射频电路设计一

1、课程纲要、参考教材 本课程通过讲授射频电路设计基础理论，分析了普通低频电路和元件 当工作频率升高到射频波段（通常指30MHz4GHz）时所遇到的 困难和解决办法，并避开电磁场理论繁杂的处理方法，而采用分布参 量等效电路的方法讨论射频和微波电路的设计问题，同时运用Agilent 公司（原HP公司）的专业电子设计仿真软件ADS平台加以仿真实践， 让学生全面掌握射频电路设计的基本方法和原则，了解专业电子设计 软件工具ADS的使用方法，提高学生的系统设计能力。 教材： 1、射频电路设计理论与应用美Ludwig,R.徐承和等译电子工业出版社 2003-05 2、ADS应用详解射频电路设计与仿真陈艳华等编

2、著人民邮电出版社 参考书： 1、射频电路设计射频电路设计 黄智伟编著电子工业出版社2006-04 2、射频电路设计射频电路设计 美W.Alan.Davis李福乐译机械工业出版社2005-1009 3、射频与微波通信电路分析与设计美DevendraK.Misra著徐承和等 译电子工业出版社2005-11 目录 第一章引言 第二章传输线分析 第三章Smith圆图 第四章单端口网络和多端口网络 第五章有源射频器件模型 第六章匹配网络和偏置网络 第七章射频仿真软件ADS概况 第八章射频放大器设计 第九章射频滤波器设计 第十章混频器和振荡器设计 课程教学计划 理论讲授：理论讲授：3434学时学时 第一部

3、分介绍射频传输的特点、传输线基本原理及作为 射频和微波分析工具的Smith圆图、网络参量和信号流图； (12学时) 第二部分介绍各种有源射频器件模型及匹配网络的原理 分析 (8学时) 第三部分专业的射频仿真软件ADS介绍。 (2学时) 第三部分射频滤波器的原理分析和设计指导。 (4学时) 第四部分射频放大器的原理分析和设计指导。(4学时) 第五部分混频器和振荡器的原理分析和设计指导。(4学 时) 上机实验及课程设计：上机实验及课程设计： 引言射频电路设计基础 1.1射频电路系统简介 1.2量纲和单位 1.3频谱 1.4无源元件的射频特性 1.5片状元件及对电路板的考虑 1.1射频电路系统简介射

4、频电路系统简介 一般射频系统方框图： 射频电路的工作频率： 通常高于1GHz 随着频率的升高、相应的电磁波 的波长变得可与分立元件的尺寸相 比拟时，电阻、电容、电感这些元 件的电响应将开始偏离它们的理想 频率特性。这时，普通的电路分析 方法已不适用。 射频电路的主要部件： 传输线 滤波器 功率放大器 混频器和振荡器 1.2 量纲和单位量纲和单位 在自由空间，向z方向传播的平面电磁（EM）波， 当EH传播方向时，即为横电磁（TEM)波： 特性阻抗（波阻抗）：电场和磁场分量的比 波相速： 1.3 频谱频谱 1.4 无源元件的射频特性无源元件的射频特性 在射频频段，集总电阻、集总电容和集总 电感的特

5、性是不具有“纯”的电阻、电容 和电感的性质，这是在射频电路设计、模 拟和布线过程中必须注意的。 1.4.1高频电阻高频电阻射频特性 一个电阻器的高频等效电路如右上图所示， 图中，两个电感L等效为引线电感；电容Cb表 示电荷分布效应，Ca表示为引线间电容，与 标称电阻相比较，引线电阻常常被忽略。 从图可见，在低频时电阻的阻抗是R；随着频 率的升高，寄生电容的影响成为引起电阻阻 抗下降的主要因素；然而随着频率的进一步 升高，由于引线电感的影响，电阻的总阻抗 上升。在很高的频率时，引线电感会成为一 个无限大的阻抗，甚至开路。 一个金属膜电阻的阻抗绝对值与频率的关系 如右下图所示： 低频时电阻的阻抗是

6、R； 当频率升高并超过10MHz时，寄生电容的影响便 成为主要的，它引起电阻的阻抗下降； 当频率超过大约20GHz的谐振点时，由于引线电 感的影响，总的阻抗上升（引线电感在很高频率下代 表一个开路线或无限大阻抗） 一个500金属膜电阻的阻抗绝对值与频率的关系 1.4.1高频电阻高频电阻类型 目前，在射频电路中主要应用的是 薄膜片状电阻，该类电阻的尺寸能 够做得非常小，可以有效地减少引 线电感和分布电容的影响。 片状电阻的形式有0603、0805、 1206、2010、2512，功率范围为 1/10W1W，阻值范围为0.1 10M。 例如，0603的封装尺寸仅为 1.60mm（长）0.8mm（宽

