解和掌握。

涉及多学科知识  

          

·高频电路理论:与低频电路不同,射频电路中的元件特性会随频率发生显著变化,如电感、电容的寄生参数效应明显增强,传输线效应不可忽略等,这使得电路分析和设计变得复杂,需要掌握高频电路的特殊分析方法和设计技巧。

   

PCB到高频不仅仅是一个有内阻的传输线

·信号处理知识:射频信号通常需要进行调制、解调、编码、解码等处理,涉及到数字信号处理和通信原理等方面的知识,要求学习者对信号处理的算法、协议等有深入的理解。

以上种种,射频总是让人望而却步。

那么射频有没有什么更好的学习和理解方法?

射频是什么?  

          

理解一个问题,从底层开始理解学理论知识往往比较困难,对与工程设计来说我们重点在用。所以我们要从用的角度去理解它。    

1.首先我们需要的信号也就是基带信号,频率比较低,基带信号的频率较低,通常在几十HZ-几千Hz的范围内,这样的信号在空气中传播时会发生较快的衰减,导致传输距离受限。

          

2.信号在空气中传播要利用电磁转换,将电信号转变为电磁波信号,而这个转变需要天线。天线的长度与电磁波的波长有关,波长(λ)等于光速(c)除以频率(f),即:         
λ = c / f
通常天线的长度应大于等于波长的四分之一。基带信号的波长较长,因此所需的天线尺寸也会非常大,这在实际应用中是不现实的。

3.容易受干扰,如果信号都集中在基带频率,那么频率会出现大量的拥挤,互相干扰。

          

所以就出现了射频传输,天线尺寸更小,频率更宽。射频其实就是将有用信号搬到了更高的频率上,实现了更方便、安全、有效的传输。

雷达也一样,需要较短的波长实现更高的分辨率。

从通俗的角度来说,射频就是一个通道,更快捷传输的通道。将信号比作人,不同频率的射频就是不同速度的交通工具(有的是汽车、有的是高铁、有的是飞机),最终的目的就是将人运输到目的地。

总之:射频就是一个载体,搭载基带信号(调制),将基带信号传输到目的地(电磁传输),然后就完成使命(解调)

              

射频做什么?  

既然射频是一个工具,那么它的任务就是无损传输信号。但是实际上运输过程怎么会没有损耗?

信号经过射频通道只会恶化SNR,所以我们要尽可能的降低损耗——减小SNR的恶化。

²恶化的过程有射频自身的。

寄生参数(电感、电容、PCB走线)

传输不匹配带来的(做不到完全匹配)

电路器件带来的(幅度不平、相位抖动、压缩、混频杂散、噪声)

²恶化的过程有外界引入的。

外部电磁干扰源众多,例如附近的无线电发射设备、电机、开关电源等。这些设备产生的电磁波会耦合到射频通道中,造成干扰。    

射频怎么做?  

综上:基带信号只要进了射频链路就会恶化SNR,所以要尽可能的减少射频链路对信号SNR的恶化。因此一切目的为了保SNR服务。

1.匹配,减少信号的反射,匹配的原则就是围绕smith绕圆,弄不懂圆图也没关系,记着电感,电容绕圈的规则,而微带线、短截线就是值比较小的电容电感

2.减小寄生参数的影响

电感、电容到了高频就仅是电感和电容,就会呈现其他特性*左图为理想电感,右图为实际电感    

到了微波毫米波,所需电感、电容太小,已经无法用集总参数实现,这个时候就会出现微带电容电感

   

正常的的PCB走线按照走线的阻抗设计布线就可以,到了射频(微波、毫米波)就会出现寄生参数,对于微波毫米波零点几pf电容就会产生较大的谐振影响。

所以随着频率的走高,走线规则要考虑到寄生参数引起的电容电感对电路的影响。    

3.频谱搬移、滤波

因为射频电路中会出现自身电路、外界干扰的影响,所以为了降低此类干扰的影响就出现了频谱搬移、滤波等,混频器、滤波器、放大器就是射频主支路的关键构成器件。

而耦合器、环形器、检波器等器件主要是为了完善电路中的某种功能而出现。

射频技术理论虽然复杂抽象,但只要我们掌握了正确的学习方法,从工程实用的角度出发,理解射频技术的本质和任务,就能够理解射频要做什么。    



来源:射频通信链
寄生参数电源电路汽车通信理论电机
著作权归作者所有,欢迎分享,未经许可,不得转载
首次发布时间:2025-07-28
最近编辑:13小时前
匹诺曹
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smith圆图的奥秘

