射頻電路理論與設(shè)計(jì)(第2版) 第1章 引言

1、射頻電路理論與設(shè)計(jì)射頻電路理論與設(shè)計(jì)（第（第2版）版）在射頻頻段，電路出現(xiàn)了許多獨(dú)特的在射頻頻段，電路出現(xiàn)了許多獨(dú)特的性質(zhì)，這些性質(zhì)在常用的低頻電路中從未性質(zhì)，這些性質(zhì)在常用的低頻電路中從未遇到，因此需要建立新的射頻電路理論體遇到，因此需要建立新的射頻電路理論體系。系。射頻電路理論是電磁場理論與傳統(tǒng)電射頻電路理論是電磁場理論與傳統(tǒng)電子學(xué)的融合，它將電磁場的波動(dòng)理論引入子學(xué)的融合，它將電磁場的波動(dòng)理論引入電子學(xué)，形成了射頻電路的理論體系和設(shè)電子學(xué)，形成了射頻電路的理論體系和設(shè)計(jì)方法。計(jì)方法。 射頻概念射頻概念1.1射頻系統(tǒng)射頻系統(tǒng)1.3射頻電路的特點(diǎn)射頻電路的特點(diǎn)1.2本書安排本書安排1.4在電

2、子通信領(lǐng)域，信號采用的傳輸方在電子通信領(lǐng)域，信號采用的傳輸方式和信號的傳輸特性是由工作頻率決定的。式和信號的傳輸特性是由工作頻率決定的。目前射頻（目前射頻（Radio Frequency）沒有一個(gè)嚴(yán)）沒有一個(gè)嚴(yán)格的頻率范圍定義，廣義地說，可以向外格的頻率范圍定義，廣義地說，可以向外輻射電磁信號的頻率稱為射頻；而在電路輻射電磁信號的頻率稱為射頻；而在電路設(shè)計(jì)中，當(dāng)頻率較高、電路的尺寸可以與設(shè)計(jì)中，當(dāng)頻率較高、電路的尺寸可以與波長相比擬時(shí)，電路可以稱為射頻電路。波長相比擬時(shí)，電路可以稱為射頻電路。對于電磁頻譜，按照頻率從低到高對于電磁頻譜，按照頻率從低到高（波長從長到短）的次序，可以劃分為不（波長

3、從長到短）的次序，可以劃分為不同的頻段，電子通信的發(fā)展歷程，實(shí)際上同的頻段，電子通信的發(fā)展歷程，實(shí)際上就是所使用的載波頻率由低到高的發(fā)展過就是所使用的載波頻率由低到高的發(fā)展過程。電通信的容量幾乎與所使用的頻率成程。電通信的容量幾乎與所使用的頻率成正比，對通信容量的要求越高，使用的頻正比，對通信容量的要求越高，使用的頻率就越高。率就越高。一般認(rèn)為，當(dāng)頻率高于一般認(rèn)為，當(dāng)頻率高于30MHz時(shí)電路時(shí)電路的設(shè)計(jì)就需考慮射頻電路理論；而射頻電的設(shè)計(jì)就需考慮射頻電路理論；而射頻電路理論應(yīng)用的典型頻段為幾百路理論應(yīng)用的典型頻段為幾百M(fèi)Hz至至4GHz，在這個(gè)頻率范圍內(nèi)，電路需要考慮，在這個(gè)頻率范圍內(nèi)，電路需

4、要考慮分布參數(shù)的影響，低頻的基爾霍夫電路理分布參數(shù)的影響，低頻的基爾霍夫電路理論不再適用。論不再適用。需要說明的是，隨著射頻電路的廣泛需要說明的是，隨著射頻電路的廣泛應(yīng)用和不斷發(fā)展，射頻的頻率范圍還在向應(yīng)用和不斷發(fā)展，射頻的頻率范圍還在向更高的頻率延伸，已有資料將射頻的高端更高的頻率延伸，已有資料將射頻的高端頻率定為大于頻率定為大于4GHz。為了有效地傳輸信息，無線通信系統(tǒng)為了有效地傳輸信息，無線通信系統(tǒng)需要采用高頻率信號，這種需要主要由下需要采用高頻率信號，這種需要主要由下面面3個(gè)因素導(dǎo)致。個(gè)因素導(dǎo)致。（1）工作頻率越高，帶寬越大。）工作頻率越高，帶寬越大。（2）工作頻率越高，天線尺寸越小。

