射頻電路 第一章

1、 近年來由于通信技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，工近年來由于通信技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，工作頻率日益提高，射頻和微波電路得到廣泛應(yīng)用。作頻率日益提高，射頻和微波電路得到廣泛應(yīng)用。 目前大多數(shù)教材都是面向兩種不同的讀者：目前大多數(shù)教材都是面向兩種不同的讀者： 1. 具有堅(jiān)實(shí)理論基礎(chǔ)的研究生常常通過電磁場(chǎng)處理具有堅(jiān)實(shí)理論基礎(chǔ)的研究生常常通過電磁場(chǎng)處理方法進(jìn)入這個(gè)領(lǐng)域。該方法確實(shí)涵蓋了波導(dǎo)和傳輸線方方法進(jìn)入這個(gè)領(lǐng)域。該方法確實(shí)涵蓋了波導(dǎo)和傳輸線方面的知識(shí)，但卻遠(yuǎn)未觸及高頻放大器、振蕩器及混頻器面的知識(shí)，但卻遠(yuǎn)未觸及高頻放大器、振蕩器及混頻器設(shè)計(jì)方面的重要內(nèi)容。設(shè)計(jì)方面的重要內(nèi)容。 2. 對(duì)數(shù)學(xué)和物理

2、的嚴(yán)格性不太感興趣的工程技術(shù)人對(duì)數(shù)學(xué)和物理的嚴(yán)格性不太感興趣的工程技術(shù)人員則更喜歡采用電路理論來處理問題。該方法不涉及或員則更喜歡采用電路理論來處理問題。該方法不涉及或表面涉及到電壓、電流的波動(dòng)性質(zhì)，表面涉及到電壓、電流的波動(dòng)性質(zhì)，而波的反射和傳輸而波的反射和傳輸特性是影響射頻電路特性的重要因素。特性是影響射頻電路特性的重要因素。 本教材不采用電磁場(chǎng)理論也能講清楚傳輸本教材不采用電磁場(chǎng)理論也能講清楚傳輸線原理。這樣除了有物理課程中場(chǎng)和波方面的線原理。這樣除了有物理課程中場(chǎng)和波方面的知識(shí)外，具備基本電路理論及微電子學(xué)方面的知識(shí)外，具備基本電路理論及微電子學(xué)方面的知識(shí)即可。知識(shí)即可。 本書主要分析

3、低頻電路和元件當(dāng)工作頻率本書主要分析低頻電路和元件當(dāng)工作頻率升高到升高到射頻波段射頻波段（30MHz4GHz）時(shí)所遇到的時(shí)所遇到的困難和解決辦法，并重點(diǎn)討論困難和解決辦法，并重點(diǎn)討論橫電磁波橫電磁波（電場(chǎng)（電場(chǎng)與磁場(chǎng)傳播方向正交）與磁場(chǎng)傳播方向正交）的傳輸特性及用的傳輸特性及用微帶線微帶線（由特定長(zhǎng)度和寬度的敷銅帶）（由特定長(zhǎng)度和寬度的敷銅帶）制成的各種射制成的各種射頻器件的原理和方法。頻器件的原理和方法。目目 錄錄 1、 引言引言 2、 傳輸線分析傳輸線分析 3、 Smith圓圖圓圖 4、 單端口網(wǎng)絡(luò)和多端口網(wǎng)絡(luò)單端口網(wǎng)絡(luò)和多端口網(wǎng)絡(luò) 5、 射頻濾波器設(shè)計(jì)射頻濾波器設(shè)計(jì) 6、 有源射頻元件有

