高频与射频电路_第1章

1、高频与射频电路高频与射频电路课程相关课程相关n成绩构成：成绩构成：n平时成绩：平时成绩：40%（出勤、作业、实验报告等等）（出勤、作业、实验报告等等）n期末成绩：期末成绩：60%n答疑时间地点：答疑时间地点：n周二：周二：5-6节节n周三：周三：9-10节节n周四：周四：3-4节节n办公室：理工办公室：理工4F-22n参考书：参考书：n射频电路设计射频电路设计理论与应用理论与应用，Reinhold Ludwig 著，王子宇等译，电子工业出版社著，王子宇等译，电子工业出版社n射频通信电路设计射频通信电路设计，刘长军，科学出版社，刘长军，科学出版社教学文件系统密码：教学文件系统密码：rfcours

2、e3 近年来由于通信技术及计算机技术的迅猛发展，近年来由于通信技术及计算机技术的迅猛发展，工作频率日益提高，射频和微波电路得到广泛应用。工作频率日益提高，射频和微波电路得到广泛应用。 目前大多数教材都是面向两种不同的读者：目前大多数教材都是面向两种不同的读者： 1. 具有坚实理论基础的研究生常常通过电磁场处具有坚实理论基础的研究生常常通过电磁场处理方法进入这个领域。该方法确实涵盖了波导和传输理方法进入这个领域。该方法确实涵盖了波导和传输线方面的知识，但却远未触及线方面的知识，但却远未触及高频放大器等射频电路高频放大器等射频电路设计设计方面的重要内容。方面的重要内容。 2. 对数学和物理的严格性

3、不太感兴趣的工程技术对数学和物理的严格性不太感兴趣的工程技术人员则更喜欢采用电路理论来处理问题。该方法不涉人员则更喜欢采用电路理论来处理问题。该方法不涉及或表面涉及到电压、电流的波动性质，及或表面涉及到电压、电流的波动性质，而波的反射而波的反射和传输特性是影响射频电路特性的重要因素。和传输特性是影响射频电路特性的重要因素。4 本教材不采用电磁场理论也能讲清楚本教材不采用电磁场理论也能讲清楚传输线传输线原理。原理。这样除了有物理课程中场和波方面这样除了有物理课程中场和波方面的知识的知识外，具备基外，具备基本电路理论及微电子学方面本电路理论及微电子学方面的知识的知识即可。即可。 本书主要分析低频电

4、路和元件当工作本书主要分析低频电路和元件当工作频率升高频率升高到到射频波段射频波段（30MHz4GHz）时所遇到时所遇到的困难的困难和解决办和解决办法，并重点讨论法，并重点讨论横电磁波横电磁波（电场与电场与磁场传播方向正交）磁场传播方向正交）的传输特性及用的传输特性及用微带线微带线（由特定长度和宽度的敷铜带）由特定长度和宽度的敷铜带）制成的各种制成的各种射频射频器件的原理和方法。器件的原理和方法。课程组成理论部分理论部分1. 引言引言2. 传输线分析传输线分析3. Smith圆图圆图4. 端口网络和多端口网络端口网络和多端口网络5. 射频滤波器设计射频滤波器设计6. 有源射频元件有源射频元件7

5、. 有源射频电路器件模型有源射频电路器件模型8. 匹配网络和偏置网络匹配网络和偏置网络9. 射频晶体管放大器设计射频晶体管放大器设计10. 振荡器和混频器振荡器和混频器*11. 调制与解调调制与解调实践部分实践部分1. ADS软件应用初步软件应用初步2. 射频滤波器射频滤波器的设计与的设计与仿真仿真3. 阻抗匹配阻抗匹配网络的设计网络的设计与仿真与仿真4. 射频放大器射频放大器的设计与的设计与仿真仿真6 第第1章章 引引 言言 1.1 射频设计的重要性射频设计的重要性 本书的主要目的是提供模拟电路设计的理论和实例，该电本书的主要目的是提供模拟电路设计的理论和实例，该电路的工作频率可延伸到射频和

6、微波波段，在该波段普通电路的路的工作频率可延伸到射频和微波波段，在该波段普通电路的分析方法是不适用的，由此引出以下问题：分析方法是不适用的，由此引出以下问题： 普通电路分析方法适用的上限频率是多少？普通电路分析方法适用的上限频率是多少？ 什么特性使得电子元件的高频性能和低频性能有如此大的差什么特性使得电子元件的高频性能和低频性能有如此大的差 别？别？ 被应用的被应用的“新新”电路理论是什么？电路理论是什么？ 这些理论是如何应用于高频模拟电路实际设计的？这些理论是如何应用于高频模拟电路实际设计的？ 回顾由低频到高频电路的演变过程，并从物理的角度引出回顾由低频到高频电路的演变过程，并从物理的角度引

