射频基础
前言
什么是射频？
射频（Radio Frequency，简称RF）指的是电磁波谱中的一部分，通常指频率范围在1GHz到300GHz之间的电磁波，包括UHF（超高频）、SHF（超级高频）和EHF（极高频）频段，这些频段广泛应用于现代通信系统，如移动电话、卫星通信和雷达。
通信：微波频段支持移动电话网络、卫星通信和Wi-Fi等。
雷达：用于交通控制、导航和速度测量。
工业：微波炉和工业加热。
科学：通过射电天文学研究宇宙射线。
射频设备和电路的设计非常注重信号的稳定性和传输效率，通常需要特定的技术来减少信号的损耗和干扰。
一、射频理论基础
1.1 微波
微波：波长<0.5m
波长简单来说就是波在介质种完成一个完整周期所需的长度
微波的波长（λ）、频率（f）和光速（c）之间的关系可以通过以下公式表示：
波长公式：
\[λ=\frac{c}{f}\]其中： λ 是波长，单位为米（m） f 是频率，单位为赫兹（Hz） c 是光速 3×10^8m/s
频率越高，波长越短，这就解释了为什么在高频率下，传统的电阻等元件会表现出不同的特性。例如，在微波频率下，电阻的引线可能表现为电感性，这是由于趋肤效应的影响。表面效应是指高频信号在导体的外层传播，导致能量集中在导体的表面，增加了电感性反应。
二、常用射频和微波术语
2.1 分贝（dB）：
分贝（dB）是一个对数单位，用于表示功率或电压的比率。功率的分贝表示为：
\[dB=10\log_{10}\left(\frac{P_{2}}{P_{1}}\right)\]其中 $P_{2}$ 和 $P_{1}$ 是功率值，单位为瓦特。
在电压的情况下，分贝表示为：
\[dB=20\log_{10}\left(\frac{V_{2}}{V_{1}}\right)\]3dB的变化表示功率的加倍或减半，10dB的变化表示功率的10倍变化。
2.2 反射系数（Γ）：
反射系数描述了传输线与负载之间的阻抗不匹配时的反射情况。其定义为反射电压与入射电压的比值：
\[\Gamma=\frac{Z_{L}-Z_{0}}{Z_{L}+Z_{0}}\]其中$Z_{L}$是负载阻抗，$Z_{0}$是传输线的特性阻抗。
三、传输线理论
什么是传输线？
传输线是信号或功率从一个点传输到另一个点的媒介。常见的传输线有同轴电缆、微带线和条形线。
在高频情况下，传输线有其特征阻抗（$Z_{0}$），可以通过单位长度的系列电阻（R）、电感（L）、电容（C）和导电（G）等参数来描述。
驻波与电压驻波比： 当负载阻抗与传输线的特性阻抗不匹配时，会产生反射，形成驻波。电压驻波比（VSWR）是衡量反射的一个指标，计算公式为：
\[VSWR=\frac{1+\lvert\Gamma\rvert}{1-\lvert\Gamma\rvert}\]其中，Γ是反射系数。VSWR为1表示完美匹配（无反射），较高的值则表示不匹配。
四、S参数
什么是S参数？
散射参数（S参数）用于描述高频电路的行为，特别适用于射频网络。S参数有助于表征如放大器、滤波器和天线等元件。常见的S参数包括： S11 和 S22：表示输入和输出端口的反射。 S21：表示信号通过设备的增益（正向传输）。 S12：表示反向传输的隔离性。
史密斯图（Smith Chart）常用于可视化S参数和解决阻抗匹配问题。
五、功率测量
峰值功率与RMS功率：
功率与电压的平方成正比（除以阻抗）：
\[P=\frac{V^2}{R}\]对于时变信号，使用均方根（RMS）功率来表示其”直流等效”值，并代表信号传递的功率。
六、总结
微波和射频技术是现代通信系统、雷达以及各类工业应用的基础。理解诸如分贝、传输线理论、S参数等关键概念对于设计和优化这些系统至关重要。使用工具如史密斯图，工程师可以分析和优化射频元件，确保功率传输的效率和最小的信号损失。