作者：陈铖颖
出版社：电子工业出版社
格式: AZW3, DOCX, EPUB, MOBI, PDF, TXT
ADS射频电路设计与仿真从入门到精通试读：
前言
进入21世纪，以无线电波为载体的移动通信、无线局域网等为代表的现代通信网呈爆炸式发展，成为了支撑现代经济最重要的基础结构之一。作为无线通信核心的射频（Radio-Frequency）电路设计技术自然而然成了工程师和科研工作者关注的焦点。
在射频和微波电路领域，安捷伦公司推出的ADS（Advanced Design System，先进设计系统），可实现包括时域与频域、数字与模拟、线性与非线性、噪声等多种仿真功能，并可对设计结果进行成品率分析与优化，是业界公认仿真能力最强，功能最为丰富的EDA工具。针对ADS的学习与应用需求，编著者以工程实例为基础编纂了本书，供学习射频电路设计与仿真的读者参考。
本书主要分为三大部分内容，共14章。（1）第一部分为第1章～第4章，主要介绍射频电路的基本理论以及ADS射频电路软件的基础知识和仿真功能。第1章主要介绍射频电路中所需要掌握的基础理论和相关知识，作为ADS仿真设计的知识储备。第2章对ADS的窗口、基本操作和元件模型进行分类介绍。第3章以仿真工程实例介绍ADS的基础仿真功能，主要包括直流仿真、交流仿真、瞬态仿真三大类。第4章同样以仿真实例介绍ADS的高阶仿真功能，主要包括S参数仿真、谐波平衡法仿真、电路包络仿真和增益压缩仿真设计方法。（2）第二部分为第5章～第11章，通过工程实例，介绍利用ADS进行具体射频电路设计的仿真方法，并配有拓展实验。第5章进行了2.4GHz射频滤波器的电路、版图及优化设计。第6章完成一款Wilkinson功率分配器的电路和版图设计。第7章介绍采用飞思卡尔MW6S010N晶体管，利用负载牵引方法（Load-Pull）设计一款AB类功率放大器的过程。第8章详细讲述采用AT41533晶体管进行低噪声放大器设计的全过程，包括噪声、稳定性、增益、匹配设计等。第9章讨论利用晶体管模型进行Gilbert双平衡混频器设计和仿真的基本方法和技巧。第10章介绍压控振荡器的结构、原理、设计方法，完成振荡频率为2GHz压控振荡器的设计与仿真。第11章讨论利用ADS锁相环辅助设计工具进行900MHz锁相环设计的仿真方法。（3）第三部分为第12章～第14章，介绍利用ADS完成板级和系统电路仿真设计。第12章详细讨论ADS在射频电路板非理想效应中的仿真应用，主要包括微带线特性阻抗仿真、印制电路板介电常数与衰减系数仿真、TDR仿真、终端匹配仿真、信号串扰仿真以及眼图观测仿真几大方面。第13章介绍微带天线的设计与仿真，为读者学习天线设计提供技术参考。第14章对射频收发机系统进行分析和讨论，介绍发送机、超外差接收机和零中频接收机的设计和仿真方法。
本书取材广泛、内容新颖、实用性强，全面介绍了ADS射频电路设计的基础知识与典型应用。第一部分内容系统地介绍了ADS的射频电路的基本理论知识、窗口界面以及基本操作。第二部分内容介绍利用ADS进行射频电路设计的典型实例，分析讨论了射频系统中常用的几大类电路，构成了一整套射频系统的解决方案。第三部分内容着重介绍了射频板级系统和收发机系统的仿真应用，可作为射频系统工程师重要的参考书目。
本书由陈铖颖主持编写，此外，孙明、唐伟、王杨、顾辉、李成、刘启才、陈杰、郑宏、张霁芬、张计、陈军、张强、杨明、张玉兰等也参加了本书的编写。
由于时间和水平有限，书中难免存在不足之处，肯请读者批评指正！
需要说明的是，为与ADS软件中的电路图保持一致，本书中电阻、电容等元器件电路符号虽然不符合我国规定的标准，但也不作更改，读者能够理解即可。另外，随书提供各章实例的电路原理图，读者可登录华信教育资源网（www.hxedu.com.cn）查找本书免费下载。编著者第1章 射频电路设计基础
信息交流是人类社会的重要基础，人类社会文明的进步和发展与通信技术的发展密不可分。特别是进入21世纪，以无线电波为载体的移动通信、无线局域网等为代表的现代通信网呈爆炸式发展，成为了支撑现代经济最重要的基础结构之一。因此，作为无线通信核心的射频（Radio-Frequency）电路设计技术自然而然成了工程师和科研工作者关注的焦点。