7、出和揭示采用新技术去设计、优化此类电路的必要性。和揭示采用新技术去设计、优化此类电路的必要性。7一般射频系统方框图一般射频系统方框图数数字字电电路路DACLPFPAADCOSCPA模模-数变换器数变换器数数-模变换器模变换器低通滤波器低通滤波器切换开关切换开关本地振荡器本地振荡器接收功率放大器接收功率放大器发射功率放大器发射功率放大器混合信号电路混合信号电路 模拟信号电路模拟信号电路天线天线混频器混频器将信号将信号以电磁以电磁波的形波的形式向自式向自由空间由空间发射。发射。语音语音信号信号经过经过抽样抽样量化量化编码编码处理处理或计或计算机算机信号信号8移动电话移动电话2GHz功率放大器第一级

8、简化电路功率放大器第一级简化电路CB100pF8.2pFRFC至至第第二二级级射频线圈射频线圈C4VCC3隔直隔直电容电容级间匹配网络级间匹配网络静态电阻静态电阻C2C1CB隔直隔直电容电容100pF8.2pFRFCRVBRF阻塞网络阻塞网络BFG425W R F输入输入输入匹配网络输入匹配网络微带线微带线 为保证最佳的功率传输和消除由反射引起的性能变坏，输入阻抗必须与为保证最佳的功率传输和消除由反射引起的性能变坏，输入阻抗必须与输出阻抗相匹配，关键元件是微带线。输出阻抗相匹配，关键元件是微带线。输入和输出的偏置网络是输入和输出的偏置网络是通过两个通过两个RFRF阻塞网络将高频信号与阻塞网络将

9、高频信号与DCDC偏置分离，关键元件是射频线圈。偏置分离，关键元件是射频线圈。9功率放大器印刷电路板布局功率放大器印刷电路板布局了解、分析和最终制造这种了解、分析和最终制造这种PA电路，要涉及许多关键的电路，要涉及许多关键的RF课题。课题。12.7mm10 在第在第2章章“传输线分析传输线分析”中将中将讨论传输线的讨论传输线的阻抗特性，其定量阻抗特性，其定量 求解过程在第求解过程在第3章章“Smith圆图圆图”中中介绍。介绍。 第第4章研究将复杂电路简化为较简单的组元能力，该组元的章研究将复杂电路简化为较简单的组元能力，该组元的 输入输入-输出是输出是 通过两端口网络描述。通过两端口网络描述。

10、 在第在第5章章“滤波器设计滤波器设计”中研究特定的阻抗对频率响应的一般中研究特定的阻抗对频率响应的一般 开发策略开发策略,简述以分立元件和分布元件为基础的滤波器理论。简述以分立元件和分布元件为基础的滤波器理论。 第第8章章将研究将研究“匹配网络和偏置网络匹配网络和偏置网络”的实现。的实现。 第第9章介绍章介绍“射频晶体管放大器设计射频晶体管放大器设计”中有关增益、线性度、中有关增益、线性度、 噪声和稳定度等指标噪声和稳定度等指标。11 1.2 量纲和单位量纲和单位 为了理解频率上限，在自由空间，向正为了理解频率上限，在自由空间，向正 z 方向传播的平面方向传播的平面电磁波为：电磁波为：A/m

11、V/m是x方向的电场矢量是y方向的磁场矢量ztHHztEEyyxxcoscos00平面电磁波的主要性质：平面电磁波的主要性质：1. 电磁波是横波，电磁波是横波，E和和H都与传播方向垂直；都与传播方向垂直；2. E和和H互相垂直，且同相位。互相垂直，且同相位。12其中磁导率和介电常数与材料有关，0=410-7(H/m)，0=8.8510-12 (F/m) ， r和r为相对值。 正弦波的等相位面传播的速度称为相速度。正弦波的等相位面传播的速度称为相速度。根据经典场论，电场和磁场分量的比值就是本征阻抗（波根据经典场论，电场和磁场分量的比值就是本征阻抗（波阻抗）：阻抗）： /xyrrrrZEH 000

12、377TEMTEM波相速：波相速：prrcvf 1m/sk 在波的传播方向上，单位距离空间相位在波的传播方向上，单位距离空间相位kzkz的变化称为相位的变化称为相位常数（传播常数）：常数（传播常数）： 空间相位空间相位kzkz变化变化22所经过的距离称为波长：所经过的距离称为波长：/213解：解：自由空间的相对磁导率和介电常数等于自由空间的相对磁导率和介电常数等于1例例1.1 计算 f = 30MHz，300MHz，30GHz 在自由空间电磁波的波阻抗、相速和波长。fvvpp22波波 长：长：3771085. 8104127000Z波阻抗：波阻抗：smvp/10311800相相 速：速：1 m