4、源射頻元件 7、 有源射頻電路器件模型有源射頻電路器件模型 8、 匹配網(wǎng)絡(luò)和偏置網(wǎng)絡(luò)匹配網(wǎng)絡(luò)和偏置網(wǎng)絡(luò) 9、 射頻晶體管放大器設(shè)計(jì)射頻晶體管放大器設(shè)計(jì)10、振蕩器和混頻器、振蕩器和混頻器 第第1章章 引引 言言 1.1 射頻設(shè)計(jì)的重要性射頻設(shè)計(jì)的重要性 本本書的書的主要目的是提供模擬電路設(shè)計(jì)的理論和實(shí)例，該電主要目的是提供模擬電路設(shè)計(jì)的理論和實(shí)例，該電路的工作頻率可延伸到射頻和微波波段，在該波段普通電路的路的工作頻率可延伸到射頻和微波波段，在該波段普通電路的分析方法是不適用的，由此引出以下問題：分析方法是不適用的，由此引出以下問題： 普通電路分析方法適用的上限頻率是多少？普通電路分析方法適用的

5、上限頻率是多少？ 什么特性使得電子元件的高頻性能和低頻性能有如此大的差什么特性使得電子元件的高頻性能和低頻性能有如此大的差 別？別？ 趨附效應(yīng)趨附效應(yīng) 經(jīng)典場(chǎng)理論經(jīng)典場(chǎng)理論 傳輸線理論傳輸線理論 被應(yīng)用的被應(yīng)用的“新新”電路理論是什么？電路理論是什么？基于波動(dòng)原理的分布理論基于波動(dòng)原理的分布理論 這些理論是如何應(yīng)用于高頻模擬電路實(shí)際設(shè)計(jì)的？這些理論是如何應(yīng)用于高頻模擬電路實(shí)際設(shè)計(jì)的？ 回顧由低頻到高頻電路的演變過程，并從物理的角度引出回顧由低頻到高頻電路的演變過程，并從物理的角度引出和揭示采用新技術(shù)去設(shè)計(jì)、優(yōu)化此類電路的必要性。和揭示采用新技術(shù)去設(shè)計(jì)、優(yōu)化此類電路的必要性。一般射頻系統(tǒng)方框圖一

6、般射頻系統(tǒng)方框圖數(shù)數(shù)字字電電路路DACLPFPAADCOSCPA模模-數(shù)變換器數(shù)變換器數(shù)數(shù)-模變換器模變換器低通濾波器低通濾波器切換開關(guān)切換開關(guān)本地振蕩器本地振蕩器接收功率放大器接收功率放大器發(fā)射功率放大器發(fā)射功率放大器混合信號(hào)電路混合信號(hào)電路 模擬信號(hào)電路模擬信號(hào)電路天線天線混頻器混頻器將將信號(hào)信號(hào)以電磁以電磁波的形波的形式向自式向自由空間由空間發(fā)射。發(fā)射。語音語音信號(hào)信號(hào)經(jīng)過經(jīng)過抽樣抽樣量化量化編碼編碼處理處理或計(jì)或計(jì)算機(jī)算機(jī)信號(hào)信號(hào)移動(dòng)電話移動(dòng)電話2GHz功率放大器第一級(jí)簡(jiǎn)化電路功率放大器第一級(jí)簡(jiǎn)化電路CB100pF8.2pFRFC至至第第二二級(jí)級(jí)射頻線圈射頻線圈C4VCC3隔隔直直電容

7、電容級(jí)間匹配網(wǎng)絡(luò)級(jí)間匹配網(wǎng)絡(luò)靜態(tài)電阻靜態(tài)電阻C2C1CB隔隔直直電容電容100pF8.2pFRFCRVBRF阻塞網(wǎng)絡(luò)阻塞網(wǎng)絡(luò)BFG425W R F輸入輸入輸入匹配網(wǎng)絡(luò)輸入匹配網(wǎng)絡(luò)微帶線微帶線 為保證最佳的功率傳輸和消除由反射引起的性能變壞，輸入阻抗必須與為保證最佳的功率傳輸和消除由反射引起的性能變壞，輸入阻抗必須與輸出阻抗相匹配，關(guān)鍵元件是微帶線。輸出阻抗相匹配，關(guān)鍵元件是微帶線。輸入和輸出的偏置網(wǎng)絡(luò)是輸入和輸出的偏置網(wǎng)絡(luò)是通過兩個(gè)通過兩個(gè)RFRF阻塞網(wǎng)絡(luò)將高頻信號(hào)與阻塞網(wǎng)絡(luò)將高頻信號(hào)與DCDC偏置分離，關(guān)鍵元件是射頻線圈。偏置分離，關(guān)鍵元件是射頻線圈。功率放大器印刷電路板布局功率放大器印刷電

