了得網工業技術_射頻與微波工程：無線通信基礎

內容簡介

本書對無線通信領域涉及的射頻與微波工程做了基礎性和實用性的介紹，通過強調傳輸線、電路與器件和電波傳播的物理本質來揭示廣泛的射頻/微波主題。主要內容包括電磁波、傳輸線、無源電路、天線以及電波傳播等。本書不僅涵蓋了廣泛的射頻微波概念，而且還列舉了大量與工程實踐緊密相關的課題。作者將業界廣泛使用的射頻與微波設計工具，如電路仿真器、電磁仿真器和計算機可視化的史密斯圓圖應用於各種電路/器件的分析與設計，以闡明在射頻/微波工程實踐中如何利用這些工具和方法來卓有成效地處理和解決各種難題。

作者簡介

Gustrau 博士1967年生於德國Bochum，分別於1993年和1997年獲得德國Ruhr-Bochum大學電氣工程專業碩士和博士學位。1993年至1997年，任Ruhr-Bochum大學高頻技術研究所研究助理。1997年至2003年，任德國Kamp-Lintfort IMST 公司高級研究工程師。自2003年以來，任德國多特蒙德大學應用科學與藝術學院的教授。Gustrau教授已經獨著和合著多部涉及射頻工程和電磁兼容領域的學術專著和教材。

第1章引言1
1.1 射頻與微波的應用1
1.2 頻段2
1.3 高頻中的物理現像4
1.3.1 電短傳輸線4
1.3.2 大於十分之一波長的傳輸線5
1.3.3 輻射與天線6
1.4 後續章節概述7
參考文獻8
第2章電磁場與波9
2.1 電場和磁場9
2.1.1 靜電場9
2.1.2 穩態電流和磁場14
2.1.3 差分矢量算子18第1章引言1