5、）工作頻率越高，天線尺寸越小。（3）射頻電路中電感和電容等元器）射頻電路中電感和電容等元器件的尺寸較小，這使得射頻設(shè)備的體件的尺寸較小，這使得射頻設(shè)備的體積進(jìn)一步減小。積進(jìn)一步減小?；鶢柣舴螂娐防碚撝荒苡糜谥绷骱偷突鶢柣舴螂娐防碚撝荒苡糜谥绷骱偷皖l電路的設(shè)計(jì)，不能用于射頻電路的設(shè)計(jì)。頻電路的設(shè)計(jì)，不能用于射頻電路的設(shè)計(jì)。低頻頻率與射頻頻率有很大差異，正是由低頻頻率與射頻頻率有很大差異，正是由于這種頻率的差異，導(dǎo)致低頻電路理論與于這種頻率的差異，導(dǎo)致低頻電路理論與射頻電路理論不同。射頻電路理論不同。下面將在不同頻率下對電路進(jìn)行討論，下面將在不同頻率下對電路進(jìn)行討論，從中可以看出低頻電路與射頻電路

6、顯著不從中可以看出低頻電路與射頻電路顯著不同，對于目前廣泛使用的射頻頻段，必須同，對于目前廣泛使用的射頻頻段，必須采用全新的方法加以分析。采用全新的方法加以分析。1.2.1 頻率與波長頻率與波長眾所周知，在自由空間工作頻率與工眾所周知，在自由空間工作頻率與工作波長的乘積等于光的速度，也即作波長的乘積等于光的速度，也即f= c = 3108m/s （1.1）式中，式中，f為工作頻率；為工作頻率；為工作波長；為工作波長；c為光的速度。式（為光的速度。式（1.1）的結(jié)論是：頻率越）的結(jié)論是：頻率越高波長越短。射頻頻段有很高的頻率，所高波長越短。射頻頻段有很高的頻率，所以射頻的工作波長很短。以射頻的工

7、作波長很短。在電路設(shè)計(jì)中，當(dāng)頻率較高、電路的在電路設(shè)計(jì)中，當(dāng)頻率較高、電路的尺寸可以與波長相比擬時(shí)，電路可以稱為尺寸可以與波長相比擬時(shí)，電路可以稱為射頻電路。射頻電路。1.2.2 低頻電路理論是射頻電低頻電路理論是射頻電路理論的特例路理論的特例低頻電路理論只適用于低頻電路設(shè)計(jì)，低頻電路理論只適用于低頻電路設(shè)計(jì)，射頻電路理論有更大的適用范圍，低頻電射頻電路理論有更大的適用范圍，低頻電路理論是射頻電路理論的特例。路理論是射頻電路理論的特例。圖圖1.1所示的是終端短路傳輸線，根據(jù)所示的是終端短路傳輸線，根據(jù)射頻電路理論會(huì)得到距離短路終端射頻電路理論會(huì)得到距離短路終端l處的阻處的阻抗為抗為 （1.2）

8、ljZZin2tan0式中式中Z0為常數(shù)，為常數(shù)，Z0的取值范圍一般為的取值范圍一般為幾十到幾百之間。式（幾十到幾百之間。式（1.2）改變了低頻電）改變了低頻電路理論的觀點(diǎn)，因?yàn)榈皖l電路理論會(huì)認(rèn)為路理論的觀點(diǎn)，因?yàn)榈皖l電路理論會(huì)認(rèn)為Zin=0。下面對式（。下面對式（1.2）加以數(shù)值分析。）加以數(shù)值分析。 圖圖1.1 終端短路的傳輸線終端短路的傳輸線1.2.3 射頻電路的分布參數(shù)射頻電路的分布參數(shù) 低頻電路理論稱為集總參數(shù)電路理論；低頻電路理論稱為集總參數(shù)電路理論；射頻電路理論稱為分布參數(shù)電路理論，分射頻電路理論稱為分布參數(shù)電路理論，分布參數(shù)是射頻電路的最大特色。布參數(shù)是射頻電路的最大特色。從正

