射頻電路設(shè)計(jì)一

1、射頻電路設(shè)計(jì)射頻電路設(shè)計(jì)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院課程綱要、參考教材本課程通過(guò)講授射頻電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)理論，分析了普通低頻電路和元件當(dāng)工作頻率升高到射頻波段（通常指30MHz4GHz）時(shí)所遇到的困難和解決辦法，并避開(kāi)電磁場(chǎng)理論繁雜的處理方法，而采用分布參量等效電路的方法討論射頻和微波電路的設(shè)計(jì)問(wèn)題，同時(shí)運(yùn)用Agilent公司（原HP公司）的專業(yè)電子設(shè)計(jì)仿真軟件ADS平臺(tái)加以仿真實(shí)踐，讓學(xué)生全面掌握射頻電路設(shè)計(jì)的基本方法和原則，了解專業(yè)電子設(shè)計(jì)軟件工具ADS的使用方法，提高學(xué)生的系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力。教材：1、射頻電路設(shè)計(jì)理論與應(yīng)用美Ludwig,R.徐承和等譯電子工業(yè)出版社2003-052、ADS應(yīng)用詳解射頻電路

2、設(shè)計(jì)與仿真陳艷華等編著人民郵電出版社參考書：1、射頻電路設(shè)計(jì)射頻電路設(shè)計(jì) 黃智偉編著電子工業(yè)出版社2006-042、射頻電路設(shè)計(jì)射頻電路設(shè)計(jì) 美W.Alan.Davis李福樂(lè)譯機(jī)械工業(yè)出版社2005-10093、射頻與微波通信電路分析與設(shè)計(jì)美DevendraK.Misra著徐承和等譯電子工業(yè)出版社2005-11目錄 第一章引言 第二章傳輸線分析 第三章Smith圓圖 第四章單端口網(wǎng)絡(luò)和多端口網(wǎng)絡(luò) 第五章有源射頻器件模型 第六章匹配網(wǎng)絡(luò)和偏置網(wǎng)絡(luò) 第七章射頻仿真軟件ADS概況 第八章射頻放大器設(shè)計(jì) 第九章射頻濾波器設(shè)計(jì) 第十章混頻器和振蕩器設(shè)計(jì)課程教學(xué)計(jì)劃 理論講授：理論講授：3434學(xué)時(shí)學(xué)時(shí)

3、第一部分介紹射頻傳輸?shù)奶攸c(diǎn)、傳輸線基本原理及作為射頻和微波分析工具的Smith圓圖、網(wǎng)絡(luò)參量和信號(hào)流圖；(12學(xué)時(shí))第二部分介紹各種有源射頻器件模型及匹配網(wǎng)絡(luò)的原理分析 (8學(xué)時(shí))第三部分專業(yè)的射頻仿真軟件ADS介紹。 (2學(xué)時(shí))第三部分射頻濾波器的原理分析和設(shè)計(jì)指導(dǎo)。 (4學(xué)時(shí))第四部分射頻放大器的原理分析和設(shè)計(jì)指導(dǎo)。(4學(xué)時(shí)) 第五部分混頻器和振蕩器的原理分析和設(shè)計(jì)指導(dǎo)。(4學(xué)時(shí)) 上機(jī)實(shí)驗(yàn)及課程設(shè)計(jì)：上機(jī)實(shí)驗(yàn)及課程設(shè)計(jì)：引言射頻電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)1.1射頻電路系統(tǒng)簡(jiǎn)介1.2量綱和單位1.3頻譜1.4無(wú)源元件的射頻特性1.5片狀元件及對(duì)電路板的考慮1.1射頻電路系統(tǒng)簡(jiǎn)介射頻電路系統(tǒng)簡(jiǎn)介 一般射頻

4、系統(tǒng)方框圖： 射頻電路的工作頻率：通常高于1GHz 隨著頻率的升高、相應(yīng)的電磁波的波長(zhǎng)變得可與分立元件的尺寸相比擬時(shí)，電阻、電容、電感這些元件的電響應(yīng)將開(kāi)始偏離它們的理想頻率特性。這時(shí)，普通的電路分析方法已不適用。 射頻電路的主要部件： 傳輸線 濾波器 功率放大器 混頻器和振蕩器1.2 量綱和單位量綱和單位 在自由空間，向z方向傳播的平面電磁（EM）波，當(dāng)EH傳播方向時(shí)，即為橫電磁（TEM)波：特性阻抗（波阻抗）：電場(chǎng)和磁場(chǎng)分量的比波相速：1.3 頻譜頻譜1.4 無(wú)源元件的射頻特性無(wú)源元件的射頻特性 在射頻頻段，集總電阻、集總電容和集總電感的特性是不具有“純”的電阻、電容和電感的性質(zhì)，這是在射

