射频电路理论与设计

随着科学技术的不断进步，电子通信系统的工作频率不断提高，射频电路学习与设计必备书籍，射顓电路理论与设讣23.1归一化导纳……3.51多端网络赦射参量的2.32史密蔚导纳60定义862.3.3史密斯阻抗-导纳3.5.2常见的多端口射频网络8624史密斯同图在集总参数元件电路3.6信号流图一中即屮的应用3.6.1信号流图的构成8924.1含串联集总参数元伫时36.2倍号流图的化简规刈……9「电路的输入阻抗…63习题932.4.2含并联集总参数元件时电路的输入导纳第4章请振电路95243含串联或并联焦总电护元件4.1串联谐振电路5时电路拧入阻抗………644.1.1谐振频寥9524.4含串联及并联隻总电芤元件4.1.2品质因数时电路然翰入咀抗4.1.3输入阻抗习题4.1.4带宽…冒『·1『中1【中個音1骨背t97第3章射撷网络基础……4.1.5有戰品质因数4.2并联谐振电路…3.1二端口低频网络参量684.2.1谐振频率………3.1.1围抗参量694.2.2品质因数99312导纳参量4.2.3输入导纳1003..3混合参量714.2.4带宽14转移参量734.2.5有载品质因数3.2二端口射频网络参量74.3传输线谐振电路……………102321散射参量………………-764.3.上终端短路λ传输线1033.2.2传翰参量804.3.2终端短路A4传输线3.3二端∏网络的参量特性804.3.3终墙开路A2传输线…1053.3.1互易网终………8043.4终端开路A4传输线]53.3.2对称网络84.4介质谐振器3.3.3无网络…………82J趣3.4二端口网络的参量互换……833.4.1网络参量[Z]、[F第5章匹配网络l11[B]、[ABCD!之间的51匹配网络的目的及选择相互转换……83方法Ill3.4.2网络参量[S]和[T]5.2集总参数元件电路的四配之间的相互转换网络设汁123.4.3网终参量LZ〕、[F5.2.1传输线与负戟间L形[h]、[A]与阕终參量匹配闼络12S]之间的相互转换5.2.2信源与负载可L形共轭35多端口网络的散射参量匹配网络……录5.2.3L形匹配刘终的品质6.6.3级连耦合徽带线因数■■■■n………118虑涼器5.2.4T形和丌形匹配网络…·120习题………………………;……1615.3分布参数元件电路的匹配第7章放大的稳定性、增益和网络设计…噪声…1635.3.1负载与传输线的H抗匹…放大器的稳定性……163■p■自司q5.3.2信源与负栽的7.1.1稳定准163共轨匹配咖●D唱●聊●司司幽t257.1,2稳定性判別的图解法…16454混合参数元件电路的匹配7.1.3绝对稳定判别的网络设计解析法……169128了题…………………,…………129放大器稳定措施ITI7.2放大器的增益…173第6章滤波器的设计…………………1317.2.1功率增益的定义……1736.1滤波器的类型……………I31722最大功率增益1T862用插入损耗法没计低通7.2.3晶体管单向情况………178滤波器原型………………1327.2.4晶体管奴向情况………1836.2.1已特沃斯低通滤波器73·输入、输出电压驻波比l857.3.1失配医子t…-185原型…·……“…1326.22切比窘夫低通滤波7.3.2翰入、輸出驻波分析…186I87原型135扌.4放大器的噪声6,23椭圆函数低通滤就器7.4.1等效噪声温度和燥声原型………………138数1886.2.4线性相立低通滤泼器7.4.2级连络的等效噪声原型138温度和噪声系数……1896.3滤波器的变换…·1397.4.3噪声系数圆……………1915.3.1阻抗变换…耳题1931596.3.2频率变换140第8章放大器的设计…19664截线滤波器的实现…145R1放大器的丁作状态和分类…1966.4.I理查德变荻……………1458.1.1基于静态工作点的6,4.2科洛达规则…146放大都分类I9664.3滤淚器设计举例………;1488.1.2基于信骨号大小的放大器6.5阶梯阻杭低通滤波器152分类唱p■■976.5.1短传输线段的近似8.2放大器的偏置网络…………197等效电路!