8、路板布局了解、分析和最終制造這種了解、分析和最終制造這種PA電路，要涉及許多關(guān)鍵的電路，要涉及許多關(guān)鍵的RF課題。課題。12.7mm 在第在第2章章“傳輸線分析傳輸線分析”中將討論微帶線的阻抗特性，其定量中將討論微帶線的阻抗特性，其定量 求解過程在第求解過程在第3章章“Smith”圓圖中介紹。圓圖中介紹。 第第4章研究將復(fù)雜電路簡(jiǎn)化為較簡(jiǎn)單的組元能力，該組元的章研究將復(fù)雜電路簡(jiǎn)化為較簡(jiǎn)單的組元能力，該組元的 輸入輸入-輸出是輸出是 通過兩端口網(wǎng)絡(luò)描述。通過兩端口網(wǎng)絡(luò)描述。 在第在第5章章“濾波器設(shè)計(jì)濾波器設(shè)計(jì)”中研究特定的阻抗對(duì)頻率響應(yīng)的一般中研究特定的阻抗對(duì)頻率響應(yīng)的一般 開發(fā)策略開發(fā)策略,

9、簡(jiǎn)述以分立元件和分布元件為基礎(chǔ)的濾波器理論。簡(jiǎn)述以分立元件和分布元件為基礎(chǔ)的濾波器理論。 第第8章將深入研究章將深入研究“匹配網(wǎng)絡(luò)和偏置網(wǎng)絡(luò)匹配網(wǎng)絡(luò)和偏置網(wǎng)絡(luò)”的實(shí)現(xiàn)。的實(shí)現(xiàn)。 第第9章介紹章介紹“射頻晶體管放大器設(shè)計(jì)射頻晶體管放大器設(shè)計(jì)”中有關(guān)增益、線性度、中有關(guān)增益、線性度、 噪聲和穩(wěn)定度等指標(biāo)。噪聲和穩(wěn)定度等指標(biāo)。 第第10章討論章討論“振蕩器和混頻器振蕩器和混頻器”設(shè)計(jì)的基本原理。設(shè)計(jì)的基本原理。 1.2 量綱和單位量綱和單位 為了理解頻率上限，在自由空間，向正為了理解頻率上限，在自由空間，向正 z 方向傳播的平面方向傳播的平面電磁波為：電磁波為：A/mV/m是x方向的電場(chǎng)矢量是y方向

10、的磁場(chǎng)矢量ztHHztEEyyxxcoscos00平面電磁波的主要性質(zhì)：平面電磁波的主要性質(zhì)：1. 電磁波是橫波，電磁波是橫波，E和和H都與傳播方向垂直；都與傳播方向垂直；2. E和和H互相垂直，且同相位?；ハ啻怪?，且同相位。其中磁導(dǎo)率和介電常數(shù)與材料有關(guān)，0=410-7(H/m)，0=8.8510-12 (F/m) ， r和r為相對(duì)值。0dzdtzt故常數(shù)， 正弦波的等相位面?zhèn)鞑サ乃俣确Q為相速度。正弦波的等相位面?zhèn)鞑サ乃俣确Q為相速度。根據(jù)經(jīng)典場(chǎng)論，電場(chǎng)和磁場(chǎng)分量的比值就是本征阻抗（波根據(jù)經(jīng)典場(chǎng)論，電場(chǎng)和磁場(chǎng)分量的比值就是本征阻抗（波阻抗）：阻抗）： rrryxHEZ/377/000TEMTE

