射频电路第一章.ppt

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1、射频电路第一章 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望 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

2、方法确实涵盖了波导和传输线方面的知识，但却远未触及高频放大器、振荡器及线方面的知识，但却远未触及高频放大器、振荡器及混频器设计方面的重要内容。混频器设计方面的重要内容。2.对数学和物理的严格性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。2 本课程不采用电磁场理论也能讲清楚传输本课程不采用电磁场理论也能讲清楚传输线原理。

3、这样除了有物理课程中场和波方面的线原理。这样除了有物理课程中场和波方面的知识外，具备基本电路理论及微电子学方面的知识外，具备基本电路理论及微电子学方面的知识即可。教材选用射频电路设计知识即可。教材选用射频电路设计理论与理论与应用作参考。主要分析低频电路和元件当工应用作参考。主要分析低频电路和元件当工作频率升高到作频率升高到射频波段射频波段（30MHz4GHz）时所时所遇到的困难和解决办法，并重点讨论遇到的困难和解决办法，并重点讨论横电磁波横电磁波（电场与磁场传播方向正交）（电场与磁场传播方向正交）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

4、成的制成的各种射频器件的原理和方法。各种射频器件的原理和方法。3目目 录录 1、引言引言 2、传输线分析传输线分析 3、Smith圆图圆图 4、单端口网络和多端口网络单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、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4 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

5、频率可延伸到射频和微波波段，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

6、的角度引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。5一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6移动电话移动电话2GHz功率放大

7、器第一级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

8、塞网络将高频信号与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。7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。12.7mm8 在第在第2章章“传输线分析传输线分析”中将讨论微带线的阻抗特性，其定量中将讨论微带线的阻抗特性，其定量 求解过程在第求解过程在第3章章“Smith”圆图中介绍。圆图中介绍。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

9、述。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章将深入研究章将深入研究“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。第第10章讨论章讨论“振荡器和混频器振荡器和混频器”设计的基本原理。设计的基本原理。9 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

10、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/mV/m是x方向的电场矢量是y方向的磁场矢量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。10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

11、抗）：TEMTEM波相速：波相速：m/sTransverse electromagnetic mode（1.3）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：横电磁模:11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。波波 长：长：波阻抗：波阻抗：相相 速：速：1 m1 cm10 m12 1.3

12、 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 101mLF(低频低频)30300kHz 101

13、kmS 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 1.671.13cmL 波段波段 12GHz 30

14、15cmK 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:13 1.4 无源元件的射频特性无源元件的射频特性 在常规电路中，在常规电路中，R与与 f 无关，无关，XC=，XL=L。实际上用导线、线圈和平板制成的电阻、电感和电容，甚实际上用导线、线圈和平板制成的电阻、电感和电容，甚至单根直导线或印刷电路板上的一段敷铜带所具有的电阻和电至单根直导线或印刷电路板上的一段敷铜带所具有的电阻和电感都与频率有关。感都与频率有关。如导线的直流电阻：如导线的直流电阻：对对DC信号，传导电流流过整个

15、导体横截面。在信号，传导电流流过整个导体横截面。在AC时，交时，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电流相反，在中心感应最强，所以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最大，随着频率的提高，电流趋向于导体外表导体中心的电阻最大，随着频率的提高，电流趋向于导体外表趋肤效应。趋肤效应。沿沿z方向的电流密度：方向的电流密度：其中其中 是零阶和一阶贝塞尔函数，是零阶和一阶贝塞尔函数，I为总电流为总电流1C14L/RDC a/2 在高频条件下(f500MHz)，归一化电阻：归一

16、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AuCu1051061071081091040.10.300.40.50.60.70.80.910.2Alf，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/Jz010kHz

17、0.20.600.811.21.41.61.820.40.200.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10.1100kHz100MHz1kHz10MHz1GHz1MHz其趋肤厚度：其趋肤厚度：归一化电感：归一化电感：15 在在RF和和MW电路中应用的主要是薄膜片状电阻，电路中应用的主要是薄膜片状电阻，(P22)其等效电路：其等效电路：1.4.1 高频电阻高频电阻 在美国线规中，大约每在美国线规中，大约每6个线规，其导线直径翻倍。个线规，其导线直径翻倍。AWG50：d=1mil，AWG44：d=2mil，AWG38：d=4mil，其中：其中：1mil=2.5410-5m=2.54

18、10-2mm高频线绕电阻等效电路表示法模拟引线模拟引线L模拟引线间电容模拟引线间电容CbR模拟引线模拟引线L模拟电荷分离效应模拟电荷分离效应CaL1RC1C2L2L2高频电阻等效电路表示法16解：解：AWG26的d=16mil，a=82.5410-5m=0.2032mm例例1.3 求出用长2.5cm，AWG26铜线连接的500金属膜电阻的高频阻抗特性，寄生电容Ca=5pF。由1.10和1.11式(P15)，Z,f,Hz谐振点谐振点(20GHz)电感效应电感效应理想电阻理想电阻10710810910101011101210-210610-110010110210310-3电容效应电容效应17其中

