频段划分&学习射频知识的意义

一、射频电路设计与低频电路设计的不同点
随着频率提高，相应电磁波的波长与变得可与分立电路元件的尺寸相比拟时，电阻、电容和电感这些元件的电响应，将偏离他们的理想频率特性。以 WIFI 2.4G 频段为例，当频率为 2437MHz，介电常数为 4.2 时，波长为 60mm。严格来说，在本科学习的普通基尔霍夫类型的电压和电流定律等分析工具，只能应用于 DC 和低频集总参数系统，包括有电阻器、电容器和电感器组成的网络，而应用
于有电磁波传播发挥作用的电路就失灵了。
集总参数电路（Lumped circuit）：电路元件的尺寸远小于电磁波的波长，电路的所有参数，如阻抗、容抗、感抗都集中于空间的各个点、各个元件上，各点之间的信号是瞬间传递的，这种理想化的电路模型称为集总参数电路。
分布参数电路（Distributed circuit）：电路元件的尺寸与电磁波相当，相邻两点的电位和电流各不相同，这时分析电路必须考虑其分布参数，这样的电路称为分布参数电路。
一个电路是作为集总参数电路还是分布参数电路，主要考虑的是器件尺寸与电磁波波长的关系，一般我们将尺寸大于 1/6 波长的电路视为分布参数电路，小于 1/6 波长的电路视为集总参数电路。
二、频段划分
由于不同频段的电磁波其传播距离和电路特性不一样，对频谱进行划分是很有必要的。第一次划分是由美国国防部在第二次世界大战期间和战后初期针对工业部门和政府机构提出的，当今最通用的频谱分段法是由电气和电子工程师学会（ IEEE ）建立的，如表（ 1）所示。射频（ Radio Frequency）频率范围通常是指从 VHF 到 S 波段，即 30M~4GHz；微波（Microwave）频率范围已
与传统的雷达系统相联系，工作在 C 波段及其以上的波段。
基于802.11协议的WLAN工作在两个频段，分别是2.4G频段（2.412-2.484GHz）和5G频段（5.15-5.285GHz）。其中11abg工作在2.4G频段、11ac在5G频段，11n则这两个频段都有覆盖。

三、无源元件的射频特性
频率加大后不仅要考虑器件尺寸，还要考虑电路的寄生参数和趋肤效应，所以无源器件在射频频段表现出来的特性与在低频是很不相同的。当频率比较低时，电阻 R 与频率无关，而电容和电感的阻抗分别与频率成反比和正比，甚至可以把电容看成开路、电感看成短路。但频率加大后，不仅导线、线圈和平板之间的电阻、电感和电容，甚至单根直导线或印刷电路板（PCB）上的一段敷铜带所具有
的电阻和电感也都与频率有关。
下面对趋肤效应进行介绍。以半径为 a，长度为 l，电导率为σ cond 的圆柱形铜导体 DC 电阻如式（1）所示。

对于 DC 信号，传导电流流过整个导体横截面。但频率升高时，就要考虑到趋肤效应。由于交变的电荷载流子流动形成了一个交变磁场，该磁场感应了一个电场，与该电场相关联的电流密度与原始的电流相反，在中心 r=0 处该效应最强，所以导体中心处的电阻明显地增加，随着频率的提高，电流趋向于导体外表面，此时电阻如式（2）所示：

δ表示导体的趋肤深度，如式（3）所示

f 为频率， μ为磁导率。式（3）表明频率越高，趋肤深度越小；式（2）表明电阻增加与横截面内的趋肤面积成反比。所以频率越高，电阻越大。
四、高频电阻的射频特性
现在 RF 和 MW 电路中应用最广泛的是薄膜片状电阻，该类电阻由于尺寸能做得非常小，所以可以作为表面安装器件（SMD），电阻射频频段的电路模型如图（2）所示。两个电感 L 模拟引线，电容Ca模拟电荷分离效应，电容Cb模拟引线间电容。当和标称电阻相比较时，引线电阻常常被忽略。

对于绕线电阻模型更加复杂，如图（3）所示。绕线电阻相当一个线圈，L1 表示线圈电阻的电感。引线间的电容C2 （或图中的Cb ）通常远小于内部的或寄生的电容，在许多情况下可以忽略。
下图是一个阻值为 500Ω 金属膜电阻的阻抗的绝对值与频率的关系。

绕线电阻电路模型

电阻 VS 频率
五、高频电容的射频特性
射频电路中，片状电容应用很广泛，可用于滤波器调谐，匹配电路，有源元件如晶体管的偏置电路等。
工作在低频时，容值如下式所示，其中 A 代表平板面积， d 代表平板间的距离。

工作在高频时，电容的电路模型如图（5）所示。其中 C 表示平板电容，Re表示了高频下传导电流导致的损耗，L和Rs分别表示引线产生的寄生电感和寄生电阻。随着频率变化，理想电容和实际电容的阻抗变化如下图所示。

高频电容的电路模型

电容阻抗 VS 频率
六、高频电感的射频特性.
射频电路中，电感通常用于匹配网络、晶体管偏执网络等，例如，器件工作在 DC 电压条件下，RF 线圈（RFC）作为短路线。电感通常将导线在圆柱体上绕制而成，从前面的讨论可以知道，绕制的线圈不仅代表电感，还有由导体本身自带的电阻，除此之外相邻线段间有分离的移动电荷，寄生电容的影响也会上升，如图（ 7）所示。射频电路中电感的电路模型如图（ 8）所示。图（9）表示了理想电感和实际电感随频率变化，阻抗的变化情况。