11、M波相速：波相速：rrpcfdtdzv1m/sTransverse electromagnetic mode（1.3） k 在波的傳播方向上，單位距離空間相位在波的傳播方向上，單位距離空間相位kzkz的變化稱為相位常的變化稱為相位常數(shù)（傳播常數(shù)）：數(shù)（傳播常數(shù)）： 空間相位空間相位kzkz變化變化22所經(jīng)過的距離稱為波長(zhǎng)：所經(jīng)過的距離稱為波長(zhǎng)：/2橫電磁模:解：解：自由空間的相對(duì)磁導(dǎo)率和介電常數(shù)等于自由空間的相對(duì)磁導(dǎo)率和介電常數(shù)等于1例例1.1 計(jì)算 f = 30MHz，300MHz，30GHz 在自由空間電磁波的波阻抗、相速和波長(zhǎng)。fvvpp22波波 長(zhǎng)：長(zhǎng)：3771085. 8104127

12、000Z波阻抗：波阻抗：smvp/10311800相相 速：速：1 m1 cm10 m 1.3 頻譜頻譜 VHF/UHF就是典型的電視工作波段，其波長(zhǎng)與電子系統(tǒng)的實(shí)際尺寸相當(dāng)，在有關(guān)的電子線路中開始考慮電流和電壓信號(hào)波的性質(zhì)。RF范圍：范圍：VHFS波段。波段。MW范圍：范圍：C波段以上波段以上。電氣和電子工程師學(xué)會(huì)電氣和電子工程師學(xué)會(huì)(IEEE) 頻譜頻譜VLF(甚低頻甚低頻) 330kHz 10010km頻頻 段段 頻頻 率率 波波 長(zhǎng)長(zhǎng)ELF(極低頻極低頻) 30300Hz 100001000kmMF(中頻中頻) 3003000kHz 10.1kmVF(音頻音頻) 3003000Hz 1

13、000100kmVHF(甚高頻甚高頻) 30300MHz 101mLF(低頻低頻) 30300kHz 101kmS 波段波段 24GHz 157.5cmHF(高頻高頻) 330MHz 10010mUHF(特高頻特高頻) 3003000MHz 10010cmSHF(超高頻超高頻) 330GHz 101cm頻頻 段段 頻頻 率率 波波 長(zhǎng)長(zhǎng)EHF(極高頻極高頻) 30300GHz 10.1cm毫米波毫米波 40300GHz 7.51mmP 波段波段 0.231GHz 13030cmC 波段波段 48GHz 7.53.75cmX 波段波段 812.5GHz 3.752.4cmKa 波段波段 26.5

14、40GHz 1.130.75cmK 波段波段 1826.5GHz 1.671.13cmL 波段波段 12GHz 3015cmK 波段波段 12.518GHz 2.41.67cm亞毫米波亞毫米波 3003000GHz 10.1mmmicrowave微波:tadio frequency射頻: 1.4 無源元件的射頻特性無源元件的射頻特性 在常規(guī)電路中，在常規(guī)電路中，R與與 f 無關(guān)，無關(guān)，XC= ，XL= L。 實(shí)際上用導(dǎo)線、線圈和平板制成的電阻、電感和電容，甚至實(shí)際上用導(dǎo)線、線圈和平板制成的電阻、電感和電容，甚至單根直導(dǎo)線或印刷電路板上的一段敷銅帶所具有的電阻和電感都單根直導(dǎo)線或印刷電路板上的一

15、段敷銅帶所具有的電阻和電感都與頻率有關(guān)。與頻率有關(guān)。如導(dǎo)線的直流電阻：如導(dǎo)線的直流電阻： 對(duì)對(duì)DC信號(hào)，傳導(dǎo)電流流過整個(gè)導(dǎo)體橫截面。在信號(hào)，傳導(dǎo)電流流過整個(gè)導(dǎo)體橫截面。在AC時(shí)，交變時(shí)，交變的載流子形成交變磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)又感應(yīng)一個(gè)電場(chǎng)，與該電場(chǎng)相關(guān)的載流子形成交變磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)又感應(yīng)一個(gè)電場(chǎng)，與該電場(chǎng)相關(guān)聯(lián)的電流密度與原始的電流相反，在中心感應(yīng)最強(qiáng)，所以導(dǎo)體中聯(lián)的電流密度與原始的電流相反，在中心感應(yīng)最強(qiáng)，所以導(dǎo)體中心的電阻最大，隨著頻率的提高，電流趨向于導(dǎo)體外表心的電阻最大，隨著頻率的提高，電流趨向于導(dǎo)體外表趨膚效應(yīng)。趨膚效應(yīng)。沿沿z方向的電流密度：方向的電流密度：其中其中 是零階和一階貝塞爾函數(shù)