1.1 射頻與微波的應用1

1.2 頻段2

1.3 高頻中的物理現像4

1.3.1 電短傳輸線4

1.3.2 大於十分之一波長的傳輸線5

1.3.3 輻射與天線6

1.4 後續章節概述7

參考文獻8

第2章電磁場與波9

2.1 電場和磁場9

2.1.1 靜電場9

2.1.2 穩態電流和磁場14

2.1.3 差分矢量算子18

2.2 麥克斯韋方程18

2.2.1 時域差分形式19

2.2.2 時諧相關的差分形式20

2.2.3 積分形式21

2.2.4 要素關繫和材料特性22

2.2.5 邊界條件24

2.3 電磁問題的分類25

2.3.1 靜態場25

2.3.2 準靜態場26

2.3.3 耦合電磁場26

2.4 趨膚效應27

2.5 電磁波29

2.5.1 波動方程與平面波29

2.5.2 波的極化33

2.5.3 反射和折射34

2.5.4 球面波39

2.6 小結40

2.7 習題41

參考文獻42

拓展閱讀42

第3章傳輸線理論及其瞬態信號43

3.1 傳輸線理論43

3.1.1 傳輸線的等效電路43

3.1.2 電報方程44

3.1.3 傳輸線上的電壓和電流波46

3.1.4 終端加載的傳輸線48

3.1.5 輸入阻抗50

3.1.6 無損傳輸線51

3.1.7 低損傳輸線53

3.1.8 不同終端的傳輸線54

3.1.9 無損傳輸線的阻抗變換60

3.1.10 反射繫數61

3.1.11 史密斯圓圖63

3.2 傳輸線上的瞬態信號67

3.2.1 階躍函數67

3.2.2 矩形函數74

3.3 眼圖75

3.4 小結77

3.5 習題77

參考文獻78

拓展閱讀78

第4章傳輸線與波導79

4.1 概述79

4.2 同軸線81

4.2.1 特殊的電感和特征阻抗81

4.2.2 低損傳輸線的衰減83

4.2.3 頻率範圍85

4.2.4 應用領域86

4.3 微帶線87

4.3.1 特征阻抗和有效介電常數87

4.3.2 色散與頻率範圍89

4.3.3 應用領域90

4.4 帶狀線90

4.4.1 特征阻抗91

4.4.2 頻率範圍91

4.5 共面線92

4.5.1 特征阻抗和有效介電常數93

4.5.2 地平面上的共面波導93

4.5.3 共面波導和空氣橋94

4.5.4 頻率範圍95

4.5.5 應用領域95

4.6 矩形波導96

4.6.1 電邊壁之間的電磁波96

4.6.2 主模（TE10）98

4.6.3 高階模102

4.6.4 應用領域102

4.6.5 波導模式的激勵103

4.6.6 腔體諧振103

4.7 圓波導105

4.8 雙導體傳輸線108

4.8.1 特征阻抗108

4.8.2 應用領域109

4.9 三導體傳輸線109

4.9.1 奇偶模109

4.9.2 特征阻抗和傳播常數111

4.9.3 奇偶模的傳輸線終端113

4.10 習題113

參考文獻114

第5章散射參數115

5.1 多端口網絡描述115

5.2 歸一化功率波116

5.3 散射參數與功率118

5.4 網絡特性的S參數描述120

5.4.1 匹配120

5.4.2 復共軛匹配121

5.4.3 互易性122

5.4.4 對稱性123

5.4.5 無源和無損電路123

5.4.6 單向電路124

5.4.7 三口網絡的特征124

5.5 S參數的計算124

5.5.1 反射繫數124

5.5.2 傳輸繫數125

5.5.3 去歸一化127

5.6 信號流方法128

5.6.1 單口網絡/負載終端129

5.6.2 源130

5.6.3 雙口網絡130

5.6.4 三口網絡130

5.6.5 四口網絡131

5.7 S參數的測量133

5.8 習題136

參考文獻137

擴展閱讀138

第6章件與電路139

6.1 集件的等效電路139

6.1.1 電阻器139

6.1.2 電容器141

6.1.3 電感器141

6.2 傳輸線諧振器143

6.2.1 半波諧振器143

6.2.2 四分之一波長諧振器145

6.3 阻抗匹配146

6.3.1 LC網絡146

6.3.2 件匹配電路148

6.4 濾波器151

6.4.1 經典LC濾波器設計152

6.4.2 巴特沃爾斯濾波器153

6.5 傳輸線濾波器159

6.5.1 邊緣耦合線濾波器159

6.5.2 發夾線濾波器164

6.5.3 階梯阻抗濾波器164

6.5.4 寄生腔體諧振165

6.5.5 波導濾波器166

6.6 環形器167

6.7 功分器169

6.7.1 威爾金森功分器169

6.7.2 不等分功分器170

6.8 分支線耦合器172

6.8.1 常規3dB耦合器172

6.8.2 不等分分支線耦合器174

6.9 鼠環耦合器175

6.10 定向耦合器176

6.11 平衡-不平衡電路178

6.12 電子電路179

6.12.1 混頻器181

6.12.2 放大器和振蕩器183

6.13 射頻設計軟件184

6.13.1 射頻電路仿真器184

6.13.2 三維電磁仿真器184

6.14 習題187

參考文獻188

擴展閱讀189

第7章天線190

7.1 基本參數190

7.1.1 近場和遠場190

7.1.2 各向同性輻射器192

7.1.3 輻射模式及其相關參數192

7.1.4 阻抗匹配和帶寬196

7.2 天線的標準類型197

7.3 赫茲偶極子的數學處理199

7.4 線天線202

7.4.1 半波偶極子202

7.4.2 單極子205

