《高频与射频电路》第1章课件

1、高频与射频电路高频与射频电路信息科学与技术学院张朝贤Tel:程相关课程相关l成绩构成：平时成绩：40%（出勤、作业、平时表现等等）期末成绩：60%l答疑时间：周二：3、4节周三：3、4节周五：5、6节办公室： 经管B434电话：6288334邮箱：3课程相关课程相关l参考书：射频通信电路，陈邦媛，科学出版社射频通信电路设计，刘长军，科学出版社射频电路设计理论与应用，Reinhold Ludwig 著，王子宇等译，电子工业出版社有关射频的几个问题有关射频的几个问题l我家窗户看出去有一条高压输电线经过，平时会不会对我有辐射？l我家楼道里面有好几个运营商布设的小型天线，

2、他们会不会辐射很大？l飞机上到底可不可以开手机？真的会干扰飞行吗？45课程组成课程组成理论部分l射频基础：基本概念传输线理论Smith圆图射频网络（S参数）l无源网络滤波电路的设计匹配电路的设计l有源网络射频放大器振荡电路l调制和解调实践部分lADS软件应用初步l微带滤波器的设计与仿真l阻抗匹配网络的设计与仿真l射频放大器的设计与仿真6波段划分波段划分第一章第一章 射频基础射频基础7工作频段工作频段lGSM890-909 MHz 935-954 MHz（中国移动）909-915 MHz 954-960 MHz（中国联通）1710-1720 MHz 1805-1815 MHz（中国移动）1745

3、-1755 MHz 1840-1850 MHz（中国联通） lCDMA 1X上行825-835MHz 下行870-880MHzlCDMA EVDO1920-1935MHz、2110-2125MHz lWLAN2.4GHzlRFID125KHz、133KHz、13.56MHz、27.12MHz、433MHz、902MHz-928MHz、2.45GHz、5.8GHz 8射频定义射频定义l射频（RF，Radio Frequency） l射频的频率范围定义为从30MHz到4GHzl射频通信系统利用更宽的频带和更高的信息容量；通信设备的体积进一步减小；解决频率资源日益紧张的问题；通信信道频率间隙增大，减

4、小干扰；小尺寸天线，高增益，移动通信系统 通信系统的基本组成通信系统的基本组成9正弦振荡电路功率放大电路波形与频率变换电路10手机前端电路手机前端电路11射频电路设计特点射频电路设计特点l分布参数寄生电容、寄生电感l l/8准则射频电路 还是 低频电路l趋肤效应12分布参数概念分布参数概念l集总参数元件是指一个独立的局域性元件，能够在一定的频率范围内提供特定的电路性能。l分布参数元件是指一个元件的特性延伸扩展到一定的空间范围内，不再局限于元件自身。电磁场分布在附近的空中，其特性受周围环境的影响 13分布参数分布参数 例例-114分布参数分布参数 例例-215l l/8设计准则设计准则l线路板

5、l/8射频电路设计考虑分布参数考虑传输线效应l线路板 0时电路呈现感抗，当=0，才能保证沿着+z方向传输的波随着z的增大幅度不断减小，沿着-z方向传输的波随着z的减小幅度不断减小波的表达形式既是位置的波的表达形式既是位置的函数也是时间的函数函数也是时间的函数47特征阻抗的定义特征阻抗的定义0LZCCjGLjRIVIVZ0rikkjkRj LGj C所谓特征阻抗所谓特征阻抗Z Z0 0是指传输线上入射波电压是指传输线上入射波电压V V+ + 和入射波电和入射波电流流I I+ +之比之比, ,或反射波电压或反射波电压V V- -和反射波电流和反射波电流I I- -之比的负值。之比的负值。 对于无耗

6、传输线（对于无耗传输线（R=G=0R=G=0），特征阻抗为：），特征阻抗为：）（kzkzeejkzIVVLR)(VjkLRIVjkLRI比较（比较（2 2）式和（）式和（6 6）式得）式得：（6）（4 4）式代入（）式代入（1 1）得）得：又因：又因：所以传输线特性阻抗所以传输线特性阻抗Z Z0 0为：为： 无耗传输线的特征阻抗Z0与频率f无关，只需要计算或测量单位长度上的电感L和电容C即可确定特征阻抗。48三种三种典型传输线的特征阻抗典型传输线的特征阻抗平行双线传输线的特征阻抗平行双线传输线的特征阻抗同轴线的特征阻抗同轴线的特征阻抗微带线的特征阻抗微带线的特征阻抗0120ln2rDZa 06

7、0lnrbZa49微带线的特征阻抗计算微带线的特征阻抗计算微带线横截面的结构如下图所示微带线横截面的结构如下图所示: :xyrr导 体 1Wht介 质 材 料导 体 2O微带线的等效相对介电常数微带线的等效相对介电常数eff概念：概念：使用一种均匀介质来代替微带传输线上面的空气和下面的基使用一种均匀介质来代替微带传输线上面的空气和下面的基板材料，而微带传输线的特性阻抗保持和代替前一样。这样板材料，而微带传输线的特性阻抗保持和代替前一样。这样的均匀介质的相对介电常数称等效相对介电常数。的均匀介质的相对介电常数称等效相对介电常数。50微带线等效相对介电常数计算公式微带线等效相对介电常数计算公式11