16、，是零階和一階貝塞爾函數(shù)，I為總電流為總電流1CpaaJprpIJJz102/condDCalR2/102JJjpcond，L/RDC a/2 在高頻條件下(f500MHz)，歸一化電阻：歸一化電阻：R/RDC a/2 在多數(shù)情況下導(dǎo)體的在多數(shù)情況下導(dǎo)體的r=1，故趨膚厚度隨著頻率的升高迅速降低。=(f cond)-1/2Jz /Jz0r2a低電流密度低電流密度電流方向電流方向高電流密度高電流密度a-aAu=48.544106S/mAl=40.0106S/mCu=64.516106S/m，mm銅、鋁、金的趨膚厚銅、鋁、金的趨膚厚度與頻率的關(guān)系曲線度與頻率的關(guān)系曲線AuCu10510610710

17、81091040.10.300.40.50.60.70.80.910.2Alf，Hz半徑半徑 a=1mm銅線歸一化銅線歸一化AC電流密度的頻率特性電流密度的頻率特性r，mmJz /Jz010kHz0.20.600.811.21.41.61.820.40.200.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10.1100kHz100MHz1kHz10MHz1GHz1MHz其趨膚厚度：其趨膚厚度：歸一化電感：歸一化電感： 在在RF和和MW電路中應(yīng)用的主要是薄膜片狀電阻，電路中應(yīng)用的主要是薄膜片狀電阻，(P22)其等效電路：其等效電路： 1.4.1 高頻電阻高頻電阻 在美國(guó)線規(guī)中，大約每在美

18、國(guó)線規(guī)中，大約每6個(gè)線規(guī)，其導(dǎo)線直徑翻倍。個(gè)線規(guī)，其導(dǎo)線直徑翻倍。AWG50：d=1mil， AWG44：d=2mil，AWG38：d=4mil，其中：其中：1mil=2.5410-5m=2.5410-2mm高頻線繞電阻等效電路表示法模擬引線模擬引線L模擬引線間電容模擬引線間電容CbR模擬引線模擬引線L模擬電荷分離效應(yīng)模擬電荷分離效應(yīng)CaL1RC1C2L2L2高頻電阻等效電路表示法解：解： AWG26的d=16mil，a= 82.5410-5m=0.2032mm例例1.3 求出用長(zhǎng)2.5cm，AWG26銅線連接的500金屬膜電阻的高頻阻抗特性，寄生電容Ca=5pF。 由1.10和1.11式(P

19、15)，RCjLjZ/11HfffafalfaaRLCuCuCuCuDC54.110516.6410032.2104125.0225.0242647002Z ,f ,Hz諧振點(diǎn)諧振點(diǎn)(20GHz)電感效應(yīng)電感效應(yīng)理想電阻理想電阻10710810910101011101210-210610-110010110210310-3電容效應(yīng)電容效應(yīng)其中： 是介質(zhì)的電導(dǎo)率，現(xiàn)在習(xí)慣上引入串聯(lián) 1.4.2 高頻電容高頻電容dielstan 在初級(jí)電路中用平板表面積與平板間距比定義電容：在初級(jí)電路中用平板表面積與平板間距比定義電容：dAC理想情況下平板間沒有電流流動(dòng)，高頻時(shí)電介質(zhì)有損耗，所以理想情況下平板間沒

