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1、射频电路设计,信息科学与技术学院,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
2、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 黄智伟编著 电子工业出版社 2006-04 2、射频电路设计 美 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Devendra K.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：34学时 第一部分介绍射频传输的特
3、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：,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,一般射频系统方框图：射频电路的工作频率：通常高于1GHz
4、 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 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,1.4 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 高频电阻射频特性,一个电阻器
5、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
6、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0.110M。例如，0603的封装尺寸仅为1.60mm（长）0.8mm（宽）0.45mm（高）。,1.4.2 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
7、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
8、。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 高频电容类型,1.4.3 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
9、频率点为电感器的自谐振频率（SRF，Self Resonant Frequency）。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,1.4.3 高频电感类型,目前片式电感
10、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3.3100 000nH，0603的封装尺寸为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
11、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C0 Cq，所以fsfp,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
12、：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。,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（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,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60X120mil，电感值从1nH至1000H。,
