二院-李海鸥-射频技术与仿真课程.ppt

1、1,射频电路设计 理论与应用,2,绪 论 前期课：半导体器件制造、微波技术， 微 波电路设计 内容： 微波电路理论及其应用技术， 半导体器件制造技术,3,本课的相关课程与技术,相关课程： 电磁场 - 基础课， 电场磁场分布，电波传播 微波技术-无源电路， 分布参数、传输线、微波网络、 滤波器、匹配、 阻抗变换 射频电路-有源电路， 放大、振荡、变频、滤波、收发信机 有源电路定义： 中国习惯指含半导体器件的各种电路 英文书刊: active circuit 仅指有高频能量增长的电路 如:放大器、振荡器 passive circuit 指无能量增长的电路 如: 混频器、检波器、开关、限幅器,4,一

2、、 微波频段划分与应用领域,微波频段：300MHz-300GHz(1m-1mm)；1-1000GHz(30cm-0.3mm) 应用：RF集中在18GHz以下；mm波段正在开发；300GHz以上有源器件困难，处于探索阶段；进入光波，波长1m量级(3105GHz)-光通信领域,5,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

3、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。,6,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（30MHz4GHz）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。,7,目 录,1、 引言 2、 传输线分析 3、 Smith圆图 4、 单端

4、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,8,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？ 被应用的“新”电路理论是什么？ 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

5、新技术去设计、优化此类电路的必要性。,9,一般射频系统方框图,10,移动电话2GHz功率放大器第一级简化电路,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。,11,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,12,13,单级晶体管光学照片,级联晶体管光学照片,14,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

6、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。,15,1.2 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/m,V/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。,16

7、,其中磁导率和介电常数与材料有关，0=410-7(H/m)， 0=8.8510-12 (F/m) ， r和r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/s,Transverse electromagnetic mode,（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2所经过的距离称为波长：,横电磁模:,17,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。,

8、波 长：,波阻抗：,相 速：,1 m,1 cm,10 m,18,1.3 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：VHFS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) 330kHz 10010km,频 段 频 率 波 长,ELF(极低频) 30300Hz 100001000km,MF(中频) 3003000kHz 10.1km,VF(音频) 3003000Hz 1000100km,VHF(甚高频) 30300MHz 101m,LF(低频) 30300kHz 1

9、01km,S 波段 24GHz 157.5cm,HF(高频) 330MHz 10010m,UHF(特高频) 3003000MHz 10010cm,SHF(超高频) 330GHz 101cm,频 段 频 率 波 长,EHF(极高频) 30300GHz 10.1cm,毫米波 40300GHz 7.51mm,P 波段 0.231GHz 13030cm,C 波段 48GHz 7.53.75cm,X 波段 812.5GHz 3.752.4cm,Ka 波段 26.540GHz 1.130.75cm,K 波段 1826.5GHz 1.671.13cm,L 波段 12GHz 3015cm,K 波段 12.51

10、8GHz 2.41.67cm,亚毫米波 3003000GHz 10.1mm,microwave,微波:,radio frequency,射频:,19,1.4 无源元件的射频特性,在常规电路中，R与 f 无关，XC= ，XL= L。 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。

11、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,1,C,20,L/RDCa/2,在高频条件下(f500MHz)，,归一化电阻：R/RDCa/2,在多数情况下导体的r=1， 故趋肤厚度随着频率的升高迅速 降低。,=(f cond)-1/2,其趋肤厚度：,归一化电感：,21,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：,1.4.1 高频电阻,在美国线规中，大约每6个线规，其导线直径翻倍。 AWG50：d=1mil， AWG44：d=2mil，AWG38：d=4mil， 其中：1mil=2.5410-5m=2.5410-2mm,高频线绕电阻等效电路表示法,高频