20、有電流流動(dòng)，高頻時(shí)電介質(zhì)有損耗，所以CjGZe1sseCdAGtantandieldieledAG,引線導(dǎo)體引線導(dǎo)體損耗電阻損耗電阻 介質(zhì)損耗電阻介質(zhì)損耗電阻寄生引寄生引線電感線電感C高頻電容的等效電路高頻電容的等效電路RsLRe損耗角的正切最后考慮寄生引線電感和引線導(dǎo)體損耗，其等效電路如圖所示。最后考慮寄生引線電感和引線導(dǎo)體損耗，其等效電路如圖所示。電容的阻抗：電容的阻抗：所以：由1.16式，泄漏電阻：例例1.4 求47pF電容器的高頻阻抗，其電介質(zhì)由串聯(lián)損耗角正切為10-4的氧化鋁組成，引線長(zhǎng)1.25cmAWG26銅線。MffCGRsee6109 .332tan1解：解： 與例1.3相似，

21、引線電感：實(shí)際電容實(shí)際電容理想電容理想電容f ,Hz10910101011108Z ,10-110010110310-2nHffalaRLCuDC7714220由1.13式，引線電阻：ffalaRRCuDCs8 . 420esRCjRLjZ/11注：電容值、損耗角正切和額定電壓注：電容值、損耗角正切和額定電壓由制造商給出。由制造商給出。 1.4.3 高頻電感高頻電感 電感是用導(dǎo)線繞制而成，除串聯(lián)電阻外，相鄰位置的線段間電感是用導(dǎo)線繞制而成，除串聯(lián)電阻外，相鄰位置的線段間有分離的移動(dòng)電荷，故寄生電容的影響上升，其等效電路如圖。有分離的移動(dòng)電荷，故寄生電容的影響上升，其等效電路如圖。RdCdCdR

22、d寄生旁路電容寄生旁路電容L高頻電感等效電路高頻電感等效電路串聯(lián)電阻串聯(lián)電阻RsCs例例1.5 RFC由AWG36銅線在0.1英寸空氣芯上繞3.5圈，假定線圈長(zhǎng)度是0.05英寸，求其射頻阻抗響應(yīng)。線圈半徑：r = 50mil=1.27mm(1英寸=1000)解：解：查表A.4：AWG36的 a = 2.5mil=63.5m根據(jù)空氣芯螺旋管電感公式：根據(jù)空氣芯螺旋管電感公式：lwirel鄰匝線距：d= /N3.610-4m 由1.14式，平板間距等于匝距，面積 A=2a (=2rN為導(dǎo)線的長(zhǎng)度)，lnHlNrL4 .61202sRXQ/理想電感理想電感實(shí)際電感實(shí)際電感f ,Hz109101010

23、11108101Z ,102103104105若忽略趨膚效應(yīng)，則等效電阻：所以等效電容： RFC廣泛用于射頻偏置電路，并具有調(diào)諧特性，通常用品質(zhì)因素來表征：線圈長(zhǎng)度： =50mil=1.27mm034. 0222arNalRCuCuwirespFlraNNlarNdACs087. 04/22200 1.5 片狀元件及對(duì)電路板的考慮片狀元件及對(duì)電路板的考慮 1.5.2 片狀電容片狀電容 1.5.3 片狀電感片狀電感 1.5.1 片狀電阻片狀電阻接觸片接觸片220RlW幾何形狀幾何形狀寬寬(w)，長(zhǎng)長(zhǎng)( )，l0603尺寸代碼尺寸代碼080512061218300402501802060608012040120標(biāo)稱值標(biāo)稱值 陶瓷體陶瓷體片狀片狀電容電容帶狀引線帶狀引線 電路板引線電路板引線跳線跳線端線端線端線端線 最通用的表面安裝電感仍采用線繞線圈，對(duì)厚度受到嚴(yán)格限制的電路采用扁平線圈。四聯(lián)電容四聯(lián)電容雙聯(lián)電容雙聯(lián)電容便于安裝便于安裝 第