9、弦交流（從正弦交流（AC）電路分析中可以）電路分析中可以知道，電感知道，電感L和電容和電容C的電抗的電抗XL和和XC與頻與頻率有關(guān)，率有關(guān)，XL和和XC與頻率的關(guān)系是與頻率的關(guān)系是式（式（1.3）和式（）和式（1.4）中）中為角頻率，為角頻率，=2f。下面考察當(dāng)電感。下面考察當(dāng)電感L=1nH和電容和電容C=1pF時(shí)的電抗時(shí)的電抗XL和和XC。1. 傳輸線上的分布參數(shù)傳輸線上的分布參數(shù)圖圖1.2 一段傳輸線一段傳輸線射頻電路認(rèn)為傳輸線上到處都分布著射頻電路認(rèn)為傳輸線上到處都分布著電感和電容，所以射頻電路也稱為分布參電感和電容，所以射頻電路也稱為分布參數(shù)電路。數(shù)電路。由于分布參數(shù)的存在，傳輸線上電

10、壓、由于分布參數(shù)的存在，傳輸線上電壓、電流和阻抗的分布與低頻電路完全不同，電流和阻抗的分布與低頻電路完全不同，射頻傳輸線上信號出現(xiàn)了波動(dòng)性，并導(dǎo)致射頻傳輸線上信號出現(xiàn)了波動(dòng)性，并導(dǎo)致反射產(chǎn)生，因此需要建立射頻電路理論體反射產(chǎn)生，因此需要建立射頻電路理論體系。系。2. 無源器件的寄生參數(shù)無源器件的寄生參數(shù)分布參數(shù)的存在還會(huì)導(dǎo)致無源器件產(chǎn)分布參數(shù)的存在還會(huì)導(dǎo)致無源器件產(chǎn)生寄生參數(shù)，改變無源器件的參量。電阻、生寄生參數(shù)，改變無源器件的參量。電阻、電感或電容的引線都存在寄生電感和寄生電感或電容的引線都存在寄生電感和寄生電容，寄生參數(shù)使電阻、電感或電容的等電容，寄生參數(shù)使電阻、電感或電容的等效電路變得復(fù)

11、雜，例如低頻下的電阻在射效電路變得復(fù)雜，例如低頻下的電阻在射頻時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生感性或容性。頻時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生感性或容性。1.2.4 集膚效應(yīng)集膚效應(yīng)在電路中信號是通過導(dǎo)體傳輸?shù)模瑢?dǎo)在電路中信號是通過導(dǎo)體傳輸?shù)?，?dǎo)體存在集膚效應(yīng)。所謂集膚效應(yīng)是指當(dāng)頻體存在集膚效應(yīng)。所謂集膚效應(yīng)是指當(dāng)頻率升高時(shí)，電流只集中在導(dǎo)體的表面，導(dǎo)率升高時(shí)，電流只集中在導(dǎo)體的表面，導(dǎo)體內(nèi)部的電流密度非常小。集膚效應(yīng)使導(dǎo)體內(nèi)部的電流密度非常小。集膚效應(yīng)使導(dǎo)線的有效導(dǎo)電橫截面積減小，交流電阻增線的有效導(dǎo)電橫截面積減小，交流電阻增加。集膚效應(yīng)如圖加。集膚效應(yīng)如圖1.3所示。所示。 圖圖1.3 集膚效應(yīng)集膚效應(yīng)可以用趨膚深度描述集膚效應(yīng)的

12、程度。可以用趨膚深度描述集膚效應(yīng)的程度。趨膚深度趨膚深度定義為定義為式中式中為導(dǎo)體的磁導(dǎo)率，為導(dǎo)體的磁導(dǎo)率，為導(dǎo)體的電為導(dǎo)體的電導(dǎo)率，導(dǎo)體內(nèi)的電流主要集中在導(dǎo)體表面導(dǎo)率，導(dǎo)體內(nèi)的電流主要集中在導(dǎo)體表面的趨膚深度內(nèi)。的趨膚深度內(nèi)。在射頻電路中，集膚效應(yīng)引起電路損在射頻電路中，集膚效應(yīng)引起電路損耗急劇增加，必須考慮分布電阻對射頻電耗急劇增加，必須考慮分布電阻對射頻電路的影響。路的影響。在傳輸線上不僅需要考慮電感和電容在傳輸線上不僅需要考慮電感和電容的分布參數(shù)，還需要考慮電阻的分布參數(shù)，的分布參數(shù)，還需要考慮電阻的分布參數(shù)，這使得射頻電路與低頻電路顯著不同。這使得射頻電路與低頻電路顯著不同。射頻電路