·■■■『■P■晋P吾P528.2.1偏聋电路与射频冋路6.5.2滤波器设计举例………153之问的连接6.6耦合微带线滤波器…………1558.2.2偏置路的没计986.6.1商模和模…………1558,3小信号放大器的没计………996,6.2耦合线竹濾波特性I578.3.1小信号放大器的设计射顿申路理沦与设计步骤…………………1999.1.3使用场效应晶体管的832最大增益放大器的共栅极振荡电路…234设计2009.1.4晶体振荡器236833固定增益放大器的9.2微波振荡器…236设计…2039.2.1振荡杂件…2378.3.4最小嗓声放大器的9.2.2晶体管拆荡器………239设计……………………2l9.23二极管振荡{………2438.3.5低噪声放大器的设计…212924介质谐振器振荡器……2438.3.6宽带效大器的设计……2179.3混颍器………24684功率放大器的设计………2219.3.1混频卷的特性…………24684.1A类放大器的设计……22l9.3.2单端二极管混频器………24984.2交调失真2259.3.3单以衡混频卷……2518.5多级放大器的设计…………226习题…………………………252习题P甲即…228附录A国际单位制(SI)词头∴……254第9章振荡哥和混频器附录B电学、磁学和光学的量和231单位h凸d血量559.1扳荡器的基木模型231附录C某些材料的电导率9.1.1振荡电路的-般分析咐录D某些材料的相对介电党数和方法232损耗角正切…………………2579..2使用双纬型晶管的咐录E常用同轴射颊电缆特性宓数…258共发射极扳荡电路……233参考文献…………………2590引言在电子通信系统中,只有使用更高的载波频率,才能获得更大的带宽。随着科学技术的不断进步,电子通信系统的工作频率不断提高,目前应用日趋广泛的移动通信、全球定位、计算机工程和遥控遥感等领域,工作频率都已经达到吉赫[兹](GHz)颗段,使得与此频段相适应的射频电路逐渐成为科学和工程领域中一个普遍存在的技术,这就迫切需要人们熟悉相应的射频电路理论及设计方法。在射频频段,电路出现了许多独特的性质,这些性质在常用的低频电路中从未遇到,因此需要建立新的射频电路理论体系。由于无线通信的快速发展,需要结构更紧凑的射频放大器、滤波器、振荡器及混频器,只有确切地知道射频电路与低频电路有什么区别及如何实现,才能开发改进射频电路,满足射频领域不断发展的需求。0.1射频概念在电子通信领域,信号采用的传输方式和信号的传输特性是由工作频率决定的。对于电磁频谱,按照频率从低到高(波长从长到短)的次序,可以划分为不同的频段,电子通信的发展历程,实际上就是所使用的载波频率由低到高的发展过程。电通信的容量几乎与所使用的频率成正比,对通信容量的要求越高,使用的频率就越高。由于应用领域的众多,对频谱的划分有多种方式,而今较为通用的频谱分段法是由IEEE建立的,如表0.1所示。表0.1IEEE频谱频段频率波长频段频率波长ELF(极低频)30-300Hz10000-100km‖Up(特高颜)300-3000MHz100~10cmVF(音频)300-3000Hx1000-100km‖sHF(超高频)3-30 GHz10-1cmVLF(甚低频)3-30 kHz100-10kmEHF(极高频)30~300GHz1~0.1cmLF(低频)30-300kHz10~1km亚毫米波300~3000GHz1-0.1mmMF(中频)300~3000kH21-0.1kmP波段0.23-1GHz130-30cmHF(高频)3-30 MHz100~10mL波段1-2 GHz30-15cmVHF(甚高频)30-300MH210-1mS波段2-4 Hz15~7.5cm射频电路理论与设计续表频段频率波长频段频率波长C波段4 8 GHz7.5-3.75cmK波段18-26.5GHz1.67-1.13cmX波段8-12.5GH23.75-2.4cmKa波段26.5-40GHz1.13-0.75cmKu波段12.5-18GHz2.4-1.67cm目前射频( Radio Frequency)没有一个严格的频率范围定义,广义地说,可以向外辐射电磁信号的频率称为射频;而在电路设计中,当频率较高、电路的尺寸可以与波长相比拟时,电路可以称为射频电路。一般认为,当频率高于30MHz时电路的设计就需考虑射频电路理论;而射频电路理论应用的典型频段为几百MHz至4GHz,在这个频率范围内,电路需要考虑分布参数的影响,低频的基尔霍夫电路理论不再适用。需要说明的是,随着射频电路的广泛应用和不断发展,射频的频率范围还在向更高的频率延伸,已有资料将射频的高端频率定为大于4GHz1864-1873年,麦克斯韦( James Clark Maxwell)集人类有关电与磁的知识于一体,提出了描述电磁场特性的著名麦克斯韦方程,并在理论上预言电磁波存在。