482
如果你注意觀察周邊的現(xiàn)實(shí)世界，你會發(fā)現(xiàn)，其實(shí)射頻已經(jīng)深入到人類生活的方方面面，深入到我們衣食住行的每一個(gè)單元中。比如一覺醒來，打開手機(jī)，利用手機(jī)的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)了一個(gè)早餐，等到早餐送來的時(shí)候，用微波爐加熱了一下，然后來到公司，打開電腦，連接公司的WiFi，開啟這一天的工作。這里面一個(gè)其主要作用的就是射頻，它雖然無聲無形，但是卻與我的生活工作形影不離。
無論是遠(yuǎn)在天邊的朋友，還是深入太空的空間站，我們都可以通過射頻來連接。在這個(gè)萬物互聯(lián)的時(shí)代，我們射頻人就是這個(gè)IoT的建設(shè)者。
射頻是模擬的一部分，但是射頻又不能完全采用模擬電路設(shè)計(jì)的那一套方法來做，射頻有自己的特點(diǎn)，也應(yīng)該有自己的設(shè)計(jì)方法，今天我們就一起來復(fù)習(xí)一下射頻設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識。
下面是一個(gè)可能不太準(zhǔn)確的等式，給出了電磁波的速度與波長和頻率之間的關(guān)系。
我們今天就從這個(gè)公式談一下射頻設(shè)計(jì)中的一些注意事項(xiàng)。
№1?頻率 f
如果說什么才是射頻設(shè)計(jì)的最主要特點(diǎn)，那一定是頻率。離開頻率來談射頻設(shè)計(jì)，那簡直就是天方夜譚，所以可以發(fā)射的頻率就是他的名字了，英語也比較直接 Radio Frequency，簡稱RF。
為了紀(jì)念第一個(gè)讓電磁波飛起來的人——德國科學(xué)家Heinrich Rudolf Hertz，我們就用他的姓氏作為頻率的單位——Hertz，簡稱赫，符號 Hz。
但其實(shí)頻率的定義很簡單，就是每秒鐘周期性變動(dòng)重復(fù)的次數(shù)，比如說1Hz，就是每秒鐘重復(fù)1次，而1GHz，就是每秒鐘重復(fù)1000000000次。
還好前輩們發(fā)明了比0更好用的東西，比如kHz，MHz，GHz，THz等等，要不然每次數(shù)零就能累夠嗆。但是當(dāng)?shù)搅?a class="article-link" target="_blank" href="/baike/506487.html">頻率計(jì)算的時(shí)候，千萬不要數(shù)錯(cuò)0 啊，這里透露一個(gè)小技巧，k是3個(gè)零，M是6個(gè)零，G是9個(gè)零，T是12個(gè)零，它們之間的關(guān)系每次多3個(gè)零，這個(gè)和老外的數(shù)字習(xí)慣有關(guān)系。
所以射頻頻率就包括了這么多，嚴(yán)格地說，直流信號是頻率為0Hz的信號，而我們家用電的頻率是50Hz，調(diào)幅廣播的頻率在526.5KHz到1606.5KHz，調(diào)頻廣播頻率在88MHz到108MHz，數(shù)字電視的頻率分為VHF頻段（48.5MHz-223MHz）和UHF頻段（470MHz-566MHz和606MHz-798MHz），而移動(dòng)通信則通常在600MHz到5GHz之間的一些頻段等等等。
對于目前射頻技術(shù)的發(fā)展，有一個(gè)比較關(guān)鍵的方向就是頻率越來越高，毫米波，亞毫米波，太赫茲的應(yīng)用會越來越多。
下圖是電磁波頻譜的一些主要應(yīng)用，應(yīng)用越來越廣，頻譜資源也越來越少，越來越擁擠，互相的干擾就越來越大，設(shè)計(jì)難度也越來越大。
所以呢，射頻頻譜這么一個(gè)稀缺的不可再生資源就成了大家互相爭搶的對象，不能隨便爭搶啊，那么就亂套了。所以呢，各國對于頻率資源都有嚴(yán)格的管理，國際范圍內(nèi)也有專門的機(jī)構(gòu)來管理頻率資源，比如我國的無委會（無線電委員會），現(xiàn)在改名為工業(yè)和信息化部無線電管理局，就是專門負(fù)責(zé)編制無線電頻譜規(guī)劃；負(fù)責(zé)無線電頻率的劃分、分配與指配；依法監(jiān)督管理無線電臺（站）；負(fù)責(zé)衛(wèi)星軌道位置協(xié)調(diào)和管理；協(xié)調(diào)處理軍地間無線電管理相關(guān)事宜；負(fù)責(zé)無線電監(jiān)測、檢測、干擾查處，協(xié)調(diào)處理電磁干擾事宜，維護(hù)空中電波秩序；依法組織實(shí)施無線電管制；負(fù)責(zé)涉外無線電管理工作。
