射频电路设计学习(定稿)

1、RF Circuit RF Circuit DesignDesign Special edition for MOTECH SeminarDecember 05, 2005 12 射频电路应用日益广泛射频电路应用日益广泛 高性能计算机高性能计算机CPU工作频率已达到工作频率已达到1.7G赫兹以赫兹以 上，工作频率已达到射频微波频段上，工作频率已达到射频微波频段 通信设备工作频率日益提高通信设备工作频率日益提高 GSM、CDMA、 PHS工作频率为射频频率工作频率为射频频率 未来未来3G产品的广泛应用产品的广泛应用培养射频人才，普及射频知识成为社会和学校的共同需要培养射频人才，普及射频知识成为社

2、会和学校的共同需要RF Circuit RF Circuit DesignDesign 常用常用无线电波频段分布无线电波频段分布3MOTECHMOTECHMOTECH射頻射頻电电路常用基本路常用基本单单位位mVVdBmVPPdBcWPdBWmWPdBmVVPPdBsignalcarriersignalsignalsignal1log20log101log101log10log20log101212dBmwatt01mW1010mW20100mW301W332W364W4MOTECHMOTECHMOTECHRF滤波器前置放大器IF带通滤波器RF滤波器LNA接收天线功率分配器功率放大器升频器IF放

3、大器BaseProcessorUnit(BPU)GainControllerPADPADPLLVCO6 射频电路的设计方法：射频电路的设计方法： 场的方法场的方法基于麦克斯韦方程的设计方法基于麦克斯韦方程的设计方法 路的方法路的方法基于基尔霍夫定律基本原理的设计方基于基尔霍夫定律基本原理的设计方 法法 射频电路基础理论：射频电路基础理论： 双线传输线理论双线传输线理论 微波网络理论微波网络理论RF Circuit RF Circuit DesignDesign7 双线传输线理论双线传输线理论长线长线-传输线几何尺寸与其上所传输的电磁波的波长传输线几何尺寸与其上所传输的电磁波的波长 还长或者可以

4、比拟还长或者可以比拟某一瞬间传输线上各点电压或电流大小和方向均不相同某一瞬间传输线上各点电压或电流大小和方向均不相同短线短线-传输线几何尺寸远小于其上所传输的电磁波长传输线几何尺寸远小于其上所传输的电磁波长传输线上各点电压或电流大小和方向近似相等传输线上各点电压或电流大小和方向近似相等电长度电长度-传输线几何尺寸与其上所传输的电池波长的比传输线几何尺寸与其上所传输的电池波长的比值值RF Circuit RF Circuit DesignDesignTransmission Line Theory1confine E and H fields betweensignal line and gro

5、und Poynting Factor P = E x HGuided modes of EM waves:TEMTETM8MOTECHMOTECHMOTECHPropagation constant（ g） and characteristic impedance（Zo）:Equivalent Circuit of a transmission line:LRGCR, L, G, C:for unit lengthdVdzRj LIdIdzGj C Vd VdzRj LGj C VVRj LGj CZVIRj LGj Co ()( )()()()()(),/()/ ()gg (2)from

6、(1), (2), 12229Transmission Line Theory3MOTECHMOTECHMOTECH传输线理论传输线理论双线传输线的特性阻抗入射波、反射波反射系数 Smith圆图阻抗匹配常用反射常用反射损损耗耗 （RL）& 电压驻电压驻波比波比 （VSWR）对对照表照表VSWR| |ReturnLoss(dB)ReflectionPower(%)TransmissionPower(%)TransmissionLoss(dB)1.00.0000infinite0.000100.000.0001.10.047626.450.22799.7730.0101.20.090920

7、.830.82699.1740.0361.22200.199.91.30.130417.701.70098.3000.0741.40.166715.562.77997.2210.1221.43151.50.200013.984.00096.0000.1771.90.310310.169.62990.3710.4401.921010902.00.33339.5411.1188.890.511infinite101000 11MOTECHMOTECHMOTECH常常见传输线实际结构图见传输线实际结构图同轴线（coaxial cable）带状线（stripline）微带线（microstrip）缝隙

8、传输线（slot line）共面波导（coplanar waveguide）悬置微带线（suspended microstrip）矩形波导（rectangular waveguide）圆形波导（cylindrical waveguide）翼片波导（fin line）介质波导（dielectric waveguide）光纤（optical fiber)传输线特性12MOTECHMOTECHMOTECHHow Smith chart is generated:ZZrj xuj vZZZZrj xrj xLoLoLo/( )111LetMatching the real and imaginary

9、parts of (1):()() ,()()()urrvruvxx111111222222 constant ReZL circles: center (r/(r+1),0), radius 1/(r+1)constant ImZL circles: center (1,1/x), radius 1/xSmith Chart113MOTECHMOTECHMOTECHSmith Chart514r =0g= r =g=0MOTECHMOTECHMOTECH导体导体微带线微带线金属导体带条与接地板构成的传输线金属导体带条与接地板构成的传输线导体导体 h介质材料t微带线基本设计参数微带线基本设计参

