射频是什么?
电(电压或电流)有直流和交流之分。在通信应用中,用作信号传输的一般都是交流电。交流会有频率,即每秒中的会有多少个周期,而频率的单位为赫兹Hz, 它是每秒钟的周期性变动重复次数的计量。例如右圖电流波形,在1秒内有四个周期,则其频率为4 Hz。
任何无线通信系统都会被划分到专属的频段,这个频段就是占据一定频率范围的频谱。广义的来讲,国际上是把频率范围在3 kHz到300 GHz的频谱就称射频。
在电子学理论中,电流流过导体,导体周围会形成磁场;交变电流通过导体,导体周围会形成交变的电磁场,称为电磁波。在电磁波频率低于100 kHz时,电磁波会被地表吸收,不能形成有效的传输,但电磁波频率高于100 kHz时,电磁波可以在空气中传播,并经大气层外缘的电离层反射,形成远距离传输能力。我们把具有远距离传输能力的高频电磁波称为射频。射频技术在无线通信领域中被广泛使用。
射频是一种高频电磁波,如同可见光、红外线一样,属于一样频率范围内的电磁波。无线通信电子设备以电磁波的形式通过天线以一定的频率发射到空中,或者从空中接收电磁波,达到传递信息和通信的目的。
波长越长,频率就会越低,穿透性越强,但指向性就会较弱;
波长越短,频率就会越高,指向性也会更强,但相对穿透能力也就会弱。
射频频谱和频段
射频频谱分为多个频段,每个频段都有各自的特定应用
射频频率从甚高频 VHF(30~300MHz),到超高频 UHF(300~3000MHz),微波频率则为3~300GHz。波长为毫米数量级的信号,通常被称为毫米波。
射频组件
射频系统通常由一系列组件组成,每个组件都旨在执行特定任务:
发射机:产生射频信号的设备
接收机:接受射频信号的设备
天线:用于发送和接收 RF 信号
放大器:用于增加 RF 信号的功率
滤波器:允许特定频率范围内的信号通过并衰减其他频率信号的设备
混频器:用于改变信号的频率
振荡器:以特定频率产生波形的设备
发射机工作原理
发射机就是可以将信号按一定频率发射出去的装置,是一个比较笼统的概念,它广泛应用与电视,广播,通信,报警,雷达,遥控,遥测,电子对抗等各种民用、军用设备。发射机按调制方式可可分为调频(FM),调幅(AM),调相(PM)和脉冲调制四大类。
发射机的原理是将调制后的信号经过功率放大、频率合成和天线辐射等过程,最终转化为电磁波并传输到接收端。在实际的无线通信系统中,发射机的设计和调试需要综合考虑调制技术、功率放大器的选择和设计、频率合成技术以及天线的设计和布置等方面的因素。除了以上提到的原理,发射机的稳定性、抗干扰能力、功耗和尺寸等也是需要考虑的重要因素。
接收机工作原理
接收机 (Receiver) 通常是指接收电磁波信号并将其转换为可用于其他设备的信号的装置。接收机的主要作用是将传输信号从信号源(例如天线或卫星)中接收并放大,解调、过滤和放大信号,在最终输出到扬声器、显示屏或其他设备前,对该信号进行处理和调整。
接收机从本质上说是发射机的反向实现,但在设计上更为复杂。接收机首先把输入的射频信号下变频为中频信号,然后进行解调。解调信号和恢复原始数据的能力通常难度较大。发射信号经常被空气噪声、信号干扰、多径或衰落等因素影响而遭到损坏。
接收机的工作原理是通过一个天线或探头将电磁信号转换成电信号。接收机可以被分为两类,即模拟接收机和数字接收机。模拟接收机使用模拟电路来从天线中接收和放大信号,而数字接收机将接收信号数字化以进行处理。接收机通常包括滤波器、放大器、混频器和解调器等元件。
射频应用领域
射频技术具有广泛的应用范围,包括但不限于:
无线通信:射频用于各种无线通信系统,例如移动电话、Wi-Fi 和蓝牙。
广播:电视和无线电广播是 RF 的主要应用。
雷达系统:射频波用于雷达系统以检测远处物体的位置和速度。
卫星通信:射频波用于卫星和地球之间的数据传输。
医疗应用:某些医疗设备(例如 MRI 机器和射频消融设备)使用射频波。
射频信号测试
如何使用示波器、网络分析仪和频谱分析仪测试射频信号?
测试射频电路需要专用工具,如示波器、网络分析仪和频谱分析仪。
使用示波器进行射频测试示波器是电气工程师的重要工具,使他们能够直观地看到电信号随时间的变化。它们通常用于:
监测信号质量
检测信号中的噪声或失真
测量信号幅度、频率和相位
射频的未来
由于技术的进步和对无线通信日益增长的需求,射频领域正以前所未有的速度发展。塑造射频工程未来的趋势包括:
5G和6G:5G和6G的发展需要射频技术的进步。
物联网 (IoT):越来越多的物联网设备需要创新的射频解决方案来实现高效通信。
软件定义无线电 (SDR):SDR将通过在系统设计中提供灵活性和成本节省来彻底改变射频工程。
5G技术主要聚焦在三大领域:增强型移动宽带(eMBB)、超可靠低延迟通信(URLLC)以及大规模机器类通信(mMTC)。而6G则将超越这些范畴,致力于构建一个更全面、沉浸式的通信架构,以灵活适应和满足各种网络需求,同时努力降低成本、维护费用和服务时间。6G的几个核心技术,包括新频谱技术、人工智能与机器学习网络、数字孪生以及新网络拓扑结构。