射频电路 第一章

近年来由于通信技术及计算机技术的迅猛发展，工作频率日益提高，射频和微波电路得到广泛应用。目前大多数教材都是面向两种不同的读者：

1.具有坚实理论基础的研究生常常通过电磁场处理方法进入这个领域。该方法确实涵盖了波导和传输线方面的知识，但却远未触及高频放大器、振荡器及混频器设计方面的重要内容。

2.对数学和物理的严格性不太感兴趣的工程技术人员则更喜欢采用电路理论来处理问题。该方法不涉及或表面涉及到电压、电流的波动性质，而波的反射和传输特性是影响射频电路特性的重要因素。本教材不采用电磁场理论也能讲清楚传输线原理。这样除了有物理课程中场和波方面的知识外，具备基本电路理论及微电子学方面的知识即可。本书主要分析低频电路和元件当工作频率升高到射频波段（30MHz~4GHz）时所遇到的困难和解决办法，并重点讨论横电磁波（电场与磁场传播方向正交）的传输特性及用微带线（由特定长度和宽度的敷铜带）制成的各种射频器件的原理和方法。目录

1、引言

2、传输线分析

3、Smith圆图

4、单端口网络和多端口网络

5、射频滤波器设计

6、有源射频元件

7、有源射频电路器件模型

8、匹配网络和偏置网络

9、射频晶体管放大器设计10、振荡器和混频器第1章引言

1.1射频设计的重要性

本书的主要目的是提供模拟电路设计的理论和实例，该电路的工作频率可延伸到射频和微波波段，在该波段普通电路的分析方法是不适用的，由此引出以下问题：

普通电路分析方法适用的上限频率是多少？什么特性使得电子元件的高频性能和低频性能有如此大的差别？趋附效应经典场理论传输线理论被应用的“新”电路理论是什么？基于波动原理的分布理论这些理论是如何应用于高频模拟电路实际设计的？回顾由低频到高频电路的演变过程，并从物理的角度引出和揭示采用新技术去设计、优化此类电路的必要性。一般射频系统方框图数字电路DACLPFPAADCOSCPA模-数变换器数-模变换器低通滤波器切换开关本地振荡器接收功率放大器发射功率放大器混合信号电路模拟信号电路天线混频器将信号以电磁波的形式向自由空间发射。语音信号经过抽样量化编码处理或计算机信号移动电话2GHz功率放大器第一级简化电路CB100pF8.2pFRFC至第二级射频线圈C4VCC3隔直电容级间匹配网络静态电阻C2C1CB隔直电容100pF8.2pFRFCRVBRF阻塞网络BFG425W

RF输入输入匹配网络微带线为保证最佳的功率传输和消除由反射引起的性能变坏，输入阻抗必须与输出阻抗相匹配，关键元件是微带线。输入和输出的偏置网络是通过两个RF阻塞网络将高频信号与DC偏置分离，关键元件是射频线圈。功率放大器印刷电路板布局了解、分析和最终制造这种PA电路，要涉及许多关键的RF课题。12.7mm在第2章“传输线分析”中将讨论微带线的阻抗特性，其定量求解过程在第3章“Smith”圆图中介绍。第4章研究将复杂电路简化为较简单的组元能力，该组元的输入-输出是通过两端口网络描述。在第5章“滤波器设计”中研究特定的阻抗对频率响应的一般开发策略,简述以分立元件和分布元件为基础的滤波器理论。第8章将深入研究“匹配网络和偏置网络”的实现。

第9章介绍“射频晶体管放大器设计”中有关增益、线性度、噪声和稳定度等指标。第10章讨论“振荡器和混频器”设计的基本原理。

1.2量纲和单位

为了理解频率上限，在自由空间，向正z方向传播的平面电磁波为：A/mV/m是x方向的电场矢量是y方向的磁场矢量平面电磁波的主要性质：1.电磁波是横波，E和H都与传播方向垂直；2.E和H互相垂直，且同相位。其中磁导率μ和介电常数ε与材料有关，μ0=4π×10-7(H/m)，ε0=8.85×10-12(F/m)

，μr和εr为相对值。正弦波的等相位面传播的速度称为相速度。根据经典场论，电场和磁场分量的比值就是本征阻抗（波阻抗）：∴TEM波相速：m/sTransverseelectromagneticmode（1.3）在波的传播方向上，单位距离空间相位kz的变化称为相位常数（传播常数）：空间相位kz变化2π所经过的距离称为波长：横电磁模:解：自由空间的相对磁导率和介电常数等于1例1.1

计算

f=30MHz，300MHz，30GHz在自由空间电磁波的波阻抗、相速和波长。波长：波阻抗：相速：1m1cm10m

1.3频谱

VHF/UHF就是典型的电视工作波段，其波长与电子系统的实际尺寸相当，在有关的电子线路中开始考虑电流和电压信号波的性质。RF范围：VHF—S波段。MW范围：C波段以上。电气和电子工程师学会(IEEE)频谱VLF(甚低频)3~30kHz100~10km频段频率波长ELF(极低频)30~300Hz10000~1000kmMF(中频)300~3000kHz1~0.1kmVF(音频)300~3000Hz1000~100kmVHF(甚高频)30~300MHz10~1mLF(低频)30~300kHz10~1kmS波段2~4GHz15~7.5cmHF(高频)3~30MHz100~10mUHF(特高频)300~3000MHz100~10cmSHF(超高频)3~30GHz10~1cm频段频率波长EHF(极高频)30~300GHz1~0.1cm毫米波40~300GHz7.5~1mmP波段0.23~1GHz130~30cmC波段4~8GHz7.5~3.75cmX波段8~12.5GHz3.75~2.4cmKa

波段26.5~40GHz1.13~0.75cmK波段18~26.5GHz1.67~1.13cmL波段1~2GHz30~15cmKμ

波段12.5~18GHz2.4~1.67cm亚毫米波300~3000GHz1~0.1mmmicrowave微波:tadiofrequency射频:

1.4无源元件的射频特性在常规电路中，R与f无关，XC=，XL=ωL。

实际上用导线、线圈和平板制成的电阻、电感和电容，甚至单根直导线或印刷电路板上的一段敷铜带所具有的电阻和电感都与频率有关。如导线的直流电阻：对DC信号，传导电流流过整个导体横截面。在AC时，交变的载流子形成交变磁场，该磁场又感应一个电场，与该电场相关联的电流密度与原始的电流相反，在中心感应最强，所以导体中心的电阻最大，随着频率的提高，电流趋向于导体外表——趋肤效应。沿z方向的电流密度：其中是零阶和一阶贝塞尔函数，I为总电流1ωCωL/RDC≌a/2δ在高频条件下(f≥500MHz)，归一化电阻：R/RDC≌a/2δ

在多数情况下导体的μr=1，故趋肤厚度随着频率的升高迅速降低。δ=(πfμcond)-1/2Jz/Jz0r2a低电流密度电流方向高电流密度a-aσAu=48.544×106S/mσAl=40.0×106S/mσCu=64.516×106S/mδ，mm铜、铝、金的趋肤厚度与频率的关系曲线AuCu1051061071081091040.10.300.40.50.60.70.80.910.2Alf，Hz半径a=1mm铜线归一化AC电流密度的频率特性r，mmJz/Jz010kHz0.20.600.811.21.41.61.820.40.200.30.40.50.60.70.80.910.1100kHz100MHz1kHz10MHz1GHz1MHz其趋肤厚度：归一化电感：σ在RF和MW电路中应用的主要是薄膜片状电阻，(P22)其等效电路：

1.4