新型半导体工艺技术的不断进步，使得射频电路的工作频率不断提高。典型的C波段卫星广播通信系统工作在4GHz的上行通信链路和6GHz的下行通信链路上。处理和设计这类射频电路，不仅需要传统的模拟电路和通信知识，还需要专门、系统的射频电路知识。本章将系统地介绍射频电路的基础知识，首先对射频电路设计进行简要的介绍，接着阐述射频电路中的几个基本概念，包括非线性、噪声、灵敏度、传输线、史密斯圆图及阻抗变换网络，最后介绍接收机和发送机的基本结构。1.1 射频电路设计简介
在一个无线通信系统中，只有前端的一小部分电路工作在射频频段，即通常所说的射频前端电路，其余的电路都是进行低频的基带模拟和数字信号处理。通常射频前端电路包括低噪声放大器、混频器和功率放大器等电路。尽管这部分电路的器件数量比基带电路少得多，但仍然是整个系统成败的关键。1．学科知识
射频电路设计要求电路设计者掌握多学科领域的相关知识，如图1.1所示。图1.1 射频电路设计所涉及的学科知识
这些学科的知识在一定程度上互不关联，但从射频系统的宏观层面上又紧密地联系在一起：通信原理为系统构架了基本的调制、解调和基带数字信号处理方案，接收、发送机系统设计规划了接收机、发送机的结构，集成电路设计理论实现了射频系统所需要的每一个芯片，因此随着射频系统设计向着更高的集成度、更低成本、更先进的解决方案方向发展，射频工程师所要储备的知识量大大增加。2．设计规划图1.2 射频电路设计六边形法则
与模拟集成电路设计的八边形法则类似，射频电路设计需要在较宽的动态范围和较高的频率下进行模拟信号处理，因此，射频电路设计也有着自身的六边形法则。如图1.2所示，噪声、线性度、电源电压、增益、工作频率、功率是射频电路中最重要的指标。在实际设计中，这些参数中的任意两个或多个都会互相牵制，这将导致设计变成一个多维优化的问题。这样的折中选择、互相制约对射频电路设计提出了许多难题，通常需要射频设计者的直觉和经验才能得到一个较佳的折中方案。3．应用领域
除了基站、手机这些人们早已熟知的通信产品之外，射频电路技术还不停地扩展新的消费和工业领域。
1）无线局域网（WLAN）
人们可以在一定的区域范围内，摆脱陈旧、笨拙的有线网络束缚，通过900MHz#或是2.4GHz的WLAN接收和发送设备实现快速移动通信连接。便携性和可重构性是WLAN的标志性特点。
2）全球定位系统（GPS）
无论是手持或是车载GPS系统已经为人们所熟悉。随着成本和功耗的下降，该市场的争夺将日趋激烈。目前我国已开发出具有自主知识产权的北斗导航系统。
3）射频标签（RFID）
射频标签又称电子标签、无线射频识别，可通过无线信号识别特定目标并读写相关数据。常用的有低频（125～134.2kHz），高频（13.56MHz）、超高频等技术，目前已应用于图书馆、门禁系统和食品安全溯源等领域中。
4）物联网（IOT）
以传感器为感应终端，配合无线射频系统是新兴物联网产品的重要标志之一。射频收发器将传感器与手持终端联系起来，使人们可以在办公室、家中对外界的物理信息随时进行把握，这一消费热点已为工业界所关注。1.2 射频电路设计中的基本概念
射频电路设计中需要相当多的概念和术语，诸如谐波失真、增益压缩、噪声系数、灵敏度、动态范围等，本节将进行概括性介绍。1.2.1 非线性的概述及影响
在信号与系统的概念中，如果一个系统的输出可以表示为每个输入所对应输出的线性叠加，那么我们称这个系统为线性系统，即对于输入，有其对应的输出y1（t）和y2（t），且可以表示为，那么对应任意常数a，b，有：
因此，如果系统不满足式1-1，则为非线性系统。
实际上，在射频电路中，由各种有源器件构成的“线性”放大器，由于有源器件的特性是非线性的，因此，在放大过程中总会产生各种各样的失真，以我们熟悉的三极管放大器为例，如图1.3所示。图1.3 三极管放大器
设直流偏置电压已将三极管放大器偏置在合适的工作点上，Vi为交流小信号输入，那么可以将晶体管的伏安特性在其工作点处用幂级数展开：
从以上分析中可以看出，在射频放大器中，只有在输入信号较小时，放大器才可以近似看作是一个线性系统；当输入信号幅度增大时，系统逐渐显现出非线性。非线性会对系统产生一些不利的影响。这些影响主要包括谐波、增益压缩、阻塞、互调及交调效应，以下对这些非线性效应分别进行讨论，建立相应的物理和数学模型。1．谐波
设一个正弦信号x（t）＝Acosωt作用于一个非线性系统时，输出可以表示为：
