高頻微波技術 - 射頻電路原理及應用

1、什麼是射頻電路？或者問RF是什麼?

射頻簡稱RF，射頻即射頻電流，是一種高頻交流電磁波的縮寫。每秒變化小於1000次的交流電稱為低頻電流，大於1000次的稱為高頻電流，而射頻就是這種高頻電流。

射頻電路是指以與電路或設備的大小相同的數量級來處理信號的電磁波長的電路。這時，由於器件尺寸與導線尺寸的關係，電路需要用分佈參數理論來處理。這種電路可視為射頻電路，對其頻率沒有嚴格要求。例如遠距離傳輸的交流輸電線路（50或60Hz）有時需要用RF理論來處理。

二、射頻電路原理(RF 原理)及發展

射頻電路最重要的應用領域是無線通信。圖A是典型無線通信系統的框圖。下面以本系統為例，分析射頻電路在整個無線通信系統中的作用。

圖 A：典型射頻系統框圖

這是一個無線通信收發器的系統模型，它包括發射電路、接收電路和通信天線。該收發器可用於個人通信和無線局域網。在本系統中，數字處理部分主要是對數字信號進行處理，包括採樣、壓縮、編碼等，然後通過A/D轉換器將模擬形式轉化為模擬信號電路單元。

模擬信號電路分為發射部分和接收部分兩部分。

發射部分的主要作用是：將DA轉換輸出的低頻模擬信號和本振提供的高頻載波通過混頻器上變頻為射頻調製信號，射頻信號輻射到通過天線的空間。接收部分的主要作用是：空間輻射信號通過天線耦合到接收電路，接收到的微弱信號經低噪聲放大器放大，本振信號下變頻為包含中頻信號的信號組分通過混合器。濾波器的作用是濾除有用的if信號，然後輸入A/D轉換器將其轉換為數字信號，再進入數字處理部分進行處理。

接下來，將針對圖 a 的框圖中的低噪聲放大器 (LNA) 討論通用 RF 電路的組成和特性。

圖B為該放大器的電路板圖，以TriQuint公司的tga4506-sm為例。請注意，輸入信號通過匹配濾波器網絡輸入到放大器模塊。一般情況下，放大器模塊採用晶體管共發射極結構，其輸入阻抗必須與低噪聲放大器前面的濾波器的輸出阻抗相匹配，以保證最佳的傳輸功率和最小的反射係數。這種匹配是射頻電路設計所必需的。另外，LNA的輸出阻抗必須與後端混頻器的輸入阻抗相匹配，這樣才能保證放大器的輸出信號可以完全無反射地輸入到混頻器中。這些匹配網絡由微帶線和有時獨立的無源器件組成。然而，它們在高頻下的電氣特性與低頻下的電氣特性有很大不同。從圖中還可以看出，微帶線實際上是具有一定長度和寬度的覆銅帶，微帶線與薄層電阻、電容和電感相連。

圖 B tga4506-sm PCB 佈局

在電子學理論中，當電流流過導體時，導體周圍會形成磁場；當交流電通過導體時，導體周圍會形成交變電磁場，稱為電磁波。

當電磁波頻率低於100kHz時，電磁波會被表面吸收，不能形成有效傳輸。但是，當電磁波的頻率高於100kHz時，電磁波可以在空氣中傳播並通過大氣外緣的電離層反射，形成遠距離傳輸能力。我們將具有遠距離傳輸能力的高頻電磁波稱為射頻。高頻電路基本上由無源元件、有源元件和無源網絡組成。高頻電路中使用的元件的頻率特性與低頻電路中的不同。高頻電路中的無源線性元件主要是電阻（電容）。

在電子技術領域，射頻電路的特性不同於普通的低頻電路。主要原因是高頻條件下的電路特性與低頻條件下的特性不同，所以我們需要藉助射頻電路的理論來理解射頻電路的工作原理。在高頻時，雜散電容和雜散電感對電路影響很大。雜散電感存在於導體連接和元件本身的內部自感中。電路的導體之間以及元件與地之間存在雜散電容。在低頻電路中，這些雜散參數對電路的性能影響不大。隨著頻率的增加，雜散參數的影響越來越嚴重。在早期的VHF波段電視接收機中，雜散電容的影響如此之大，不再需要增加額外的電容。

此外，射頻電路存在趨膚效應。與直流電不同的是，電流在直流狀態下流過整個導體，而在高頻下流過導體表面。因此，高頻交流電阻大於直流電阻。

高頻電路中的另一個問題是電磁輻射的影響。隨著頻率的增加，當波長與電路尺寸12相當時，電路就變成了輻射體。此時，電路之間、電路與外部環境之間會出現各種耦合效應，從而導致許多干擾問題。這些問題在低頻時通常是無關緊要的。

隨著通信技術的發展，通信設備的使用頻率與日俱增。射頻 (RF) 和微波 (MW) 電路廣泛用於通信系統。高頻電路的設計一直受到業界的特別關注。新型半導體器件使高速數字系統和高頻模擬系統不斷擴展。微波射頻識別系統（RFID）的載波頻率為915MHz和2450MHz；全球定位系統（GPS）的載頻為1227.60mhz和1575.42MHz；個人通信系統中的射頻電路工作在1.9GHz，可以集成到更小尺寸的個人通信終端中；4GHz上行包括在C波段衛星廣播通信系統通信鏈路和6GHz下行通信鏈路中。通常，這些RF電路的工作頻率在1GHz以上，隨著通信技術的發展，這種趨勢還會繼續。但是，它不僅需要特殊的設備和裝置，還需要直流和低頻電路中所沒有的理論知識和實踐經驗。