7.4.3 減天線高度的概念205

7.5 平面天線206

7.5.1 矩形貼片天線207

7.5.2 圓極化貼片天線211

7.5.3 平面偶極子和倒F天線213

7.6 天線陣列214

7.6.1件輻射模式和陣列因子214

7.6.2 相控陣天線217

7.6.3 波束形成221

7.7 現代天線概念222

7.8 習題223

參考文獻223

拓展閱讀224

第8章無線電波的傳播225

8.1 傳播機理225

8.1.1 反射和折射225

8.1.2 吸收226

8.1.3 衍射226

8.1.4 散射227

8.1.5 多普勒效應228

8.2 基本的傳播模型230

8.2.1 自由空間的損耗230

8.2.2 空氣的衰減232

8.2.3 平面地球損耗233

8.2.4 點對點無線鏈路235

8.2.5 分層介質237

8.3 路徑損耗模型238

8.3.1 多徑環境239

8.3.2 雜波因子模型240

8.3.3 奧村-哈塔（Okumara-Hata）模型241

8.3.4 物理模型和數值方法242

8.4 習題244

參考文獻244

拓展閱讀244

附錄A245

A.1 坐標繫245

A.1.1 笛卡兒坐標繫245

A.1.2 圓柱坐標繫246

A.1.3 球坐標繫247

A.2 對數描述248

A.2.1 無量綱的量248

A.2.2 相對和**比248

A.2.3 鏈路預算249

附錄B 術語中英對照表250

前言

代序
無線技術已經成為人們日常生活不可分割的一部分，無線數字通信、無線網絡融入了每個人的生活，手機上網隨處可見。工業、農業、航空航天領域更是離不開無線技術，雷達、導航、空間探測、遙感技術、射頻識別，乃至地震、地質災害預測等等都離不開無線技術。無線技術的基礎——射頻和微波工程則成為電子工程、通信工程、網絡工程等專業的一門必修課程，更是該領域工程師們的基本技能。
在無線技術領域為了更好地利用寶貴的電磁頻譜，設計更加有效率的天線，一直使用相對高的載波頻率。毫無疑問，這些頻率範圍占據了射頻到微波頻段。不僅如此，人們會發現現代高速數據的傳輸速率達幾百兆比特/秒，甚至更高。這樣高的傳輸速率已經完全跨入了射頻頻率範圍。產生、處理、傳輸這樣的數據的相關電路技術已進入了射頻、微波領域。數字電路設計工程師面臨新的挑戰：數據傳輸需要更加精細的處理，必須考慮傳輸線的時延、失配和傳輸線向外輻射而引起的互相耦合問題件之間的互耦、寄生參數帶來的影響等問題必須納入高速數字電路設計中考慮。因此，現代高速數字電路已經邁入射頻與微波電路領域。代序

無線技術已經成為人們日常生活不可分割的一部分，無線數字通信、無線網絡融入了每個人的生活，手機上網隨處可見。工業、農業、航空航天領域更是離不開無線技術，雷達、導航、空間探測、遙感技術、射頻識別，乃至地震、地質災害預測等等都離不開無線技術。無線技術的基礎——射頻和微波工程則成為電子工程、通信工程、網絡工程等專業的一門必修課程，更是該領域工程師們的基本技能。

在無線技術領域為了更好地利用寶貴的電磁頻譜，設計更加有效率的天線，一直使用相對高的載波頻率。毫無疑問，這些頻率範圍占據了射頻到微波頻段。不僅如此，人們會發現現代高速數據的傳輸速率達幾百兆比特/秒，甚至更高。這樣高的傳輸速率已經完全跨入了射頻頻率範圍。產生、處理、傳輸這樣的數據的相關電路技術已進入了射頻、微波領域。數字電路設計工程師面臨新的挑戰：數據傳輸需要更加精細的處理，必須考慮傳輸線的時延、失配和傳輸線向外輻射而引起的互相耦合問題件之間的互耦、寄生參數帶來的影響等問題必須納入高速數字電路設計中考慮。因此，現代高速數字電路已經邁入射頻與微波電路領域。

射頻與微波領域覆蓋了很寬範圍的主題，從大的方面分可分為有源電路和無源電路。本書主要討論無源射頻和微波電路，與我國這方面的教材和著作不同，它還包含該領域重要的內容——天線，這是該書鮮明的特點。本書的另一特點是：基本概念非常清晰，而且從與以往不同的方面去闡述，有些提法非常新穎而且有趣，可以從煩瑣的MAXWELL方程中解脫出來。即使長期從事該領域的老技術人員讀起本書來也會耳目一新，對人有所啟發。

張玉興教授和陳會副教授長期從事射頻、微波電路的教學與科研工作，在無線電接收和發射繫統、固態功率放大器、高線性大動態接收機、功率放大器線性化技術、高穩定頻率源等領域有所建樹。張玉興教授在2000年成立成都賽英科技有限公司，經過十幾年的努力，成為上述幾個領域集科研與生產為一體的機構。張玉興教授在2013年由電子工業出版社出版了一部著作《射頻與微波晶體管功率放大器工程》，並且有幸成為成都寶通天宇電子科技有限公司的顧問，因為該公司主要從事射頻與微波晶體管功率放大器的科研開發和生產。特別要提到的是，該公司研發的UHF和S波段的前饋功率放大器已批量生產，裝備有關單位，其指標達到了國際同類產品的先進水平。

本書由電子科技大學副教授陳會博士翻譯，張玉興教授審校。本書能夠順利出版，除了得到了電子工業出版社劉海艷編輯的大力幫助外，還得到了成都賽英科技有限公司和成都寶通天宇電子科技有限公司的資助。此書的出版對無線技術領域做出了無私的貢獻，在此對譯者和電子工業出版社表示衷心的感謝。

成都賽英科技有限公司總經理易增輝

成都寶通天宇電子科技有限公司總經理王文林

前言

本書的目的主要是讓學生對射頻和微波工程的基本原理以及無線通信的物理特性有一個基本而又實用的理解。

近年來，無線技術已經引起了日益的關注，特別是在通信領域（例如數據網絡、移動電話）、射頻識別（RFID）、導航（GPS）及探測（雷達）方面。自此以後，無線電應用一直在使用相對高的載波頻率，這將有利於更好地使用電磁頻譜和允許設計更多有效的天線。基於低成本的制造工藝和現代計算機輔助設計工具，未來新的應用領域將使用更寬的帶寬。