8、10122abrreffu24340.05311521lnln 14918.718.10.4320.90.5643rruuuaub uW h51微带线特征阻抗计算公式微带线特征阻抗计算公式2002ln12effFZuu0.752830.666626 expFuuW h当当u u1 1 时，时， 的误差不大于的误差不大于0.01%0.01%当当u u 10001000时，时， 的误差不大于的误差不大于0.03%0.03%0120自由空间波阻抗0effZ0effZ52微带线特征阻抗与介质基板参数的关系微带线特征阻抗与介质基板参数的关系微带传输线特征阻抗微带传输线特征阻抗Z Z0 0与与W/hW/h

9、的关系的关系微带传输线特征阻抗微带传输线特征阻抗Z Z0 0与与 r r的关系的关系微带传输线线宽微带传输线线宽W W增加，特征阻抗增加，特征阻抗Z Z0 0下降。下降。微带传输线基板介电常数微带传输线基板介电常数r增加，特征阻抗增加，特征阻抗Z Z0 0下下降。降。射频信号在微带线中的波长可以根据等效相对介电常数射频信号在微带线中的波长可以根据等效相对介电常数表示为表示为0eff=ll53l例：射频通信电路中采用50的阻抗标准，选用相对介电常数r =4.6的基板材料，介质基板的厚度为h=1.0mm，试求特征阻抗Z0=50 的微带线的宽度W。5455l“对分法”计算微带线特征阻抗的过程相位常数

10、：LCkjjLCrikkjkj相位常数相位常数无耗传输无耗传输 kzkzkzkzV zV eV eI zI eI e无耗传输线无耗传输线56相速度： 相速度指等相位面移动的速度 1pvLC1prcvTEM模式 根据相位不变点的轨迹变化可以计算电磁波的相位变化速度，这根据相位不变点的轨迹变化可以计算电磁波的相位变化速度，这种相位速度以种相位速度以 vp 表示。表示。传输特性传输特性57l相波长相波长lp是指同一个时刻传输线上电磁波相位相差为2时的距离02pprvfllEz(z, t)zOll2ll23t1 = 042Tt 23Tt 传输特性传输特性58l无耗传输线上的电压和电流的分布 22*00

11、11Re022VVP zV z IzPZZ 00j zj zj zj zV zV eV eVVI zeeZZ传输特性传输特性说明传输线上功率处处相等59 000 cos0 sin00 cossinV zVzjZ IzVI zIzjzZ 00002002VZ IVVZ IV从而得到了传输线上任一点的电压和电流表达式：如果知道传输线上坐标原点处的电压和电流幅值，就可以求V+和V-：无耗传输线上的电压和电流的分布无耗传输线上的电压和电流的分布60l传输线上电压和电流的时域表达式 ,Re,Rej tj tv z tV z ei z tI z e传输特性传输特性61 000 cos0 sin00 cos

12、sinVlVljZ IlVIlIljlZ000cossincossinLLVlZljZlZlZIlZljZl传输线阻抗特性传输线阻抗特性把z=-l代入电压与电流的表达式，得到：62l传输线输入阻抗传输线输入阻抗l传输线输入导纳传输线输入导纳 000tantanLINLZjZlZlZZjZl 000tantanLINLYjYlYlYYjYl如上图所示的传输线如上图所示的传输线, ,其终端接负载阻抗其终端接负载阻抗Z ZL L时时, ,则距终端为则距终端为l l处向负载看去的处向负载看去的输入阻抗定义为该点的电压输入阻抗定义为该点的电压V(l)V(l)与电流与电流I(l)I(l)之比之比, ,并用

13、并用Z Zinin(l)(l)表示。即表示。即 传输线阻抗特性传输线阻抗特性63L00L0L00L0injzzjzzz82tanjzz82tanjzzzz）（）（llll距传输线终端/8处的输入阻抗为：当/8传输线终端开路（Z），呈容性。当/8传输线终端短路（Z），呈感性。/8传输线阻抗特性传输线阻抗特性642L00in0L0L2zjz tanz4zz2zzjz tan4 ll ll（）（）距传输线终端/处的输入阻抗为：/ /传输线可以实现阻抗匹配。传输线可以实现阻抗匹配。当当/ /传输线终端开路（传输线终端开路（Z Z ），），；当当/ /传输线终端短路（传输线终端短路（Z Z），）， 。/

14、传输线阻抗特性传输线阻抗特性656667LL00L0inz22tanjzz22tanjzzzz）（）（llll距传输线终端/处的输入阻抗为：负载阻抗Z在传输线上每隔/将重现一次。/传输线阻抗特性传输线阻抗特性68定义电压反射系数电压反射系数Gz为该点的反射波电压Vref和入射波电压Vinc之比。 2refjzincVzVzeVzVG(1)()()()V）（zzVzVzVzincrefincG反射特性反射特性6900ZZZZLLLG得负载(z=0)的电压反射系数为：jeGGLL由： 可见可见, ,终端电压反射系数仅决定于终端负载阻抗终端电压反射系数仅决定于终端负载阻抗Z ZL L和传和传输线的特