12、电阻等效电路表示法,22,微波电阻,23,解： AWG26的d=16mil，a= 82.5410-5m=0.2032mm,例1.3 求出用长2.5cm，AWG26铜线连接的500金属膜电阻的 高频阻抗特性，寄生电容Ca=5pF。,由1.10和1.11式(P15)，,24,其中： 是介质的电导率，现在习惯上引入串联,1.4.2 高频电容,在初级电路中用平板表面积与平板间距比定义电容：,理想情况下平板间没有电流流动，高频时电介质有损耗，所以,损耗角的正切,最后考虑寄生引线电感和引线导体损耗，其等效电路如图所示。,电容的阻抗：,所以：,25,微波电容,26,由1.16式，泄漏电阻：,例1.4 求47

13、pF电容器的高频阻抗，其电介质由串联损耗角正切 为10-4的氧化铝组成，引线长1.25cmAWG26铜线。,解： 与例1.3相似，引线电感：,由1.13式，引线电阻：,注：电容值、损耗角正切和额定电压 由制造商给出。,27,1.4.3 高频电感,电感是用导线绕制而成，除串联电阻外，相邻位置的线段间 有分离的移动电荷，故寄生电容的影响上升，其等效电路如图。,例1.5 RFC由AWG36铜线在0.1英寸空气芯上 绕3.5圈，假定线圈长度是0.05英寸，求其射 频阻抗响应。,线圈半径：r = 50mil=1.27mm(1英寸=1000),28,电感光学照片,29,根据空气芯螺旋管电感公式：,邻匝线距

14、：d= /N3.610-4m,由1.14式，平板间距等于匝距， 面积 A=2a (=2rN为导线的长度)，,若忽略趋肤效应，则等效电阻：,所以等效电容：,RFC广泛用于射频偏置电路，并具有调谐特性，通常用品 质因素来表征：,线圈长度： =50mil=1.27mm,30,1.5 片状元件及对电路板的考虑,1.5.2 片状电容,1.5.3 片状电感,1.5.1 片状电阻,接触片,220R,W,几何形状,宽(w)，,长( )，,0603,尺寸代码,0805,1206,1218,30,0402,50,180,20,60,60,80,120,40,120,标称值 陶瓷体,最通用的表面安装电感仍采用线绕线

15、圈， 对厚度受到严格限制的电路采用扁平线圈。,便于安装,31,第1章 小 结,本章讨论了低频系统到高频系统的演化过程，在高频应用时电磁波的特性开始取代基尔霍夫电压电流定律而占主导地位。 重要参量： 趋肤效应是由电磁波的波动性引起的：,这些导线连同对应的R，C和L形成的等效电路与 理想特性明显不同。制造商总是试图将其尺寸做得尽 可能小，当波长和分立元件的尺寸可比拟时，基本电 路分析法不再适用。,圆柱形导线呈现的射频特性：,计算,在一高频电路中, 电阻的引线是由AWG14总长度为5cm的直铝线制成, (a) 计算DC电阻; (b) 求工作频率为100MHz, 1GHz和10GHz时的AC电阻和电感

16、.,32,33,习 题 一,1.2 一无耗同轴线在960MHz时, 电磁场的波长为20cfdfda m, 求绝缘材料的相对介电系数.,1.4 求上面RLC串并联电路的谐振频率.,1.3 求下面LC串联和并联电路阻抗幅值的频率响应.,1.1 计算在FR4印刷电路板中的相速度和波长, 电路板的相对 介电系数是4.6, 工作频率为1.92GHz.,34,35,36,37,38,39,第2章 传输线分析,频率的提高意味着波长的减小，当波长可与分立元件的几何尺寸相比 拟时，电压和电流不再保持空间不变，必须把它们看做是传输的波。,2.1 传输线理论的实质,假定将波限制在沿z方向延伸的导体中，则Ex有纵向分