如果我們來看一下今天的電路技術，會發現高數據率的高速數字電路到達了射頻範圍。結果是，數字電路設計師面臨新的設計挑戰：傳輸線需要更加精細的處理件之間的寄生耦合變得越來越明顯，諧振結構表現出意想不到的電磁輻射，而分布式結構可能會提供比經件更好的優點。因此，數字技術會邁向使用射頻概念的方向發展，如使用諸如傳輸線理論和基於電磁場的設計方法。

在今天的很多技術產品中，各種無線電應用和高數據率通信繫統隨處可見，比如，曾經一度認為是僅僅與機械相關的汽車行業。因此，射頻技術的基本原理在今天不再隻是一個獨立的領域，而是提供了諸如電氣工程、信息和通信技術以及機電與汽車工程等各種領域的基礎。

射頻與微波領域覆蓋了很寬範圍的主題，當然，整個內容超出了本書所關注為基礎課題的範疇。與經典電氣工程相比，高頻技術的顯著特征是其結構尺寸相對於波長而言不再是小得可以忽略不計，其結果是電波傳播過程導致典型的高頻現像：反射、諧振和輻射。因此，本書關注的中心是電波傳播及其描述、它的影響和在無源電路與天線結構中的應用。

本書將不涉及有件，像晶體管和高頻電路的整個頻譜，如放大器、混頻器以及振蕩器的設計。為了詳細處理這類問題，需要電子電路設計理論和半導體物理的基礎知識，這些主題都將超過本書的範圍。

如果我們今天來看一下概念化件和天線，將會清晰地發現：用於電子設計自動化（EDA）的軟件工具已經變成了整個設計過程的基本部分。因此，各種設計實例綜合使用了電路仿真器和電磁仿真器兩種軟件。本書使用了如下軟件工具：

安捷倫公司的ADS（先進的設計繫統）軟件；

IMST GmbH公司的Empire軟件；

安捷倫公司的EMPro軟件。

由於這些軟件產品的市場一直在變化，因此，強力推薦讀者根據自身情況找到*適合自己的產品開始研究。

在每章之後有習題以便加深讀者對於本章內容的理解，習題答案可以在如下網站找到：

*後，我滿懷感激之情：感謝我的同事和學生對於本書的出版所提供的有益建議或在課堂上的有益討論。同時，感謝我的家人對完成本書的一貫支持。

Frank Gustrau

德國多特蒙德

在線試讀

本書的目的主要是讓學生對射頻和微波工程的基本原理以及無線通信的物理特性有一個基本而又實用的理解。

近年來，無線技術已經引起了日益的關注，特別是在通信領域（例如數據網絡、移動電話）、射頻識別（RFID）、導航（GPS）及探測（雷達）方面。自此以後，無線電應用一直在使用相對高的載波頻率，這將有利於更好地使用電磁頻譜和允許設計更多有效的天線。基於低成本的制造工藝和現代計算機輔助設計工具，未來新的應用領域將使用更寬的帶寬。

如果我們來看一下今天的電路技術，會發現高數據率的高速數字電路到達了射頻範圍。結果是，數字電路設計師面臨新的設計挑戰：傳輸線需要更加精細的處理件之間的寄生耦合變得越來越明顯，諧振結構表現出意想不到的電磁輻射，而分布式結構可能會提供比經件更好的優點。因此，數字技術會邁向使用射頻概念的方向發展，如使用諸如傳輸線理論和基於電磁場的設計方法。

在今天的很多技術產品中，各種無線電應用和高數據率通信繫統隨處可見，比如，曾經一度認為是僅僅與機械相關的汽車行業。因此，射頻技術的基本原理在今天不再隻是一個獨立的領域，而是提供了諸如電氣工程、信息和通信技術以及機電與汽車工程等各種領域的基礎。

射頻與微波領域覆蓋了很寬範圍的主題，當然，整個內容超出了本書所關注為基礎課題的範疇。與經典電氣工程相比，高頻技術的顯著特征是其結構尺寸相對於波長而言不再是小得可以忽略不計，其結果是電波傳播過程導致典型的高頻現像：反射、諧振和輻射。因此，本書關注的中心是電波傳播及其描述、它的影響和在無源電路與天線結構中的應用。

本書將不涉及有件，像晶體管和高頻電路的整個頻譜，如放大器、混頻器以及振蕩器的設計。為了詳細處理這類問題，需要電子電路設計理論和半導體物理的基礎知識，這些主題都將超過本書的範圍。

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