在式1-3中，输出的为基频，等高阶项称为谐波。可以发现在输出中出现了输入没有的频率信号，其中的根本原因就在于电路的非线性。2．增益压缩
从式1-3中看出，当输入信号幅度变化时，输出幅度并不是马上呈线性变化，即增益也相应发生变化，并不是一个定值。实际上，在射频电路中，输出信号是输入信号的一个压缩或饱和函数，这一影响由1dB压缩点来量化。1dB压缩点定义为使小信号增益下降1dB时，输入信号的值，如图1.4所示。图1.4 1dB压缩点
典型射频放大器的1dB压缩点一般在－20～－25dBm之间。3．阻塞
当一个无线接收机位于一个相邻频道发射机附近时，由于接收机前端的射频滤波器无法滤除这个邻道的大信号，就可能出现信号阻塞的情况。在进行射频电路设计时，一般要求射频接收机阻塞的强信号比有用信号大70dB以上。我们再以公式的形式对阻塞概念进行说明。设接收机接收的有用信号为ω1，另一个邻道强干扰信号为ω2，那么输出的有用信号电流可以表示为：
当时，基波分量的跨导可以近似为：
由于a3小于零，干扰信号的增大导致跨导变小，从而使输出信号电流变小，最终可能趋于零，这就是阻塞。4．互调
当一个弱信号与一个强干扰信号同时经过一个非线性系统时，除了发生阻塞情况外，还可能发生干扰信号的幅度调制会影响有用信号的幅度，称为互调，如式1-6所示，其中干扰信号幅度A2的变化将会影响到频率ω1处输出信号幅度的大小。5．交调
当两个不同频率信号经过一个非线性系统时，由于两个信号的混频，会产生一些新的频率信号，称为交调。我们通过公式来说明交调产生的原理，设信号，则输出信号可以表示为：
将式1-8展开并忽略直流项和谐波项，可以得到以下的交调项：
同时还有以下基波项：
我们关心的是在和2ω1－ω2和2ω2－ω1处的三阶交调项，如果ω1和ω2频率接近，那么2ω1－ω2和2ω2－ω1就很有可能出现在ω1和ω2附近。在双音测试中，A1＝A2＝A，输出三阶项的幅度与a1A的比值定义为交调失真。
因此，我们定义三阶交调点来表征由于两个相邻干扰产生三阶交调对信号的干扰程度。该参数的测试是通过一个双音测试来实现的，选择信号幅度A足够小，忽略高阶的非线性项后，增益为常数a1，从式1-9，式1-10，式1-11中可以看出随着A的增加，基波与A成比例增加，而三阶交调项与A3成比例增加，在对数坐标中作图，结果如图1.5所示。交调项以3倍于基波幅度的速度增加，而三阶交调点就定义为两条线的交点，这个点的横坐标为输入三阶交调点（IIP3），纵坐标为输出三阶交调点（OIP3）。图1.5 三阶交调点
由式1-8可以得到：
当时，那么在ω1、ω2和2ω1－ω2、2ω2－ω1处幅度相等的输入幅度为
所以输入三阶交调点（IIP3）为：
输出三阶交调点（OIP3）为：
由于在射频系统中信号通常都是由级联的各级子模块来处理的，所以在系统设计时往往需要利用各级的三阶交调点和增益来计算总的输入三阶交调点。对于一个级联系统，系统的三阶交调点可以表示为：
其中，表示第n级的三阶交调点，G1，G2，…，Gn分别表示第一级，第二级，…，第n级的增益。如果每一级的增益都大于1，那么后一级的非线性就变得越来越重要，因为每一级的三阶交调点都将以它之前所有级的增益按比例减小，所以在接收机中我们通常关心的是最后一级模块电路的三阶交调点。1.2.2 噪声与噪声系数
噪声限制了电路能够正确处理的最小电平信号，它与功耗、速度和线性度相互制约，是进行射频电路设计时要考虑的重要因素。噪声过程是随机的，噪声的瞬时值是不能确定的，但是噪声的平均功率是可以预测的，可以依靠统计的方法来表示噪声的特性。例如，用和分别表示噪声电流和噪声电压。
热噪声、散弹噪声和闪烁噪声是电路中常见的三种噪声源。电阻的热噪声由导体中的不规则热运动造成，电路模型为一个串联的电压源或并联的电流源为波特曼常数，T是绝对温度，Δf是噪声带宽。散弹噪声的发生原因是电子电荷的粒子性，发生散弹噪声必须满足两个条件：（1）要有直流流过；（2）存在电荷载体跃过的电位壁垒。
载流子流过PN结时可产生散弹噪声。用并联的电流源来表示，其中是噪声电流，q是电子电荷1.6×10－19C，IDC为直流电流。
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]