13、與低頻電路的上述差異，不射頻電路與低頻電路的上述差異，不僅導(dǎo)致射頻電路理論與低頻電路理論不同，僅導(dǎo)致射頻電路理論與低頻電路理論不同，甚至導(dǎo)致射頻傳輸線采用了同軸線、平行甚至導(dǎo)致射頻傳輸線采用了同軸線、平行雙導(dǎo)線、帶狀線和微帶線等不同于低頻的雙導(dǎo)線、帶狀線和微帶線等不同于低頻的特殊結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生了獨(dú)特的射頻電路理論。特殊結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生了獨(dú)特的射頻電路理論。射頻電路主要應(yīng)用在無線通信領(lǐng)域，射頻電路主要應(yīng)用在無線通信領(lǐng)域，各種射頻無線通信系統(tǒng)有類似的結(jié)構(gòu)，下各種射頻無線通信系統(tǒng)有類似的結(jié)構(gòu)，下面以移動(dòng)通信為例介紹射頻系統(tǒng)的基本電面以移動(dòng)通信為例介紹射頻系統(tǒng)的基本電路結(jié)構(gòu)及主要特點(diǎn)。路結(jié)構(gòu)及主要特點(diǎn)。圖圖1.

14、4 射頻系統(tǒng)的一般框圖射頻系統(tǒng)的一般框圖射頻電路的設(shè)計(jì)方法與普通低頻電路射頻電路的設(shè)計(jì)方法與普通低頻電路的設(shè)計(jì)方法不同。的設(shè)計(jì)方法不同。 不僅射頻放大器的設(shè)計(jì)與低頻電路不不僅射頻放大器的設(shè)計(jì)與低頻電路不同，射頻濾波器、振蕩器的設(shè)計(jì)也與低頻同，射頻濾波器、振蕩器的設(shè)計(jì)也與低頻電路不同，因此需要建立新的射頻電路理電路不同，因此需要建立新的射頻電路理論，在射頻電路理論的基礎(chǔ)上全面學(xué)習(xí)射論，在射頻電路理論的基礎(chǔ)上全面學(xué)習(xí)射頻電路的設(shè)計(jì)方法。頻電路的設(shè)計(jì)方法。 ADS軟件是當(dāng)前射頻電路設(shè)計(jì)的首選軟件是當(dāng)前射頻電路設(shè)計(jì)的首選工程軟件，可以支持從模塊到系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。工程軟件，可以支持從模塊到系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 AD

15、S（Advanced Design System）軟件由）軟件由美國安捷倫（美國安捷倫（Agilent）公司開發(fā)，在深入）公司開發(fā)，在深入理解射頻電路理論的基礎(chǔ)上，結(jié)合軟件仿理解射頻電路理論的基礎(chǔ)上，結(jié)合軟件仿真工具進(jìn)行設(shè)計(jì)，是通向射頻電路設(shè)計(jì)成真工具進(jìn)行設(shè)計(jì)，是通向射頻電路設(shè)計(jì)成功的最佳路線。功的最佳路線。本書有配套的本書有配套的ADS射頻電路仿真教材射頻電路仿真教材，由為人民郵電出版社出版。由為人民郵電出版社出版。1.ADS射頻電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)與典型應(yīng)用射頻電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)與典型應(yīng)用2.ADS射頻電路仿真與實(shí)例詳解射頻電路仿真與實(shí)例詳解本書共分本書共分3大部分。大部分。 第第1部分為射頻電路基礎(chǔ)知

16、識和基本部分為射頻電路基礎(chǔ)知識和基本理論。內(nèi)容包括第理論。內(nèi)容包括第1章引言和第章引言和第24章，主章，主要介紹射頻電路的基本概念、基本參數(shù)、要介紹射頻電路的基本概念、基本參數(shù)、圖解工具和基本研究方法。圖解工具和基本研究方法。第第2部分為射頻電路設(shè)計(jì)。內(nèi)容包括部分為射頻電路設(shè)計(jì)。內(nèi)容包括第第5 11章的諧振電路設(shè)計(jì)、匹配電路設(shè)章的諧振電路設(shè)計(jì)、匹配電路設(shè)計(jì)、濾波器設(shè)計(jì)、放大器設(shè)計(jì)、振蕩器設(shè)計(jì)、濾波器設(shè)計(jì)、放大器設(shè)計(jì)、振蕩器設(shè)計(jì)、混頻器設(shè)計(jì)和檢波器設(shè)計(jì)。計(jì)、混頻器設(shè)計(jì)和檢波器設(shè)計(jì)。第第3部分為部分為ADS射頻電路仿真簡介射頻電路仿真簡介。內(nèi)容包括內(nèi)容包括第第12章章，目的是架起射頻電路理目的是架起射頻電路理論與論與