7、） 0.45mm（高）。 1.4.2高频电容高频电容射频特性 一个电容器的高频等效电路如图所示，图 中，电感L等效为引线电感，电阻Rs表示 引线导体损耗，电阻Re表示介质损耗。 由图可见，电容器的引线电感将随着频率 的升高而降低电容器的特性。如果引线电 感与实际电容器的电容谐振，这将会产生 一个串联谐振，使总电抗趋向为0。由 于这个串联谐振产生一个很小的串联阻抗， 所以非常适合在射频电路的耦合和去耦电 路中应用。然而，当电路的工作频率高于 串联谐振频率时，该电容器将表现为电感 性而不是电容性。 一个电容器的阻抗绝对值与频率的关系如 右下图所示。 一个电容器的阻抗绝对值与频率的关系 片状电容器有

8、高频用（高Q）多层陶瓷片状电 容器、X7R介质片状电容器、NPO介质片状电 容器、Y5V介质片状电容器、固体钽质片状电容 器等多种形式。 目前，多层陶瓷片状电容器在射频电路中广泛 使用，它们可用于射频电路中的各个部分，使用 频率可以高达15GHz。 例如一种型号为CDR系列的片状电容器，最小 封装尺寸仅为2.00mm（长）1.25mm（宽） 1.30mm（高），电容值范围从0.1470 000pF，电压为100V。 1.4.2高频电容高频电容类型 1.4.3高频电感高频电感射频特性 线圈通常时用导线在圆柱体上绕制而成， 相邻位置线段间有分离的移动电荷，寄 生电容的影响上升。如右图 一个电感器的

9、高频等效电路如图所示， 图中，电容Cs为等效分布电容，Rs为等 效电感线圈电阻，Cs和Rs分别代表分布 电容Cd和电阻Rd的综合效应。 从图可见，分布电容Cs与电感线圈并联， 这也意味着，一定存在着某一频率，在 该频率点线圈电感和分布电容产生并联 谐振，使阻抗迅速增加。通常称这一谐 振频率点为电感器的自谐振频率（SRF， SelfResonantFrequency）。当频率超 过谐振频率点时，分布电容Cs的影响将 成为主要因素，线圈的阻抗降低。 高频电感的等效电路 1.4.3高频电感高频电感射频特性2 一个射频线圈的阻抗绝对值与频率的关 系如右图所示：当频率接近谐振点时， 射频线圈（RFC）的

10、阻抗迅速提高，当 频率继续提高时，寄生电容Cs的影响则 成为主要的，线圈的阻抗降低。 线圈电阻的影响通常用品质因数Q来表 示 式中，X是电抗；Rs是线圈的串联电阻。 品质因数表征无源电路的电阻损耗，通常 希望得到尽可能高的品质因数。 一个射频线圈的阻抗绝对值与频 率的关系 s X Q R 1.4.3高频电感高频电感类型 目前片式电感也在射频电路中被广泛使用。片式 电感器有绕线型片式电感器、陶瓷叠层片式电感 器、多层铁氧体片式电感器、片式磁珠等多种形 式。 例如一种FHW系列的绕线型片式电感器有0603、 0805、1008、1210、1812形式，电感范围为 3.3100000nH，0603的

11、封装尺寸为1.70mm （长）1.16mm（宽）1.02mm（高）。 1.5石英晶体谐振器的射频特性 如右图石英晶体谐振器的等效电路和符号：Lq为动态 电感（等效电感）；Cq为动态电容；rq为动态电阻； C0为晶片与金属极板构成的静态电容。 石英晶体谐振器由石英晶体薄片加上电极构成。石英 晶体薄片具有正、反压电效应。当石英晶体薄片的几 何尺寸和结构一定时，具有一个固有的机械振动频率。 当高频交流电压加于晶片两端时，晶片将随交变信号 的变化而产生机械振动，当信号频率与晶片固有振动 频率相等时，产生了谐振。 石英晶体谐振器的等效电感Lq非常大，而Cq和rq都非 常小，所以石英晶体谐振器具有非常高的

12、Q值，其Q 值为 从图等效电路可看出，石英晶体谐振器有两个谐振频率，串 联谐振频率fs和并联谐振频率fp。 在等效电路中，Lq、Cq组成串联谐振回路，串联谐振频率fs为 Lq、Cq与C0组成并联谐振回路，并联谐振频率fp为： 由于C0Cq，所以fsfp q qq 1 L Q rC s qq 1 2 f L C 0q p 0 qq q s 0 1 2 1 CC f CL C C f C 1.5石英晶体谐振器的射频特性 石英谐振器的阻抗特性 忽略rq（设rq=0），石英晶体谐振器的 等效阻抗Z为右式 从式可见： 当=s时，Lq、Cq支路产生串联谐振，Z=0； 当=p时，产生并联谐振，Z； 当 s或