17、量Ez (见图1.3) ，该电场沿z方向的电压降： 的幅角变量是把空间和时间结合在一 起，其空间特性用沿z方向的波长 =2表征，而时间特性用 沿着时间轴的时间周期T=1/f 表征。 如 由2.1式， =94.86m，对电压波：,线元,/,随时间和空间变化的情况如图所示。,40,设导线方向与z 轴方向一致， 长度为1.5cm，忽略其电阻，在 f=1MHz时电压空间变化不明显。 当 f =10GHz时， =0.949cm，与 导线长度相似，测量结果如图。 所以在低频时若忽略导线电 阻，且不存在电压空间变化才能用基尔霍夫电压定律： 当频率高到必须考虑电压和电流 的空间特性时，基尔霍夫定律不 能直接应

18、用，而要用分布参量R、 L、C和G表示(根据经验，当分 立元件平均尺寸大于波长1/10时 应该应用传输线理论)。,41,2.2 传输线举例,2.2.2 同轴线,当频率高到10GHz时，几乎所有射频 系统或测试设备的外线都是同轴线。通常 外导体接地，所以辐射损耗和磁干扰都很 小。,2.2.1 双线传输线,相隔固定距离的双导线由导体 发射的电和磁力线延伸到无限远， 并影响附近的电子设备。其作用象 一个大天线，辐射损耗很高，只能有限应用在射频领域(电视天 线)。在电源和电话低频连线，当长度与波长比拟时也必须考虑 分布电路参数。,42,2.2.3 微带线,蚀刻在PCB上的导体带，载流导带下面接 地平面

19、可阻挡额外的场泄漏，降低辐射损耗。 单层PCB有较高的辐射损耗和邻近导带之 间容易出现串扰，为达到 元件高密度布局，应采用 高介电常数基片。 降低辐射损耗和干扰 的另一种方法是采用多层 结构。 微带结构主要用作低 阻抗传输线，高功率传输 线应用平行板线。,平行板传输线,三层传输线结构,shi,43,2.3 等效电路表示法,在射频电路的几何尺寸上，电压和电流不再是空间不变量， 因此基尔霍夫电压和电流定律不能应用在整个宏观的线长度上。 当传输线被切割成小线段，且这些线段大得足以包含所有相关 的电特性，如损耗、电感和电容效应，其一般等效电路如图。,缺点：,基本上是一维分析，没有考虑场在垂直于传播方向

20、的平板上的边缘效应， 所以不能预言和其他电路元件的干扰； 由于磁滞效应引起的与材料相关的非线性被忽略。,优点：,提供了一个清楚的、直观的物理图象 有助于标准化两端网络表示法 可用基尔霍夫电压和电流定律分析 提供从微观向宏观形式扩展的建立过程,44,2.4 理论基础,若知道传输线的实际尺寸及其电特性，如何确定它的分布 电路参量？ 根据实验观察，法拉第定律和安培定律建立了能将电场和 磁场定量地联系起来的两个基本关系式。因此，这两个定律提 供了用以确定通常所说的源 场关系的麦克斯韦理论的基础： 即作为源的时变电场引起一旋转磁场；反过来作为源的时变磁 场产生时变电场，该电场与磁场的变化率成正比。 总之

21、，电场与磁场是相互联系的，是导致波的传播和在射 频电路中的电压和电流行波的主要原因。 积分或微分形式的法拉第和安培定律至少在原则上是计算 电路元线路参量R、L、C和G的必要工具。,45,外加的源 电流密度,位移电流密度，是造成 辐射损耗的主要原因,传导电流密度，由导体中的电场 引起,是造成传导损耗的主要原因,2.4.1 基本定律,安培定律：用电流密度J 表征的运动电荷 在其周围引起的旋转磁场H可用积分表示为：,其中线积分的路径是沿表面元S的边界，用微 分线元d 表征，路径走向遵从右手螺旋法则。,总电流密度：,安培定律微分形式：,（2.3）,46,法拉第定律：作为源的磁通量B= H 的时间变化率