15、性阻抗输线的特性阻抗Z Z0 0; ;终端电压反射系数的模表示终端反射终端电压反射系数的模表示终端反射波电压与入射波电压振幅的比值波电压与入射波电压振幅的比值, ,其相位其相位表示终端反表示终端反射波电压与入射波电压之间的相位差。射波电压与入射波电压之间的相位差。 00002002VZ IVVZ IV负载电压反射系数还可以写成：反射特性反射特性70由此可知：无耗线上任意点的反射系数的大小等于终端由此可知：无耗线上任意点的反射系数的大小等于终端负载的反射系数负载的反射系数, ,其相位比终端处的反射系数相位落后其相位比终端处的反射系数相位落后2z2z。2LinjeGGG）（传输线上任一点的电压反射

16、系数为传输线上任一点的电压反射系数为：LLLZZGG110)(1)(1)(0zzZzZGG传输线上任一点的输入阻抗与电压反射系数的关系为：传输线上任一点的输入阻抗与电压反射系数的关系为：也可以改写成也可以改写成：00ZZZZLLLG 2refjzincVzVzeVzVG71驻波系数（驻波系数（VSWR）定义为传输线上电压（或电流）的最大模值与最小模值之比maxmaxminminVIVSWRVI电压驻波比与反射系数之间的关系GG11VSWR11GVSWRVSWR反射特性反射特性72终端接匹配负载终端接匹配负载 000000tantanINZjZlZlZZZjZl0011LLLZZZGG0LG 0

17、INZZ终端接不同负载的传输线终端接不同负载的传输线当负载匹配时：7374 000tantanLINLZjZlZlZZjZl终端短路终端短路0tanVlZljZlIl0LZjX 短路开路纯电抗负载为右边值时，传输线负载为右边值时，传输线上才为纯驻波工作状态上才为纯驻波工作状态纯驻波工作状态纯驻波工作状态75000sincosVljI ZlIlIl 000 cos0 sin00 cossinV zVzjZ IzVI zIzjzZ由传输线上任一点的电压和由传输线上任一点的电压和电流表达式电流表达式 得终端短路状态下传输线上任一点电压得终端短路状态下传输线上任一点电压和电流表达式和电流表达式纯驻波工

18、作状态纯驻波工作状态终端短路终端短路76 由图可见,瞬时电压或电流在某个固定位置上随时间t作正弦或余弦变化,而在某一个时刻t时随距离z作余弦或正弦变化,即瞬时电压和电流的时间相位差和空间相位差均为/2,这表明传输线上没有功率的传输。在离终端距离z=/4的奇数倍处,电压振幅值永远最大,电流振幅值永远为零,称为电压的波腹点和电流的波节点;而在z=/2的整数倍处,电压为波节点和电流为波腹点。 终端短路传输线驻波图终端短路传输线驻波图770tanVljZZlIll000cossinVlVlVIljlZ 由传输线上任一点的电压和电流由传输线上任一点的电压和电流表达式得终端开路状态下传输线表达式得终端开路

19、状态下传输线上任一点电压和电流表达式：上任一点电压和电流表达式： 由传输线上任一点的输入阻抗表达式得终端开路状态下传输线上任一由传输线上任一点的输入阻抗表达式得终端开路状态下传输线上任一点阻抗表达式：点阻抗表达式：纯驻波工作状态纯驻波工作状态终端开路终端开路78终端开路传输线驻波图终端开路传输线驻波图由图可见终端为电压波腹点、电流波节点,阻抗为无穷大。和终端短路的情况相比,可以得到这样一个结论:只要将终端短路的传输线上电压、电流及阻抗分布从终端开始去掉/4线长,余下线上的分布即为终端开路的传输线上沿线电压、电流及阻抗分布。这就启发我们将终端短路(或终端开路)的传输线上电压、电流及阻抗分布自终端

20、起去掉小于/4线长,即可得到终接纯感抗(或纯容抗)负载时的沿线电压、电流及阻抗分布。79200j lININLINZZeZZG G001111INININSGSZZZZGGGGININGGINZVVZZ1INININININVVVVG11ININGININGZVVZZG 1111111112 1INSINGININSINSGSSINVVVGGGGGGGGG G信号源和有载传输线信号源和有载传输线801 11812222L202INjLjssGLeeZVPPGGGG)(1 )(V21)(V)(V21P220022zzZZzzzG）（)1 V21P2IN2IN0INGZL L=0=0，负载没有反射（，负载没有反射（Z ZL L=Z=Z0 0）220118GLSVPZGS S=0=0，信号源没有反射（，信号源没有反射（Z ZG G=Z=Z0 0）2220118GjlLLVPeZ G(z)