19、：是介质的电导率，现在习惯上引入串联 1.4.2 高频电容高频电容 在初级电路中用平板表面积与平板间距比定义电容：在初级电路中用平板表面积与平板间距比定义电容：理想情况下平板间没有电流流动，高频时电介质有损耗，所以理想情况下平板间没有电流流动，高频时电介质有损耗，所以引线导体引线导体损耗电阻损耗电阻 介质损耗电阻介质损耗电阻寄生引寄生引线电感线电感C高频电容的等效电路高频电容的等效电路RsLRe损耗角的正切最后考虑寄生引线电感和引线导体损耗，其等效电路如图所示。最后考虑寄生引线电感和引线导体损耗，其等效电路如图所示。电容的阻抗：电容的阻抗：所以：18由1.16式，泄漏电阻：例例1.4 求47p

20、F电容器的高频阻抗，其电介质由串联损耗角正切为10-4的氧化铝组成，引线长1.25cmAWG26铜线。解：解：与例1.3相似，引线电感：实际电容实际电容理想电容理想电容f,Hz10910101011108Z,10-110010110310-2由1.13式，引线电阻：注：电容值、损耗角正切和额定电压注：电容值、损耗角正切和额定电压由制造商给出。由制造商给出。19 1.4.3 高频电感高频电感 电感是用导线绕制而成，除串联电阻外，相邻位置的线段间电感是用导线绕制而成，除串联电阻外，相邻位置的线段间有分离的移动电荷，故寄生电容的影响上升，其等效电路如图。有分离的移动电荷，故寄生电容的影响上升，其等效

21、电路如图。RdCdCdRd寄生旁路电容寄生旁路电容L高频电感等效电路高频电感等效电路串联电阻串联电阻RsCs例例1.5 RFC由AWG36铜线在0.1英寸空气芯上绕3.5圈，假定线圈长度是0.05英寸，求其射频阻抗响应。线圈半径：r=50mil=1.27mm(1英寸=1000)解：解：查表A.4：AWG36的 a=2.5mil=63.5 m20根据空气芯螺旋管电感公式：根据空气芯螺旋管电感公式：邻匝线距：d=/N3.610-4m 由1.14式，平板间距等于匝距，面积 A=2a (=2rN为导线的长度)，理想电感理想电感实际电感实际电感f,Hz10910101011108101Z,1021031

22、04105若忽略趋肤效应，则等效电阻：所以等效电容：RFC广泛用于射频偏置电路，并具有调谐特性，通常用品质因素来表征：线圈长度：=50mil=1.27mm21 1.5 片状元件及对电路板的考虑片状元件及对电路板的考虑 1.5.2 片状电容片状电容 1.5.3 片状电感片状电感 1.5.1 片状电阻片状电阻接接触触片片220RW几何形状几何形状宽宽(w)，长长()，0603尺寸代码尺寸代码080512061218300402501802060608012040120标称值标称值 陶瓷体陶瓷体片状电容片状电容带状引线带状引线 电路板引线电路板引线跳线跳线端线端线端线端线 最通用的表面安装电感仍采用

23、线绕线圈，对厚度受到严格限制的电路采用扁平线圈。四联电容四联电容双联电容双联电容便于安装便于安装22 第第1章章 小小 结结 本章讨论了低频系统到高频系统的演化过程，本章讨论了低频系统到高频系统的演化过程，在在高频应用时电磁波的特性开始取代基尔霍夫电压电流高频应用时电磁波的特性开始取代基尔霍夫电压电流定律而占主导地位。定律而占主导地位。重要参量：重要参量：趋肤效应是由电磁波的波动性引起的：趋肤效应是由电磁波的波动性引起的：这些导线连同对应的这些导线连同对应的R，C和和L形成的等效电路与形成的等效电路与理想特性明显不同。制造商总是试图将其尺寸做得尽理想特性明显不同。制造商总是试图将其尺寸做得尽可

24、能小，可能小，当波长和分立元件的尺寸可比拟时，基本电当波长和分立元件的尺寸可比拟时，基本电路分析法不再适用。路分析法不再适用。圆柱形导线呈现的射频特性：圆柱形导线呈现的射频特性：23习习 题题 一一1.2 一无耗同轴线在一无耗同轴线在960MHz时时,电磁场的波长为电磁场的波长为20cm,求绝求绝 缘材料的相对介电系数缘材料的相对介电系数.1.1 计算在计算在FR4印刷电路板中的相速度和波长印刷电路板中的相速度和波长,电路板的相对电路板的相对 介电系数是介电系数是4.6,工作频率为工作频率为1.92GHz.(a)假如假如 ,求出磁场求出磁场;(b)求出相速和波长；求出相速和波长；(c)计算在时

25、间间隔计算在时间间隔 和和 之间电磁波在之间电磁波在空间前进了多少。空间前进了多少。1.4 有一个沿正有一个沿正z方向传播的横电磁波，其电场表示式为方向传播的横电磁波，其电场表示式为 在相对介电常数在相对介电常数 ，频率为，频率为5GHz时时241.10 在一高频电路中在一高频电路中,电阻的引线是由电阻的引线是由AWG14总长度为总长度为5cm的的 直铝线制成直铝线制成,(a)计算计算DC电阻电阻;(b)求工作频率为求工作频率为100MHz,1GHz和和10GHz时的时的AC电阻和电感电阻和电感.1.6 求下面求下面RLC串并联电路的谐振频率串并联电路的谐振频率.RL=10nHC=1pFC=10pFL=10nHL=10nHC=10pF1.5 求下面求下面LC串联和并联电路阻抗幅值的频率响应串联和并联电路阻抗幅值的频率响应.25