國際上更有很多知名的無線電管理結(jié)構(gòu)來負(fù)責(zé)整個(gè)射頻頻譜的規(guī)劃，使用等，比如國際電信聯(lián)盟ITU，屬于聯(lián)合國的專門機(jī)構(gòu)，負(fù)責(zé)全球無線電資源的管理分配；
美國聯(lián)邦通信委員會FCC屬于美國國會下面的一個(gè)專門的政府機(jī)構(gòu)，負(fù)責(zé)美國頻譜的管理使用；
歐盟郵電管理委員會CEPT是一個(gè)涉及商業(yè)、運(yùn)營、監(jiān)管和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化問題合作的組織。CEPT負(fù)責(zé)創(chuàng)建了歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會ETSI，并分為電子通信委員會（ECC）、歐洲郵政監(jiān)管委員會（CERP）和國際電聯(lián)政策委員會（Com-ITU）三個(gè)主要部分。
當(dāng)然還有很多，這里就不一一介紹了。
所以這里也就引出了射頻設(shè)計(jì)的第一件事兒，你不僅要確定產(chǎn)品的頻率，還要根據(jù)這些頻率去各個(gè)無線電管理局網(wǎng)站上查找他們所需要滿足的性能指標(biāo)。
№2 波長 λ
在自由空間中，電磁波的速度就是光速c，科學(xué)家們對光速的測量越來越準(zhǔn)確，在國際單位制中，光速的準(zhǔn)確值為
當(dāng)然這個(gè)值在射頻設(shè)計(jì)中，不需要這么精確了，可以記作30萬千米每秒，或者300百萬米每秒，這樣結(jié)合頻率單位MHz（百萬赫茲），我們就可以快速估算出電磁波的波長。
比如
頻率為3MHz， 波長為 100m；
頻率為300MHz， 波長為 1m；
頻率為3GHz， 波長為 10 cm；
頻率為30GHz， 波長為 1 cm；
這樣在射頻設(shè)計(jì)中，如果需要計(jì)算與波長相關(guān)的量的時(shí)候，就可以快速評估出來長度，比如四分之一波長變換器，二分之一波長諧振器等等。然后通過仿真優(yōu)化就可以快速得到設(shè)計(jì)結(jié)果了。
除此之外，射頻設(shè)計(jì)中，要特別注意一些與工作波長（或者二分之一波長）比較接近的結(jié)構(gòu)，比如空腔，比如非匹配傳輸線，這些結(jié)構(gòu)的本征諧振頻率會比較靠近工作頻率，常常會給設(shè)計(jì)帶來重大的災(zāi)難。
№3 光速 c
最后我們簡單聊一下光速c，雖然大多數(shù)情況下，我們都可以假定電磁波的速度是三十萬千米每秒，但其實(shí)在空氣中，或者我們所設(shè)計(jì)的PCB中，電磁波的速度是變化的。
光速是一個(gè)與介質(zhì)的磁導(dǎo)率u和介電常數(shù)e相關(guān)的一個(gè)量，不同介質(zhì)的磁導(dǎo)率和介電常數(shù)是不同的，因此光速也是不同的。
只有在自由空間或者真空中，光速才可以約等為三十萬千米每秒。
而在介質(zhì)中，都要在這個(gè)基礎(chǔ)上除以相對介電常數(shù)er的根。
比如在PTFE材料中，電磁波的速度大約是自由空間光速的c/1.414, 而在FR4中，電磁波的速度大約只有光速的一半。
速度減小了，頻率又不變，那么能變化的只有波長了。所以，在介質(zhì)材料中，電磁波的波長也是受到相對介電常數(shù)影響的，這個(gè)在設(shè)計(jì)評估中也會經(jīng)常用到。
小結(jié)
其實(shí)很多復(fù)雜的系統(tǒng)，都來源于一個(gè)個(gè)非常簡單的器件組合。抽絲剝繭，發(fā)掘設(shè)計(jì)最深處的東西，這樣才會做的更好。