5、頻電路設(shè)計(jì)、模擬和布線過(guò)程中必須注意的。1.4.1高頻電阻高頻電阻射頻特性一個(gè)電阻器的高頻等效電路如右上圖所示，圖中，兩個(gè)電感L等效為引線電感；電容Cb表示電荷分布效應(yīng)，Ca表示為引線間電容，與標(biāo)稱電阻相比較，引線電阻常常被忽略。從圖可見(jiàn)，在低頻時(shí)電阻的阻抗是R；隨著頻率的升高，寄生電容的影響成為引起電阻阻抗下降的主要因素；然而隨著頻率的進(jìn)一步升高，由于引線電感的影響，電阻的總阻抗上升。在很高的頻率時(shí)，引線電感會(huì)成為一個(gè)無(wú)限大的阻抗，甚至開(kāi)路。一個(gè)金屬膜電阻的阻抗絕對(duì)值與頻率的關(guān)系如右下圖所示：低頻時(shí)電阻的阻抗是R；當(dāng)頻率升高并超過(guò)10MHz時(shí)，寄生電容的影響便成為主要的，它引起電阻的阻抗下降

6、；當(dāng)頻率超過(guò)大約20GHz的諧振點(diǎn)時(shí)，由于引線電感的影響，總的阻抗上升（引線電感在很高頻率下代表一個(gè)開(kāi)路線或無(wú)限大阻抗）一個(gè)500金屬膜電阻的阻抗絕對(duì)值與頻率的關(guān)系1.4.1高頻電阻高頻電阻類型 目前，在射頻電路中主要應(yīng)用的是薄膜片狀電阻，該類電阻的尺寸能夠做得非常小，可以有效地減少引線電感和分布電容的影響。 片狀電阻的形式有0603、0805、1206、2010、2512，功率范圍為1/10W1W，阻值范圍為0.110M。 例如，0603的封裝尺寸僅為1.60mm（長(zhǎng)）0.8mm（寬）0.45mm（高）。1.4.2高頻電容高頻電容射頻特性一個(gè)電容器的高頻等效電路如圖所示，圖中，電感L等效為引

7、線電感，電阻Rs表示引線導(dǎo)體損耗，電阻Re表示介質(zhì)損耗。由圖可見(jiàn)，電容器的引線電感將隨著頻率的升高而降低電容器的特性。如果引線電感與實(shí)際電容器的電容諧振，這將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)串聯(lián)諧振，使總電抗趨向?yàn)?。由于這個(gè)串聯(lián)諧振產(chǎn)生一個(gè)很小的串聯(lián)阻抗，所以非常適合在射頻電路的耦合和去耦電路中應(yīng)用。然而，當(dāng)電路的工作頻率高于串聯(lián)諧振頻率時(shí)，該電容器將表現(xiàn)為電感性而不是電容性。一個(gè)電容器的阻抗絕對(duì)值與頻率的關(guān)系如右下圖所示。一個(gè)電容器的阻抗絕對(duì)值與頻率的關(guān)系片狀電容器有高頻用（高Q）多層陶瓷片狀電容器、X7R介質(zhì)片狀電容器、NPO介質(zhì)片狀電容器、Y5V介質(zhì)片狀電容器、固體鉭質(zhì)片狀電容器等多種形式。目前，多層陶瓷片

8、狀電容器在射頻電路中廣泛使用，它們可用于射頻電路中的各個(gè)部分，使用頻率可以高達(dá)15GHz。例如一種型號(hào)為CDR系列的片狀電容器，最小封裝尺寸僅為2.00mm（長(zhǎng)）1.25mm（寬）1.30mm（高），電容值范圍從0.1470000pF，電壓為100V。1.4.2高頻電容高頻電容類型1.4.3高頻電感高頻電感射頻特性線圈通常時(shí)用導(dǎo)線在圓柱體上繞制而成，相鄰位置線段間有分離的移動(dòng)電荷，寄生電容的影響上升。如右圖一個(gè)電感器的高頻等效電路如圖所示，圖中，電容Cs為等效分布電容，Rs為等效電感線圈電阻，Cs和Rs分別代表分布電容Cd和電阻Rd的綜合效應(yīng)。從圖可見(jiàn)，分布電容Cs與電感線圈并聯(lián)，這也意味著，

