1.3 射频微波概念与应用

1.3.1 无线电频谱的划分

在现代无线通信与雷达等电子系统中，人们常常提到射频和微波这两个专业术语，但通常对其不严格区别，以至于混为一谈。因此，对于刚刚涉足无线电领域的科技工作者（特别是学生）而言，这种行业内术语的“滥用”现象给他们带来了很大的困惑和不解。因此，本书有必要一开始就将这两个名词加以辨析，以明正视听。严格来讲，射频和微波这两个名词实际上涉及无线电信号的频谱划分问题。下面将首先介绍无线电信号的频段分配情况。

在现代电子电路中，如果信号发生了辐射，其实质是信号已变成了能够在空间进行传播的电磁波。电磁波不仅仅包括无线电信号，还包括红外光、可见光、紫外光、X射线、γ射线等。在分析这类无线电信号之前，让我们先看看电磁频谱。为了方便起见，电磁频谱总是被分成若干频段（见图1.6）。电磁频谱从非常低的频率连续变化，通过可见光到X射线和γ射线区。ELF频率低至25~100Hz，美国海军将其用于潜水艇通信。非常低频区（VLF）为10~100kHz，低频区（LF）为100kHz~1MHz，中波或中频区为1~3MHz，调幅（AM）广播频段为540~1630kHz，它跨越了LF和MF频段。

图1.6 电磁频谱的划分

高频（HF）区也称为短波（SW）区，频段为3~30MHz，VHF频段为30~300MHz，该频段内包含有调频广播频段，公用业务、一些电视广播站、航空和业余无线电频段。甚高频（UHF）段为300~900MHz，包含有VHF频段同样的业务，微波区域开始于UHF频段的末端，即900MHz或1000MHz（1GHz），它依赖于大众的认可。“射频”一词来源于英文单词Radio Frequency（RF），直接翻译过来就是“无线电频率”，但行业内通常将其转译为“射频”，意为“发射频率”。由于广义的“射频”概念所指的频率比较宽，常常与“微波”频率发生交叠，因此，为了方便起见，通常射频信号是指在30MHz到4GHz这样一个频率范围。也就是说，我们通常所指的射频主要包括了VHF、UHF以及微波低频段。

大家可能会问这个问题：为什么微波处于电磁频谱的这一段？在现代电子电路的研究中，微波总是一个单独的课题，因为在这些频率上，波长λg已处于普通电子元件尺寸的同一量级。这样，电子元件的电气特性不同于在低频时的特性。例如，在微波频段，0.5W的金属薄膜电阻，其频率响应像RLC网络，而且L、C具有分布参数，因此，测量得到的实际电阻完全不同于器件的标称值R。第二次世界大战期间，英美军队就已在雷达及其他应用方面使用了微波，为了安全与保密，他们使用英文字母来代表微波频段，这个传统沿用至今。表1.1给出了IEEE和工业界频段划分的标准命名。

表1.1 IEEE和工业界频段划分的标准命名

本书讨论的信号频率涵盖了射频和微波频段，并涉及集总RLC元件以及分布式传输线元件的理论、设计及应用。

1.3.2 射频微波应用

如今，无论你是在家还是在外出中，我们每一个人都在使用无线电技术的设备，且这种趋势在不断增加。图1.7给出了无线通信、导航、识别以及探测等各种应用。

未来，我们将高频技术的元件与系统应用到新型领域的趋势将日益增长。这类系统的开发与维护需要对基本元器件（如电阻、电容、电感、传输线、晶体管以及天线）以及电路（如滤波器、放大器和混频器）等的高频特性进行广泛理解，同时还包括了诸如电磁波传播之类的物理问题。

在无线电应用领域，尽管最近由于快速数字电路使得射频设计方法已经开始发展成为一种重要因素，但是高频技术一直是非常重要的方面。由于数字电路日益增加的处理速度，所以，高频信号的出现反过来也引发了对射频设计方法的需求。

另外，高频技术对电磁场理论的近似是与电磁兼容（EMC）是一致的。这里考虑的传导和辐射测量是基于高频技术原理的。如果器件并不满足电磁兼容的限制，通常，需要对环境进行仔细分析，以便改进。在这里，高频技术常常起到重要作用。

表1.2给出了大量的射频与微波典型应用以及它们的相关频段范畴。这些应用涉及以蜂窝与无线通信网络为基础的陆上语音和数据通信，以及陆上和基于卫星的广播系统。ISM频段内的射频识别（RFID）系统则在货运及物流业务领域变得越来越流行。至于导航领域，GPS应该是应用最广泛的，它已经被安装在大量的交通工具和移动设备中。同时，在汽车行业以及雷达系统中，GPS还用于监测周围环境或者用作驾驶辅助系统的传感器。

图1.7 射频微波应用

表1.2 射频与微波典型应用与频率范围