22、象源一样引起旋转电场：,其中线积分沿着表面S的边界进行, 电场沿 着导线环积分，其感应电压：,法拉第定律微分形式：,该式清楚表明必须从时间相关的磁通密度得到电场，随后该电场再按安培定律产生一个磁场。,（2.7）,47,2.5 平行板传输线的电路参量,为了应用一维分析方法，必须假定wd, dp,并假设导体平板中电场和磁场的形式为：,其中 代表电场和磁场随时间按正弦变化， 和 表 示空间变化。假定平行板很宽，故电磁场都与 y无关。应用微分 形式的法拉第和安培定律：,只考虑z方向的电场分量,由源的磁通量 B= H的时间变化率引起的旋转电场,求导后令t=0, 只考虑空间,不考虑边缘场效应,48,由传导

23、电流密度E 表征的运动电荷在其周围引起的旋转磁场,其中：,对x求二次微分得：,因为p有一个正的实数分量，为了满足导体条件，在下平板向负 x方向的磁场幅度必是衰减的，故A应为零；同理在上平板B=0。,故在下平板内：,二阶方程的通解：,B=H0是待定常数,只考虑y方向的磁场分量,49,在导体表面：,其电流密度：,由安培定律：,由电感定义 得线路相互 耦合的电感：,远大于自感 Ls,故单位长度 的表面阻抗：,由电容定义 得线路相互 耦合的电容：,法拉第方程组,传导电流密度,（x = 0 处）,S是下平行板横截面积,双导体数值翻倍,在介质场，电通量：D=E,（2.17）,（2.18）,（2.23）,（

24、2.19）,（2.24）,（2.20）,50,介质中电导：,2.6 各种传输线结构小结,同轴传输线,参量,平行板传输线,单位,双线传输线,L,G,C,H/m,R,S/m,F/m,/m,（2.25）,51,2.7.1 基尔霍夫电压和电流定律表示式,2.7 一般的传输线方程,由KCL：,微分方程：,由KVL：,微分方程：,（2.28）,（2.29）,（2.30）,（2.26）,52,例2.4 推导平行板传输线方程。,解：由法拉第定律，沿着图示阴影区边界的线积分：,介质中磁场假定是均匀的，面积分：,由法拉第定律：,53,而磁场的线积分：,传导电流,位移电流,由安培定律，电介质中电流密度积分：,与2.

25、30式一样,由2.3、2.23和2.25式：,由2.19、2.18和2.24式及V=Exd：,即：,与2.28式一样,考虑到在z和z+ z处：Ex=V/d,两边J=0,故H=0,54,通解,2.7.2 行进的电压和电流波,将 代入到 并求导,其中 称为复传播常数。,+表示沿+z方向传播 - 表示沿 -z方向传播,2.7.3 阻抗的一般定义,定义特性阻抗：,得：,对 和 两边求导再联立,得： 和,（2.32）,（2.37）,55,2.8 微带传输线,当基片厚度增加或导体宽度减小时，边缘的场便突出出来， 在数学模型中已不能忽略，近年来开发了考虑宽度和厚度计算 特性阻抗的近似表示式 (条件：导体厚度

26、/基片厚度=t/h0.005).,当 时：,其中 是在自由空间的波阻抗,是有效介电常数,2.7.4 无耗传输线模型,经验公式,则：,同时,（2.41）,56,当 时：,57,当 时：,当 时：,其中,反之可根据给定的特性阻抗和基片介电常数来设计w/h比值。,例2.5 已知Z0=50，选用FR-4 PCB, 其r=4.6，h=40，求敷 铜带的宽度、相速度和在2GHz时的波长。,解：首先用P43图2.20找出r=4.6，Z0=50时的w/h=1.9。,58,若 则,若 则,对于许多应用，假定微带线的厚度为零是不正确的，必须 对前面的公式进行修正，此时可简单地用有效带宽来替代：,59,2.9.1 电压反射系数,2.9 端接负载的无耗传输线,假定负载在z=0处，电压波从- 进入， 则沿着线路在任何处：,当 时(匹配) ，表示没有反射，入射电压被负载完全吸收。,在z=0处：,则：,故：,当 时(开路) ，表示反射波与入射电压极性相同；,当 时(短路) ，表示反射波与入射电压极性相反；,定义反射系数：,（2.52