射频工程师笔记---认识无线电波

前言

写在开头，成功的RF设计必须仔细注意整个设计过程中每个步骤及每个细节，这意味着必须在设计开始阶段就要进行彻底的、仔细的规划，并对每个设计步骤的进展进行全面持续的评估。由于网络上面的资源比较分散、缺少针对性，同时为了避免设计笔记的丢失与遗忘，我会从网上以及各大供应商网站整理一些射频方面知识，便于自己查找。

一、认识无线电波

无线电波以每秒三十万公里的速度离开发射天线后，经过不同的传播路径到达接收点。人们根据这些各具特点的传播方式，把无线电波归纳为四种主要类型：

1、地波，这是沿地球表面传播的无线电波。

2、天波，也即电离层波。地球大气层的高层存在着“电离层”。无线电波进入电离层时其方向会发生改变，出现“折射”。因为电离层折射效应的积累，电波的入射方向会连续改变，最终会“拐”回地面，电离层如同一面镜子会反射无线电波。我们把这种经电离层反射而折回地面的无线电波称为“天波”。

3、空间波，由发射天线直接到达接收点的电波，被称为直射波。有一部分电波是通过地面或其它障碍物反射到达接收点的，被称为反射波。直射波和反射波合称为空间波。

4、散射波，当大气层或电离层出现不均匀团块时，无线电波有可能被这些不均匀媒质向四面八方反射，使一部分能量到达接收点，这就是散射波。在业余无线电通信中，运用最多的是“天波”传播方式，这是短波远距离通信的必要条件。空间波和散射波的运用多见于超高频通信，而地波传播常见于低波段和近距离通信。

二、无线电波的传输

无线电波是一种能量传输形式，在传播过程中，电场和磁场在空间交替变换，向前行进，且电场和磁场方向始终垂直于传播方向。

三、射频简介

射频，简称RF(Radio Frequency)，主要指发射的无线电波，多应用于无线通信，是传输信息的载体。

四、频率划分与应用

1、频率是一种资源，类似于水、电、气。频率的使用受到严格管制，每个国家和地区明确规定不同频段的用途。

2、 ISM频段，指Industry(工业)、 Science（科研）和Medical（医疗）频段，可以不需要申请免费使用，但最大发射功率有限制。每个国家的ISM频段并不一样， 2.4GHz为各国所共用的ISM频段。在我国， ISM频段有315MHz、 433MHz、 2.4GHz、5.8GHz等频段。

五、常见的波段代号

六、无线电波传输特点

1、电波传输环境非常复杂。

• 当电波传输时遇到比波长大很多的物体时，就会发生反射，反射发生在地球表面、建筑物和墙壁表面等光滑界面处。

• 当电波的传播路径被尖锐的边缘阻挡时，电波会发生绕射。虽然电波 无法直接到达接收机的天线，接收机仍然可以接收到电波信号。

• 当电波穿行的介质中存在小于波长的物体时，并且单位体积内阻挡物    个数还比较多时就会发生散射，散射产生于小物体、粗糙表面和不规则 物体等，在实际的通信系统中，树叶、道路标记和灯柱都会引起散射。

• 电波以直射方式（即所谓的视距方式）在低层大气中传播，由于低层大气并非均匀介质，会产生折射和吸收现象。无线电台收到的信号是多个直射波和反射波组成的多径信号，多径信号造成的结果是信号严重衰落，无线通信中必须克服它们所造成的影响。

2、电波传输环境不断变化，通信的信道是变参信道。周围的环境和地形不断变化会引起电波传输环境变化。

3、传播环境被电磁噪声污染，比如汽车点火系统、工业电磁污染和蓬勃发展的广播和无线通信。

4、低频波长较长，穿透能力弱，路径损耗小，绕射能力强，覆盖面积大。高频波长较短，穿透能力强，绕射能力差，覆盖面积小。

七、无线电波传输损耗

无线电传输会产生三种不同的损耗：

1、路径传播损耗，又称为衰耗，指电磁波在宏观大范围（即公里级）空间传播所产生的损耗，反映了传播在空间距离的接收信号电平的变化趋势。计算公式：

L0=32.45dB+20lg(f)+20lg(D)-Gt(dB)-Gr(dB)

其中D传播距离为Km；F发射频率的单位为MHz；Gt是发射天线增益，单位为dB；Gr是接收天线增益，单位为dB。

2、大尺度衰落损耗：由于在电波传播路径上受到建筑物及山丘等的阻挡所产生的阴影效应而产生的损耗，反映了中等范围内数百波长量级接收电平的均值变化而产生损耗，一般遵从对数正态分布，其变化率较慢又称为大尺度衰落。

3、小尺度衰落损耗：主要是由于多径传播而产生的衰落，反映微观小范围内数十波长量级接收电平的均值变化而产生的损耗，其变化率比慢衰耗快，又可以划分为：空间选择性衰落、频率选择性衰落、时间选择性衰落。选择性是指在不同的空间、频率、时间，其衰落特性是不一样的。

八、多径传输

电磁波经不同路径传播后，各分量场到达接收端时间不同，按各自相位相互叠加而造成干扰，使得原来的信号失真，或者产生错误。

接收信号的场强的瞬时值如果呈快速变化则称为短期（快）衰落。短期衰落由多径传播和移动台的运动所引起，所以也称为多径衰落。场强中值变化有两种可能：

1、在多径传播中，假设有N个多径信道， 它们之间彼此独立，且没有哪一个多径占支配地位，即接收信号是多个反射信号的组合， 衰落很深。接收信号包络的变化服从瑞利（Rayleigh）分布。

2、在接收的信号中，如果存在一个起支配作用的直射波，即未明显受到衰落的影响，那么衰落较浅。接收信号包络的变化服从赖斯（Ricean）分布。

九、多径效应之时延扩展

在多径传播条件下，接收信号会产生时延扩展。时延扩展定义为最大传输时延和最传输时延的差值，即最后一个可分辨的时延信号和第一个时延信号到达的时间差值。实际上就是脉冲展宽的时间。

冲击响应引入了一个评估由于衰落信道引起的时延扩展的重要衰落参数， 描述了一个信道输入脉冲（狄拉克脉冲， Dirac Pulse）在时间上的平均展宽。时延扩展的计算实际上是标准方差的计算，其中传播时延t作为随机变量，而平均信号功率P则是t的概率密度函数。

时延扩展的倒数是相干带宽。衰落信道的冲击响应在时域上越宽，时延扩展越大，相干带宽则越小。当时延扩展大于传输信号的符号周期时，它会导致符号间干扰(ISI) 。由于足够大的ISI会明显地限制无线信道的最大符号率， 表现出低通行为，其截止频率约等于最大传播时延的倒数。从另外一个角度看，当发送信号的带宽小于相干带宽时，接收信号就会经历平坦衰落过程，即各频率分量的衰落是相关的，衰落的波形不失真，反之，信号通过信道传输后各频率分量的变化是不一致的，会引起波形失真， 这种衰落被分类为频率选择性衰落。

十、多径效应之多普勒效应

从频域上分析，不同路径的信号到达接收机时相互干涉，造成接受信号相对发送信号产生频移，我们称之为多普勒效应。接收信号频率公式f=fc+fc*v/c*cosr，其中，fc为信号发送频率，v为移动台速度，c为电磁波传播速度，r为移动台移动方向与移动台和基站视向的夹角，多普勒频移的计算公式为fd= fc*v/c*cosr。