一、Smith圆图——射频世界的导航图在射频领域,Smith圆图就像一张神奇的导航图,指引着工程师们前行。无论是设计天线,还是优化信号传输,Smith圆图都是不可或缺的好帮手。想象一下,设计5G基站天线时,工程师们希望天线和馈线完美匹配,让发射机的功率全部发出去。这时,Smith圆图就像老朋友一样,默默助力找到最佳阻抗匹配方案。在手机内部复杂的射频电路中,信号需要在元件间顺畅传输,Smith圆图也能帮忙调整电路参数,把信号损耗降到最低。它到底有啥魔力,在射频界地位这么高?咱们一起来揭开它的神秘面纱。二、Smith圆图的诞生Smith圆图诞生于1939年,发明者是菲利普·史密斯,贝尔电话实验室射频部门的牛人。他从塔夫茨学院毕业后,在RCA和贝尔实验室深耕射频领域多年。据说,史密斯处理传输线问题时,常被复杂计算搞得头疼。传统方法费时费力,还容易出错。一次研究阻抗匹配时,他盯着满纸公式和数据发呆,想:有没有更直观、便捷的方法呢?反复琢磨后,他创造性地把反射系数、阻抗等参数画成了图。这一想法,让晦涩的传输线计算变得一目了然,给射频工程师开了扇新大门。三、Smith圆图的构成(一)等电阻圆与等电导圆:稳定基石等电阻圆是Smith圆图的基石,展示了电阻的稳定特性。每个圆代表固定电阻值,像一圈圈跑道。看到某个圆,就知道它代表的电阻,影响电流和信号传输。等电导圆从电导角度看电路特性,圆心在实轴上,电导越大,圆越小。处理并联元件时,等电导圆就派上用场,帮工程师直观了解电导变化,优化电路性能,确保信号顺畅传输。 (二)等电抗圆与等电纳圆:虚实变幻等电抗圆和等电纳圆像舞者,在Smith圆图上演绎电抗和电纳的变化。等电抗圆反映电抗变化,上半圆感性,下半圆容性。等电纳圆是电抗的“镜像”,上半圆容性,下半圆感性。分析复杂电路时,这两组圆互相交织,让工程师迅速判断电路是感性还是容性,精准调整参数。(三)反射系数族群:信号反射的“晴雨表”反射系数族群在Smith圆图上很重要,像信号反射的“晴雨表”。反射系数是反射波和入射波电压之比,复数形式,以同心圆呈现。圆心反射系数为0,代表理想匹配,信号无阻传输;半径越大,反射系数越大,半径最大时,所有入射波都被反射。通过观察反射系数圆和等电阻圆、等电抗圆的交点,能快速判断电路匹配程度。反射系数还和电压驻波比(VSWR)有关,是衡量传输线匹配性能的关键指标。在Smith圆图上,能估算VSWR值,评估传输线状态,确保信号高效稳定传输。四、Smith圆图的区域特性(一)感性与容性的分界Smith圆图上,上半圆和下半圆是分界线,上半圆感性,下半圆容性。接入电感,阻抗轨迹顺时针向上;接入电容,阻抗轨迹逆时针向下。一眼就能看出电路电抗性质,为调整参数提供依据。(二)阻抗的渐变“光谱”沿着电阻轴看Smith圆图,电阻值像光谱一样逐渐增大。所有圆周在实轴上交于一点,最大圆代表纯电抗。点在圆图上移动,每转一周,电长度变化一定值,像射频宇宙中的奇妙旅程。这为精准把握电路电阻特性提供了指引。 五、元器件在Smith圆图上的“舞步”(一)串联器件的顺时针旋转 串联电感时,电感感抗为正,电抗增大,阻抗点顺时针沿等电阻圆移动,像登山者稳步向上。串联电容时,电容容抗为负,电抗减小,阻抗点逆时针移动,像顺水行舟。(二)并联器件的逆时针律动并联电感或电容时,用导纳圆图观察。并联电感,导纳虚部减小,阻抗点逆时针沿等电导圆移动,像舞者翩翩起舞。并联电容,导纳虚部增大,阻抗点顺时针移动,像开启新大门。六、Smith圆图实战:阻抗匹配的艺术(一)阻抗匹配的意义阻抗匹配像桥梁,连接信号源和负载,确保能量高效传输。不匹配时,能量反射,降低效率,影响系统稳定。匹配时,能量顺畅传输,发挥最佳性能。(二)实战案例假设有射频电路,源阻抗、负载阻抗、传输线特性阻抗已知,工作频率也给定。归一化阻抗后,在Smith圆图上找到对应点。由于负载阻抗呈容性,先并联电感,使阻抗点逆时针移动到接近圆心;再串联电容,使阻抗点顺时针到达圆心附近,实现匹配。这样操作后,功率传输效率大大提高,信号反射减少,电路稳定运行。七、结语Smith圆图历经多年,仍是射频领域的经典工具。从基础电路设计到前沿技术,都展现出强大适应性。深入研习Smith圆图,是探索射频世界的关键。随着科技进步,Smith圆图将不断进化,为射频领域注入新动力。希望这篇文章能照亮您探索Smith圆图的道路,期待您在评论区分享见解和经验,咱们一起破浪前行! 来源:射频通信链

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