1887~1891年,赫兹( Heinrich hertz)通过一系列实验验证了麦克斯韦的理论,证实电磁波存在。从1901年马可尼( Guglielmo Marconi)将相对较低的频率应用到长距离的商业通信时起,无线通信领域在不断发展,工作频率也在不断提高。目前移动通信GSM900系统工作于890~915MHz及935~960MH,全球定位系统(GPS)工作于1227.60~1575.42MHz,14-83频道的电视广播工作于470~890MHx,无线局域网(WLAN)、个人通信、码分多址(CDMA)和第三代移动通信(3G)等都工作于GHz,这使几百MHz到GHz频率的无线通信应用日趋广泛,也使在此频率范围内的射频电路应用日趋广泛。另外,对计算机来说,高性能工作站及个人计算机所采用的电路频率不断增加,计算机主频的工作频率已经达到GHz,同样需要考虑在此频率下射频电路的设计问题。可以看出,随着科学技术的不断进步,射频技术在各个领域越来越显示出其重要性。为了有效地传输信息,无线通信系统需要采用高频率信号,这种需要主要由下面3个因素导致。(1)工作频率越高,带宽越大。当工作频率为1GHz时,若传输的相对带宽为10%时,可以传输100MHz带宽的信号;当工作频率为1MHz时,若传输的相对带宽也为10%,只可以传输0.1MHz带宽的信号。通过比较可以看出,高工作频率可以带来大带宽。(2)工作频率越高,天线尺寸越小。无线通信需要采用天线发射和接收信号,如果天线的尺寸可以与波长相比拟,天线的辐射更为有效。由于工作频率与波长成反比,提高工作频率可以降低波长,进而可以减小天线的尺寸。进一步说,工作频率提高导致需要的天线尺寸减小,迎合了现代通信对尺寸小型化的要求。(3)射频电路中电感和电容等元器件的尺寸较小,这使得射频设备的体积进一步减小。正是由于上述技术原因,越来越多的电子通信系统使用了射频频段,带来了射频频段的繁荣,并推动射频技术进一步发展。微波也是经常使用的波段,当频率高于4GHz时,电路常采用微波电路的设计方法。微波是频率从300MHz~3000GHz的电磁波,对应的波长从1m~0.1mm,分为分米波、厘米0引言波、毫米波和亚毫米波4个波段。从上面的频率划分可以看出,微波的低频端与射频频率相重合,目前射频频率与微波频率之间没有定义出明确的频率分界点。微波电路设计需要用到场的模式理论及TE和TM传输线,这超出了本书射频电路理论的范畴,本书不予讨论。0.2射频系统举例本书的目的是全面介绍射频电路理论及设计方法,在该频段普通电路的分析方法不适用,由此引出的问题是,射频电路为什么与普通电路有如此大的差别?射频电路的“新”理论是什么?什么是射频电路系统?为更清楚地了解将要讨论的问题,这里分析一般的射频系统。射频电路主要应用在无线通信领域,各种射频无线通信系统有类似的结构,下面以移动通信为例介绍射频系统的基本电路结构及主要特点。现行的移动通信系统有几种标准,其载波频率集中在900-1800MHz,属于射频的频率范围,表0.2列出了2种移动通信系统的参数。表0.2移动通信系统的参数系统名称GSMDCSI800系统名称GSMDCS1800上行频带/MHz935~960I805-1880调制GMSKGMSK下行频带/MHz890~9151710-1785移动峰值功率/W2-200.2-2通道选择时频多址(TDMA)/TDMA/FDMA移动平均功率/w0.25-2.50.03-0.25频分多址(FDMA)表0.2中上行频带是指手机发射的频率范围,下行频带是指手机接收的频率范围,上行频率和下行频率都属于射频,这说明在一个射频系统里需要处理收、发两个过程,所以移动通信设备也称为收发信机。移动通信系统收发的射频信号是模拟信号,这个射频模拟信号需要进行滤波和放大,滤波的目的是保证只让频带内的信号通过,抑制频带外的噪声;放大的目的是提高功率准备发射或放大接收到的微弱信号。射频模拟信号在收发信机中需要转换成数字信号,表0.2的配置里通道选择TDMA及调制选择高斯最小频移键控(GMSK)都是对数字信号进行处理,为此射频模拟信号需要混频。混频的目的是让频率较高的射频模拟信号转换为频率较低的中频模拟信号,收发信机中模数变换器转换的是中频模拟信号。在上述过程中,滤波、放大和混频都属于射频电路的范畴,图0.1示出了射频系统的一般框图。