【物联网通信技术】——射频技术

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概述

射频Radio frequency (RF)是频率范围从大约20kHz到大约300GHz的交流电流、电压、磁、电、电磁场电气或机械系统的振荡速率。通过使用天线和发射器,射频可以用于各种类型的无线广播和通信。在物联网无线通信中广泛应用到各种射频技术,这篇文章简单的讲述一些射频技术的概念。

ISM无线频段

ISM 无线电频段是国际上为工业(Industrial)、科学(Scientific)和医疗 (Medical) 目的保留的无线电频谱的一部分,不包括电信应用。通常,在 ISM 频段运行的通信设备必须能够承受 ISM 应用程序产生的任何干扰,并且用户在这些频段中不受 ISM 设备运行的监管保护。最近几年使用增长最快的是短距离、低功率无线通信系统,因为这些频段通常被批准用于此类设备,无需政府许可即可使用,否则对发射器是必需的;经常为此目的选择 ISM 频率,因为它们已经必须容忍干扰问题。无绳电话、蓝牙设备、近场通信(NFC) 设备、车库开门器、婴儿监视器和无线计算机网络( Wi-Fi) 可能都使用 ISM 频率,尽管这些低功率发射器不被视为 ISM 设备。

全球ISM频段
全球公认:2.4GHz—-2.5GHz频率为免执照ISM频段

射频名称解释

频率和波长的关系

无线电频率的测量单位是赫兹(Hz),表示当无线电波为时每秒的周期数已传输。一赫兹等于每秒一个周期。
示例:
a.频率(frequency)–每秒周期数(Hz) -例如2MHz
b.周期(Period)–完成一个周期的持续时间
c.波长(Wavelength)——波形重复的距离

射频测量单位dB

dB:分贝,两个值之差的对数(等于10倍)比。主站站点使用dB来测量发送信号能量与反射信号能量的比率。常用的经验是:功率加倍,增加3dB,功率减半,减少3dB。

如果0 dBm 代表 1 mW; 10dB = 0.01W ; 20dBm = 0.1W ; 30dBm = 1W

如果载波(参考信号)的功率为C = 0.1 mW,噪声信号的功率为S = 10 μW。

以分贝表示的参考信号功率为:

以分贝表示的噪声功率为:{\displaystyle P_{\mathrm {S} }=10\log \left({\frac {10\,\mathrm {\mu W} }{1\,\mathrm {mW} }}\right)=-20 \,\mathrm {dBm} }

dBc(相对于载波的分贝)是信号与载波信号的功率比,以分贝表示。如果该发射机输出最大600W/57.78dBm,谐波将不会大于60mW/17.78dBm!

为什么50 欧姆是电缆和天线工作最常见的标准阻抗

为什么很多射频系统或者部件中,很多时候都是用50欧姆的阻抗(有时候这个值甚至就是PCB板的缺省值) ,为什么不是60或者是70欧姆呢?这个数值是怎么确定下来的,背后有什么意义?

有两个特征影响RF信号的传输,传输功率和损耗。我们期望无线信号可以在低损耗的情况下传输的距离更远,1929年,贝尔实验室做了很多实验,最终发现符合这种大功率传输,损耗小的同轴电缆其特征阻抗分别是30欧姆和77欧姆。其中,30欧姆的同轴电缆可以传输的功率是最大的,77欧姆的同轴电缆传输信号的损耗是最小的。30欧姆和77欧姆的算术平均值为53.5欧姆,30欧姆和77欧姆的几何平均值是48欧姆。

功率与阻抗的关系
损耗/长度与特性阻抗的关系

阻抗(Impedance

在直流电路中,电流的阻力被简单地称为电阻。在交流电路中,电阻称为阻抗。也就是说,阻抗(以欧姆为单位)是对电流在包含交流电阻和交流电抗的电路周围流动的有效电阻。阻抗有“实”和“虚”两部分:

𝑅=𝑉/𝐼 𝑍=𝑉𝐶𝑂𝑀𝑃𝐿𝐸𝑋/𝐼𝐶𝑂𝑀𝑃𝐿𝐸𝑋

实阻抗–电能转化为热量(电阻),仅降低信号幅度:

实际功率将取决于V和I之间的相位:
P = VIcos(ɵ) and ɵ=0 —— P = VI

虚数阻抗——电能暂时储存在电场(电容器)或磁场(电感器)中。

电流比电压落后90°

电压比电流偏移90°

线性和非线性

线性电路指的是电路参数(电阻、电感、电容、波形、频率等)恒定的电路。换句话说,参数不随电流和电压变化的电路称为线性电路。例如:电阻和电阻电路、电感器和电感电路、电容器和电容电路。

非线性电路是一种参数随电流和电压而变化的电路。换句话说,电路参数(电阻、电感、电容、波形、频率等)不恒定的电路称为非线性电路。例如:二极管、晶体管、变压器、铁芯、电感器(当磁芯饱和时)、任何仅由理想二极管组成的电路、晶体管、变压器、铁芯电感称为非线性电路。

基波和谐波

基频:主频率(发电机频率);谐波频率:当任何输入频率信号被施加到非线性器件时,它将产生除输入信号之外的不想要的频率。如果这种多余的频率是输入频率的整数倍,则称之为谐波。

谐波和基波的关系

谐波频率是基波频率的整倍数,根据法国数学家傅立叶(M.Fourier)分析原理证明,任何重复的波形都可以分解为含有基波频率和一系列为基波倍数的谐波的正弦波分量。例如给定一个50Hz的基波波形,这意味着二次谐波频率为100赫兹(2 x 50Hz赫兹),即三次谐波可能是150赫兹(3 x 50Hz赫兹),第五个是250赫兹,第七个是350赫兹,依此类推

谐波是将交流线电压转换为DC的非线性负载的结果。由于非线性电子开关装置,谐波流入电力系统非线性电子元件的一些例子有:二极管、晶体管、铁芯电感器和变压器(当铁芯饱和时)以非线性方式工作的非线性电子电路是混频器、调制器、整流器、无线电接收器检测器和数字逻辑电路。

带宽

带宽定义为信号中较高和较低频率成分的差异。因此,它指定了每秒传输的数据量。

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