10、数 基板参数基板参数 ：介电常数、介质损耗角正切、：介电常数、介质损耗角正切、基板高度和导线厚度基板高度和导线厚度 电特性参数：特性阻抗、工作频率、工电特性参数：特性阻抗、工作频率、工作波长、波导波长和电长度作波长、波导波长和电长度 微带线参数：宽度、长度和单位长度衰微带线参数：宽度、长度和单位长度衰 减量减量 微带线可用来购成电容、电感、滤波器、耦合微带线可用来购成电容、电感、滤波器、耦合器器微带线可用来购成电容、电感、滤波器、耦合器等微带线可用来购成电容、电感、滤波器、耦合器等微带线可用来购成电容、电感、滤波器、耦合器等微带线可用来购成电容、电感、滤波器、耦合器等微带线可用来购成电容、电感

11、、滤波器、耦合器等微带线可用来购成电容、电感、滤波器、耦合器等微带线可用来购成电容、电感、滤波器、耦合器等微带线可用来购成电容、电感、滤波器、耦合器等微带线可用来购成电容、电感、滤波器、耦合器等微带线可用来购成电容、电感、滤波器、耦合器等23微波网络理论微波网络理论低频电路端口以电压电流表示，对应网络参量低频电路端口以电压电流表示，对应网络参量 - Z、Y参量参量射频电路端口以反射波入射波表示射频电路端口以反射波入射波表示,对应网络参量对应网络参量 - 散射参散射参量量(S参数参数)RF Circuit RF Circuit DesignDesign2-PortNetworka1a222212

12、1221211112221212212111122212122121111IzIzVIzIzVVyVyIVyVyIVhIhIVhIhV2-PortNetworkI1V1I2V2ZLb2b2ZsVg2212211122212122121111log20log20log20/log20SORLSIsolationSLossGainSIRLaSaSbaSaSbH参数Y参数Z参数S参数24Network Parameters for 2-port NetworkMOTECHMOTECHMOTECH24散射矩阵（散射矩阵（S参数）参数） S a1a2b2b1比如对一个二端口网络：b1=S11a1+S12

13、a2b2=S21a1+S22a2 b = s a 011112aabs012212aabs022221aabs021121aabsai、bi分别为输入、输出信号的振幅大小。S参数的意义参数的意义(二二)在RF-2000中：S11-回波损耗RL匹配负载a2=0PiPrS21-插入损耗T11lg20lg10)(sPPdbRirL21lg20lg10)(sPPdbTitPt27 射频铁三角射频铁三角 频率、功率、阻抗频率、功率、阻抗频率：射频信号分析频率：射频信号分析-频域；低频信号分析频域；低频信号分析-时域时域 傅立叶变换傅立叶变换-沟通时间沟通时间-频率的数学表达式频率的数学表达式功率：射频信

14、号功率：射频信号-功率；低频信号功率；低频信号-电压、电流电压、电流阻抗：射频电路阻抗：射频电路-共轭匹配共轭匹配 RF Circuit RF Circuit DesignDesignSmall Signal Amplifier1 ( Max. Gain Design )S11 S12S21 S22 输出匹配电路输入匹配电路S SIN IN = = SS1111L LG GO OS S = = ININ* *L L = = OUTOUT * *G GS S G GL L OUT OUT = = SS2222 放大器电路方块图R R S SR R L LLLSSSSS22211211111SSS

15、SSSS11211222221单向优劣系数（Unilateral Figure of Merit，M） )1 ()1 (22221122112112SSSSSSM2max,2)1 (1)1 (1MGGMTUT22112221122212)1)(1 ()1 ()1 (LSLSLSTSSSSSG转换增益（Transducer Gain） 最大增益误差比 MOTECHMOTECHMOTECH28Small Signal Amplifier2双向放大器设计（Bilateral Amplifier Design） LLINSSSSS22211211111SSOUTSSSSS11211222221S S

16、=ININ* * 及 L L =OUTOUT* * 2121211124CCBBCSm2222222224CCBBCLm211222111122222111222221122222211111SSSSSSCSSCSSBSSB单向放大器设计（Unilateral Amplifier Design） IN IN = S= S11 11 及 OUT OUT = S= S2222 LOSTUGGGG222222121121111LLLOSSSSGSGSGS S = S= S1111* * 及 L L = S= S2222* * 222221211max,1111SSSGTU最大单项转换增益（Maxim

17、um Unilateral Transducer Gain） MOTECHMOTECHMOTECH29Small Signal Amplifier3放大器的稳定条件（Stability Criteria） 绝对稳定（Unconditionally stable) 稳定系数（stability factor） 条件穩定（Conditionally stable） 输出稳定圆（Load Stability Circle）: 输入稳定圆（Source Stability Circle）: K 1 ， |S11| 1 且 |S22| 1，|S11| 1，|S22| 1|cS| - rS| 1，|S11

18、| 1 或 |cL| - rL| 1，|S22| 1| S22 | 1| S11 | 1a.绝对稳定圆示意图稳定区域（斜线区）b.有条件稳定圆示意图cLrLcSrS| |cL| - rL | 1| S22 | 1| |cS| - rS | 1| S11 | 绝对稳定 MOTECHMOTECHMOTECH32Small Signal Amplifier5MOTECHMOTECHMOTECH33最大增益设计稳定系数K1,|S11|=0.471;|S22|=0.310.03故采用双向化最大增益设计法最佳输入反射系数sm=0.853; Zsm=3.984+3.216j最佳输出反射系数Lm=0.822; ZLm=36.9