射頻電路設(shè)計第一章

射頻電路設(shè)計第一章第一頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期三課程綱要、參考教材本課程通過講授射頻電路設(shè)計基礎(chǔ)理論，分析了普通低頻電路和元件當工作頻率升高到射頻波段（通常指30

MHz

～

4

GHz）時所遇到的困難和解決辦法，并避開電磁場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)計問題，同時運用Agilent公司（原HP公司）的專業(yè)電子設(shè)計仿真軟件ADS平臺加以仿真實踐，讓學(xué)生全面掌握射頻電路設(shè)計的基本方法和原則，了解專業(yè)電子設(shè)計軟件工具ADS的使用方法，提高學(xué)生的系統(tǒng)設(shè)計能力。教材：1、射頻電路設(shè)計——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——射頻電路設(shè)計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)計黃智偉編著電子工業(yè)出版社2006-042、射頻電路設(shè)計美W.Alan.Davis李福樂譯機械工業(yè)出版社2005-10－093、射頻與微波通信電路——分析與設(shè)計美DevendraK.Misra著徐承和等譯電子工業(yè)出版社2005-11

第二頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期三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)計第九章射頻濾波器設(shè)計第十章混頻器和振蕩器設(shè)計第三頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期三課程教學(xué)計劃理論講授：34學(xué)時第一部分．介紹射頻傳輸?shù)奶攸c、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)參量和信號流圖；(12學(xué)時)

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)

第三部分．專業(yè)的射頻仿真軟件ADS介紹。(2學(xué)時)

第三部分．射頻濾波器的原理分析和設(shè)計指導(dǎo)。(4學(xué)時)

第四部分．射頻放大器的原理分析和設(shè)計指導(dǎo)。(4學(xué)時)

第五部分．混頻器和振蕩器的原理分析和設(shè)計指導(dǎo)。(4學(xué)時)

上機實驗及課程設(shè)計：

第四頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期三引言–射頻電路設(shè)計基礎(chǔ)

1.1射頻電路系統(tǒng)簡介1.2量綱和單位1.3頻譜1.4無源元件的射頻特性1.5片狀元件及對電路板的考慮第五頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期三1.1射頻電路系統(tǒng)簡介一般射頻系統(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)的電磁波的波長變得可與分立元件的尺寸相比擬時，電阻、電容、電感這些元件的電響應(yīng)將開始偏離它們的理想頻率特性。這時，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第六頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期三

1.2量綱和單位在自由空間，向z方向傳播的平面電磁（EM）波，當E⊥H⊥傳播方向時，即為橫電磁（TEM)波：特性阻抗（波阻抗）：電場和磁場分量的比波相速：第七頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期三1.3頻譜第八頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期三1.4無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)，這是在射頻電路設(shè)計、模擬和布線過程中必須注意的。第九頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期三1.4.1高頻電阻－射頻特性一個電阻器的高頻等效電路如右上圖所示，圖中，兩個電感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，與標稱電阻相比較，引線電阻常常被忽略。從圖可見，在低頻時電阻的阻抗是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，引線電感會成為一個無限大的阻抗，甚至開路。一個金屬膜電阻的阻抗絕對值與頻率的關(guān)系如右下圖所示：低頻時電阻的阻抗是R；當頻率升高并超過10MHz時，寄生電容的影響便成為主要的，它引起電阻的阻抗下降；當頻率超過大約20GHz的諧振點時，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開路線或無限大阻抗）一個500Ω金屬膜電阻的阻抗絕對值與頻率的關(guān)系第十頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期三1.4.1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1/10W～1W，阻值范圍為0.1～10M。例如，0603的封裝尺寸僅為1.60mm（長）×0.8mm（寬）×0.45mm（高）。第十一頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期三1.4.2

高頻電容－射頻特性一個電容器的高頻等效電路如圖所示，圖中，電感L等效為引線電感，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，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。如果引線電感與實際電容器的電容諧振，這將會產(chǎn)生一個串聯(lián)諧振，使總電抗趨向為0。由于這個串聯(lián)諧振產(chǎn)生一個很小的串聯(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，當電路的工作頻率高于串聯(lián)諧振頻率時，該電容器將表現(xiàn)為電感性而不是電容性。一個電容器的阻抗絕對值與頻率的關(guān)系如右下圖所示。一個電容器的阻抗絕對值與頻率的關(guān)系第十二頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期三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部分，使用頻率可以高達15GHz。例如一種型號為CDR系列的片狀電容器，最小封裝尺寸僅為2.00mm（長）×1.25mm（寬）×1.30mm（高），電容值范圍從0.1～470000pF，電壓為100V。1.4.2高頻電容－類型第十三頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期三1.4.3高頻電感－射頻特性線圈通常時用導(dǎo)線在圓柱體上繞制而成，相鄰位置線段間有分離的移動電荷，寄生電容的影響上升。如右圖一個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，分布電容Cs與電感線圈并聯(lián)，這也意味著，一定存在著某一頻率，在該頻率點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為電感器的自諧振頻率（SRF，SelfResonantFrequency）。當頻率超過諧振頻率點時，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第十四頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期三1.4.3高頻電感－射頻特性2一個射頻線圈的阻抗絕對值與頻率的關(guān)系如右圖所示：當頻率接近諧振點時，射頻線圈（RFC）的阻抗迅速提高，當頻率繼續(xù)提高時，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)表征無源電路的電阻損耗，通常希望得到盡可能高的品質(zhì)因數(shù)。一個射頻線圈的阻抗絕對值與頻率的關(guān)系第十五頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期三1.4.3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3.3～100000nH，0603的封裝尺寸為1.70mm（長）×1.16mm（寬）×1.02mm（高）。第十六頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期三1.5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：Lq為動態(tài)電感（等效電感）；Cq為動態(tài)電容；rq為動態(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)。當石英晶體薄片的幾何尺寸和結(jié)構(gòu)一定時，具有一個固有的機械振動頻率。當高頻交流電壓加于晶片兩端時，晶片將隨交變信號的變化而產(chǎn)生機械振動，當信號頻率與晶片固有振動頻率相等時，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C0》Cq，所以fs≈fp第十七頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期三1.5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：當=s時，Lq、Cq支路產(chǎn)生串聯(lián)諧振，Z=0；當=p時，產(chǎn)生并聯(lián)諧振，Z→；當＜s或＞p時，Z=jx，等效阻抗Z呈容性；當s＜＜p時，Z=+jx，等效阻抗Z呈感性。阻抗特性如右圖所示。實際使用時，石英晶體諧振器工作在頻率范圍窄的電感區(qū)，等效為一個電感。石英晶體諧振器的阻抗特性第十八頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期三1.5片狀元件及對電路板的考慮無源元件在射頻印刷電路板上的可實用性，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（1mil＝0.001inch)，功率越大，尺寸越大，當功率額定值為1000W時，尺寸增到1x1inch，常用的片狀電阻尺寸如右表：電阻值的范圍從1/10Ω高到幾MΩ，高阻值電阻不僅難以制造，還導(dǎo)致高的容差，并易于產(chǎn)生寄生場，影響電阻頻率特性的線性度。如右圖為常用的片狀電阻的結(jié)構(gòu)第十九