9、一定存在著某一頻率，在該頻率點(diǎn)線圈電感和分布電容產(chǎn)生并聯(lián)諧振，使阻抗迅速增加。通常稱這一諧振頻率點(diǎn)為電感器的自諧振頻率（SRF，SelfResonantFrequency）。當(dāng)頻率超過(guò)諧振頻率點(diǎn)時(shí)，分布電容Cs的影響將成為主要因素，線圈的阻抗降低。高頻電感的等效電路1.4.3高頻電感高頻電感射頻特性2一個(gè)射頻線圈的阻抗絕對(duì)值與頻率的關(guān)系如右圖所示：當(dāng)頻率接近諧振點(diǎn)時(shí)，射頻線圈（RFC）的阻抗迅速提高，當(dāng)頻率繼續(xù)提高時(shí)，寄生電容Cs的影響則成為主要的，線圈的阻抗降低。線圈電阻的影響通常用品質(zhì)因數(shù)Q來(lái)表示式中，X是電抗；Rs是線圈的串聯(lián)電阻。品質(zhì)因數(shù)表征無(wú)源電路的電阻損耗，通常希望得到盡可能高的品

10、質(zhì)因數(shù)。一個(gè)射頻線圈的阻抗絕對(duì)值與頻率的關(guān)系sXQR1.4.3高頻電感高頻電感類型 目前片式電感也在射頻電路中被廣泛使用。片式電感器有繞線型片式電感器、陶瓷疊層片式電感器、多層鐵氧體片式電感器、片式磁珠等多種形式。 例如一種FHW系列的繞線型片式電感器有0603、0805、1008、1210、1812形式，電感范圍為3.3100000nH，0603的封裝尺寸為1.70mm（長(zhǎng)）1.16mm（寬）1.02mm（高）。1.5石英晶體諧振器的射頻特性如右圖石英晶體諧振器的等效電路和符號(hào)：Lq為動(dòng)態(tài)電感（等效電感）；Cq為動(dòng)態(tài)電容；rq為動(dòng)態(tài)電阻；C0為晶片與金屬極板構(gòu)成的靜態(tài)電容。石英晶體諧振器由石

11、英晶體薄片加上電極構(gòu)成。石英晶體薄片具有正、反壓電效應(yīng)。當(dāng)石英晶體薄片的幾何尺寸和結(jié)構(gòu)一定時(shí)，具有一個(gè)固有的機(jī)械振動(dòng)頻率。當(dāng)高頻交流電壓加于晶片兩端時(shí)，晶片將隨交變信號(hào)的變化而產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，當(dāng)信號(hào)頻率與晶片固有振動(dòng)頻率相等時(shí)，產(chǎn)生了諧振。石英晶體諧振器的等效電感Lq非常大，而Cq和rq都非常小，所以石英晶體諧振器具有非常高的Q值，其Q值為從圖等效電路可看出，石英晶體諧振器有兩個(gè)諧振頻率，串聯(lián)諧振頻率fs和并聯(lián)諧振頻率fp。在等效電路中，Lq、Cq組成串聯(lián)諧振回路，串聯(lián)諧振頻率fs為 Lq、Cq與C0組成并聯(lián)諧振回路，并聯(lián)諧振頻率fp為：由于C0Cq，所以fsfpqqq1LQrCsqq12fL

12、C0qp0qqqs0121CCfCL CCfC1.5石英晶體諧振器的射頻特性 石英諧振器的阻抗特性 忽略rq（設(shè)rq=0），石英晶體諧振器的等效阻抗Z為右式 從式可見(jiàn)： 當(dāng)=s時(shí)，Lq、Cq支路產(chǎn)生串聯(lián)諧振，Z=0；當(dāng)=p時(shí)，產(chǎn)生并聯(lián)諧振，Z； 當(dāng) s或p時(shí)，Z=jx，等效阻抗Z呈容性； 當(dāng)sp時(shí)，Z=+jx，等效阻抗Z呈感性。 阻抗特性如右圖所示。 實(shí)際使用時(shí)，石英晶體諧振器工作在頻率范圍窄的電感區(qū)，等效為一個(gè)電感。qq0qq02qqq0q0qqq022ps220j(1/)(j/)j(1/1/)(11/)1j11/1j11LCCZLCCLL CCC CLLCCC 石英晶體諧振器的阻抗特性1.5片狀元件及對(duì)電路板的考慮無(wú)源元件在射頻印刷電路板上的可實(shí)用性，主要體現(xiàn)在其片狀外形便于安裝在專用板材上。片狀電阻：功率額定值為0.5W的片狀電阻的尺寸可小到40X20mil（1mil0.001inch)，功率越大，尺寸越大，當(dāng)功率額定值為1000W時(shí)，尺寸增到1x1 inch，常用的片狀電阻尺寸如右表：電阻值的范圍從1/10高到幾 M，高阻值電阻不僅難以制造，還導(dǎo)致高的容差，并易于產(chǎn)生