13、1 cm10 m14 1.3 频谱频谱 VHF/UHF就是典型的电视工作波段，其波长与电子系统的实际尺寸相当，在有关的电子线路中开始考虑电流和电压信号波的性质。RF范围：范围：VHFS波段。波段。MW范围：范围：C波段以上波段以上。电气和电子工程师学会电气和电子工程师学会(IEEE) 频谱频谱VLF(甚低频甚低频) 330kHz 10010km频频 段段 频频 率率 波波 长长ELF(极低频极低频) 30300Hz 100001000kmMF(中频中频) 3003000kHz 10.1kmVF(音频音频) 3003000Hz 1000100kmVHF(甚高频甚高频) 30300MHz 101m

14、LF(低频低频) 30300kHz 101kmS 波段波段 24GHz 157.5cmHF(高频高频) 330MHz 10010mUHF(特高频特高频) 3003000MHz 10010cmSHF(超高频超高频) 330GHz 101cm频频 段段 频频 率率 波波 长长EHF(极高频极高频) 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 26.540GHz 1.130.75cmK 波段波段 1826.5GHz

15、1.671.13cmL 波段波段 12GHz 3015cmK 波段波段 12.518GHz 2.41.67cm亚毫米波亚毫米波 3003000GHz 10.1mmmicrowave微波:tadio frequency射频:nGSMn890-909 MHz 935-954 MHz（中国移动）n909-915 MHz 954-960 MHz（中国联通）n1710-1720 MHz 1805-1815 MHz（中国移动）n1745-1755 MHz 1840-1850 MHz（中国联通） nCDMA 1X：上行825-835MHz 下行870-880MHznCDMA EVDO：1920-1935MH

16、z、2110-2125MHz nTD-LTE（中国移动）n1880-1900 MHz、2320-2370 MHz、2575-2635MHznWLAN：2.4GHz/5GHznRFIDn125KHz、133KHz、13.56MHz、27.12MHz、433MHz、902MHz-928MHz、2.45GHz、5.8GHz 15射频电路设计特点n分布参数n寄生电容、寄生电感n /10准则n射频电路还是低频电路n趋肤效应分布参数概念n集总参数元件是指一个独立的局域性元件，能够在一定的频率范围内提供特定的电路性能。n分布参数元件是指一个元件的特性延伸扩展到一定的空间范围内，不再局限于元件自身。n电磁场分

17、布在附近的空中，其特性受周围环境的影响 分布参数 例-1分布参数 例-2/10设计准则n线路板 /10n射频电路设计n考虑分布参数n考虑传输线效应n线路板 /10n低频电路设计/10设计准则 例-1/10设计准则 例-2导线导线的直流电阻的直流电阻：对对DC信号，传导电流流过整个导体横截面信号，传导电流流过整个导体横截面。在在AC时，交变的载流子形成交变磁场，该磁场又感时，交变的载流子形成交变磁场，该磁场又感应一个电场，与该电场相关联的电流密度与原始的应一个电场，与该电场相关联的电流密度与原始的电流相反，在中心感应最强，所以导体中心的电阻电流相反，在中心感应最强，所以导体中心的电阻最大，随着频

18、率的提高，电流趋向于导体最大，随着频率的提高，电流趋向于导体外表，这外表，这就是就是趋肤效应。趋肤效应。23condDCalR2/趋肤效应24 在高频条件下(f500MHz)，归一化电阻：归一化电阻：R/RDC a/2 在多数情况下导体的在多数情况下导体的r=1，故趋肤厚度随着频率的升高迅速降低。=(f cond)-1/2Jz /Jz0r2a低电流密度低电流密度电流方向电流方向高电流密度高电流密度a-aAu=48.544106S/mAl=40.0106S/mCu=64.516106S/m，mm铜、铝、金的趋肤厚铜、铝、金的趋肤厚度与频率的关系曲线度与频率的关系曲线AuCu10510610710

19、81091040.10.300.40.50.60.70.80.910.2Alf，Hz半径半径 a=1mm铜线归一化铜线归一化AC电流密度的频率特性电流密度的频率特性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其其趋肤深度：趋肤深度：分贝表示法n分贝通常是一个无量纲的比值，用来表示物理量相对值。10dB10logOUTPINPGP20101020dBdB10log20logOUTOUTVPININVZVGGVVZn绝对功率的分贝表示绝对功率的分贝表示10dBm10log1mWPPn绝对电压的分贝表示绝对电压的分贝表示10dBV20log1VVV10dBV20log1VVV在阻抗为在阻抗为50 的射频系统中，的射频系统中，0dB V的信号和的信号和-107dBm的信号具有相同的功率的信号具有相同的功率 101150dBm10log107dBm1mWVVP LC串联谐振电路：串联谐振电路：01LC谐振频率：11ZRj Lj CRjLCRjX谐振谐振条件：条件：X=0LC谐振电路的谐振电路的特性特性LC并联并联谐振电路：谐振电路：1111Yj Cj LrjCrLGjB谐振谐振