图0.1所示的方框图称为收发信机,它包含了发射机电路、接收机电路和天线。天线接收到的信号通过双工器进入接收通道,然后通过带通滤波器进入低噪声放大器,这时信号的频率还为射频。射频信号在混频器中与本振信号混频,生成中频信号,中频信号的频率为射频与本振信号频率的差值,混频后射频信号转换为中频信号,中频信号的频率比射频信号的频率大幅度降低。上述处理过程属于射频电路的理论范畴,这是本书关注的重点。中频信号最后经过模数转换送入数字电路进行处理。发射的过程与接收的过程相反,在发射的通道中首先利用混频器将中频信号与本振信号混频,生成射频信号,然后将射频信号放大,最后经过双工器由天线辐射出去。图0.1讨论的射频系统,涉及很多射频电路的设计,其中包括滤波器的设计、放大器的射频电路理论与设计7天线混频器放大器DAC双工数字电路数/模变换器1本地振荡器混频器放大器滤波器ADC1模/数变换器11本地振荡器混合信号电路模拟信号电路图0.1射频系统的一般框图设计、混频器的设计及振荡器的设计等,这些电路都是射频电路的基本组成部分,需要使用射频电路的设计方法。射频电路的设计方法与普通低频电路的设计方法不同。以放大器为例,低频电路放大器的设计只关心增益,射频电路放大器的设计不仅需要考虑增益,还需要考虑匹配、稳定性设计、交直流隔离、低噪声设计等多方面的因素。在射频频段为消除反射、保证最佳传输,射频放大器的输入输出端需要加阻抗匹配网络;射频频段的反射可能带来放大器工作不稳定,对放大器需要进行稳定性设计,因为如果放大器不稳定,放大器将有振荡倾向,可能成为振荡器;射频放大器交流信号与直流偏置之间可能形成干扰,所以射频放大器交直流之间需要隔离;天线接收到的射频信号十分微弱,接收机电路的前级需要低噪声放大器。不仅射频放大器的设计与低频电路不同,射频滤波器、振荡器的设计也与低频电路不同,因此需要建立新的射频电路理论,在射频电路理论的基础上全面学习射频电路的设计方法。本书将首先介绍射频电路的基本理论,在此基础上讨论上述常用射频电路单元的原理和构成,使读者系统掌握射频电路的理论和设计方法,对射频电路有一个全面的认识。0.3射频电路的特点基尔霍夫电路理论只能用于直流和低频电路的设计,不能用于射频电路的设计。低频频率与射频频率有很大差异,正是由于这种频率的差异,导致低频电路理论与射频电路理论不同。下面将在不同频率下对电路进行讨论,从中可以看出低频电路与射频电路显著不同,对于目前广泛使用的射频频段,必须采用全新的方法加以分析。0.3.1频率与波长众所周知,在自由空间工作频率与工作波长的乘积等于光的速度,也即AA=c=3×10°m/s(0.1)40引言式中,f为工作频率;A为工作波长;c为光的速度。式(0.1)的结论是:频率越高波长越短。射频频段有很高的频率,所以射频的工作波长很短。在电路设计中,当频率较高、电路的尺寸可以与波长相比拟时,电路可以称为射频电路。利用式(0.1),可以得到下面的数据。(1)50Hz的市电属于ELF频段,对应的工作波长为6000km,这个波长比电路的尺寸大得多,对此频率完全可以用低频的基尔霍夫电路理论进行电路设计;(2)个人通信的1.9GHz,对应的工作波长为15.8cm,这个波长与电路的尺寸可以相比拟,在此频率下低频的基尔霍夫电路理论不再适用,与此频率相适应的是射频电路理论。结论是,50Hz的市电属于低频电路,1.9GHz的个人通信属于射频电路。0.3.2低频电路理论是射频电路理论的特例低频电路理论只适用于低频电路设计,射频电路理论有更大的适用范围,低频电路理论是射频电路理论的特例。图0.2所示的是终端短路传输线,根据射频电路理论会得到距离短路终端l处的阻抗为izo tan 2mlA(0.2)式中Z0为常数,Z。的取值范围一般为几十到几百之间。式(0.2)改变了低频电路理论的观点,因为低频电路理论会认为Za=0。下面对式(0.2)加以数值分析。/=lm图0.2终端短路的传输线(1)假设工作波长A=10cm,由式(0.2)可以得到:若l=2.5c则in=JZotan T2也即离开短路终端2.5cm处,传输线就等效于开路,如图0.2(a)所示。这个结论完全颠覆了低频电路的理论基础!A=10cm属于射频波段,可以看出射频电路理论与低频电路理论完全不同,低频电路理论在射频时已经不再适用,必须采用全新的射频电路理论处理射频电路问题。(2)假设工作波长A=1000km,由式(0.2)还可以得到:若l=1则Zin = jzotanT05