13、p时，Z=jx，等效阻抗Z呈容性； 当sp时，Z=+jx，等效阻抗Z呈感性。 阻抗特性如右图所示。 实际使用时，石英晶体谐振器工作在 频率范围窄的电感区，等效为一个电 感。 qq0 qq0 2 qqq 0 q0 qq q0 2 2 p s 22 0 j(1/)(j/) j(1/1/) (11/) 1 j 11/ 1 j11 LCC Z LCC LL C CC C LL CC C 石英晶体谐振器的阻抗特性 1.5片状元件及对电路板的考虑 无源元件在射频印刷电路板上的可实用性， 主要体现在其片状外形便于安装在专用板材 上。 片状电阻： 功率额定值为0.5W的片状电阻的尺寸可小 到40X20mil（

14、1mil0.001inch)，功率越大， 尺寸越大，当功率额定值为1000W时，尺寸 增到1x1 inch，常用的片状电阻尺寸如右表： 电阻值的范围从1/10高到几 M，高阻 值电阻不仅难以制造，还导致高的容差，并 易于产生寄生场，影响电阻频率特性的线性 度。 如右图为常用的片状电阻的结构 1.5片状元件及对电路板的考虑 片状电容 片状电容有单平板结构和多层结构，如右图 通常，单平板电容器有2个或4个单元组，它们 共用一个电介质和公共的电极。如下图： 片状元件及对电路板的考虑表面安装电感表面安装电感 最通用的表面安装电感仍然是线绕线圈， 如图为具有空气芯的电感器 典型的表面线装电感的尺寸为60

15、X120mil， 电感值从1nH至1000H。 课程纲要、参考教材 本课程通过讲授射频电路设计基础理论，分析了普通低频电路和元件 当工作频率升高到射频波段（通常指30MHz4GHz）时所遇到的 困难和解决办法，并避开电磁场理论繁杂的处理方法，而采用分布参 量等效电路的方法讨论射频和微波电路的设计问题，同时运用Agilent 公司（原HP公司）的专业电子设计仿真软件ADS平台加以仿真实践， 让学生全面掌握射频电路设计的基本方法和原则，了解专业电子设计 软件工具ADS的使用方法，提高学生的系统设计能力。 教材： 1、射频电路设计理论与应用美Ludwig,R.徐承和等译电子工业出版社 2003-05

16、 2、ADS应用详解射频电路设计与仿真陈艳华等编著人民邮电出版社 参考书： 1、射频电路设计射频电路设计 黄智伟编著电子工业出版社2006-04 2、射频电路设计射频电路设计 美W.Alan.Davis李福乐译机械工业出版社2005-1009 3、射频与微波通信电路分析与设计美DevendraK.Misra著徐承和等 译电子工业出版社2005-11 引言射频电路设计基础 1.1射频电路系统简介 1.2量纲和单位 1.3频谱 1.4无源元件的射频特性 1.5片状元件及对电路板的考虑 1.2 量纲和单位量纲和单位 在自由空间，向z方向传播的平面电磁（EM）波， 当EH传播方向时，即为横电磁（TEM

17、)波： 特性阻抗（波阻抗）：电场和磁场分量的比 波相速： 1.4.1高频电阻高频电阻射频特性 一个电阻器的高频等效电路如右上图所示， 图中，两个电感L等效为引线电感；电容Cb表 示电荷分布效应，Ca表示为引线间电容，与 标称电阻相比较，引线电阻常常被忽略。 从图可见，在低频时电阻的阻抗是R；随着频 率的升高，寄生电容的影响成为引起电阻阻 抗下降的主要因素；然而随着频率的进一步 升高，由于引线电感的影响，电阻的总阻抗 上升。在很高的频率时，引线电感会成为一 个无限大的阻抗，甚至开路。 一个金属膜电阻的阻抗绝对值与频率的关系 如右下图所示： 低频时电阻的阻抗是R； 当频率升高并超过10MHz时，寄生电容的影响便 成为主要的，它引起电阻的阻抗下降； 当频率超过大约20GHz的谐振点时，由于引线电 感的影响，总的阻抗上升（引线电感在很高频率下代 表一个开路线或无限大阻抗） 一个500金属膜电阻的阻抗绝对值与频率的关系 1.4.3高频电感高频电感射频特性2 一个射频线圈的阻抗绝对值与频率的关 系如右图所示：当频率接近谐振点时， 射频线圈（RFC）的阻抗迅速提高，当 频率继续提高时，寄生电容Cs的影响则 成为主要的，线圈的阻抗降低。 线圈电阻的影响通常用品质因数Q来表 示 式中，X是电抗；Rs是线圈的串联电阻。 品质因数表征无源电路的电阻损耗，通常 希