射频电路理论与设计(第2版)(txt+pdf+epub+mobi电子书下载)

作者：黄玉兰编著

出版社：人民邮电出版社

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射频电路理论与设计(第2版)试读：

第2版前言

随着科学技术的不断进步，无线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、无线局域网和射频识别等，工作频率都在几百 MHz 到 GHz，这使得在此频率范围内的射频电路应用日趋广泛。此外，新型半导体器件也使高速数字系统不断发展，对计算机来说，CPU的时钟频率已经达到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，射频技术在各个领域都越来越显示出其重要性。

在电子通信系统中，只有使用更高的载波频率，才能获得更宽的带宽，才能更有效地传输信息；无线通信需要采用天线发射和接收信号，工作频率越高，天线尺寸越小，这迎合了现代通信对尺寸小型化的要求。正是由于上述技术原因，越来越多的电子通信系统使用了频率较高的射频频段，带来了射频应用的繁荣，并推动了射频技术的进一步发展。

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没有遇到过，因此需要建立射频电路的理论体系。射频电路理论是电磁场理论与传统电子学的融合，它将电磁场的波动理论引入电子学，形成了射频电路的理论体系和设计方法。电磁场理论的方法涵盖了微波传输线的知识，却没有触及放大器、振荡器和混频器等有源电路的内容；传统电子学涵盖了基本电路的理论，但没有涉及电压和电流的波动性质，这些波的反射和传输是影响射频电路特性的重要因素。低频电路理论称为集总参数电路理论，射频电路理论称为分布参数电路理论，低频电路理论与射频电路理论显著不同。

射频电路主要应用在无线通信领域，在一个射频系统里需要处理收、发2个过程，其中涉及很多射频电路的设计，包括滤波器、放大器、振荡器、混频器和检波器的设计等，这些电路设计构成了射频电路的基本组成部分。本书涵盖了射频电路的基本理论和基本设计方法。基本理论包括第2章传输线理论、第3章史密斯圆图、第4章射频网络基础，系统地介绍了射频电路的基本概念、基本参数、图解工具和基本研究方法。基本设计包括第5章谐振电路、第6章匹配网络、第7章滤波器的设计、第8章放大器的稳定性增益和噪声、第9章放大器的设计、第10章振荡器的设计、第11章混频器和检波器的设计，这些设计方法可以构成完整的射频电路解决方案。

鉴于目前国内科研院所、大型IT公司和高校都推广使用ADS软件设计射频电路，本书第 12 章对 ADS 射频电路仿真设计进行了简单介绍，目的是架起射频电路理论与 ADS射频仿真设计间的桥梁。使用软件工具已经成为射频和微波电路设计的趋势，在深入理解射频电路理论的基础上，结合ADS软件工具进行设计，是通向射频电路和射频系统设计成功的最佳路线。

本书每章都有小结，便于读者总结和复习。本书每章配有较多例题，均详细给出了设计求解过程。本书每章附有思考题和练习题，并在书末给出了答案。本书有配套的 ADS射频电路教材，分别为《ADS射频电路设计基础与典型应用》和《ADS射频电路仿真与实例详解》。本书附录中给出了国际单位制（SI）词头、电磁学和光学的量和单位、常用材料的电导率、常用材料的相对介电常数和损耗角正切、常用同轴射频电缆特性参数，供读者参考。

本书由黄玉兰编写。中国科学院西安光学精密机械研究所的研究生夏璞协助完成了本书的插图和习题校对工作，在此表示感谢。

由于作者水平有限，书中难免会有缺点和错误，敬请广大读者予以指正。电子邮件：huangyulan10@sina.com。编者2013年5月于西安邮电大学

第1章 引言

在电子通信领域，只有使用更高的工作频率，才能更有效地传输信息。目前应用日趋广泛的移动通信、全球定位、无线局域网和射频识别等领域，工作频率都已经达到GHz频段。此外，新型半导体器件也使高速数字系统不断发展，对计算机来说，CPU的时钟频率已经达到GHz。这使得与此工作频率相适应的射频电路逐渐成为工程领域中一个普遍存在的技术，这就需要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没有遇到过，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、性能更高的射频滤波器、放大器、振荡器和混频器等，只有确切地知道射频电路与低频电路有什么区别以及如何实现，才能开发、改进射频电路，满足射频领域不断发展的需求。

射频电路理论是电磁场的波动理论与传统电子学的融合，射频电路的设计比较繁杂，需要采用电子设计自动化软件工具。ADS软件是当前射频电路设计的首选工程软件，可以支持从模块到系统的设计，已经在国内的科研院所和IT公司中推广使用。在深入理解射频电路理论的基础上，结合软件仿真工具进行设计，是通向射频电路设计成功的最佳路线。

1.1 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主要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工作频率由低到高的发展过程。电子通信的容量几乎与所使用的频率成正比，人们对通信容量的要求越高，使用的工作频率就越高。

1.1.1 频谱划分

在频谱分配上有一点需要特别注意，那就是干扰问题。频谱可供使用的范围是有限的，频谱被看作大自然中的一项资源，不能无秩序地随意占用，而需要仔细地计划，加以利用。频谱的分配主要是根据电磁波传播的特性和各种通信业务的要求确定的，但也要考虑一些其他因素，例如历史的发展、国际的协定、各国的政策、目前使用的状况和干扰的避免等。各国都有相应的机构对频谱进行严格的管理，国际范围内更有详细的频谱用途规定，例如，我国进行频率分配的组织是工业和信息化部无线电管理局，国际上进行频率分配的组织有国际无线电咨询委员会（CCIR）等。

由于应用领域众多，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，见表1.1。表1.1 IEEE频谱333

在表1.1中，1GHz=10MHz，1MHz=10kHz，1kHz=10Hz。

1.1.2 射频和微波

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 时电路的设计就需要考虑射频电路理论；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4GHz。

微波（Microwave）也是经常使用的频段，当频率高于 4GHz 时，电路常采用微波电路的设计方法。微波是指频率从300MHz 到3000GHz 的电磁波，对应的波长从1m到0.1mm，分为分米波（波长1m～100mm）、厘米波（波长100～10mm）、毫米波（波长10～1mm）和亚毫米波（波长1～0.1mm）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。

1.1.3 射频通信系统的工作频率

1864～1873年，麦克斯韦（James Clerk 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 Rudolf Hertz）通过一系列实验验证了麦克斯韦的理论，证实了电磁波的存在。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，无线通信领域就在不断发展，工作频率也在不断提高。目前移动通信 GSM 系统、第三代移动通信系统（3G）、全球定位系统（GPS）、无线局域网（WLAN）、射频识别（RFID）和电视广播（DS14～68频道）等都工作于几百MHz到GHz频段，这使得几百MHz到GHz频段的无线通信应用日趋广泛，也使得在此频段范围内的射频电路受到广泛关注。无线通信系统的工作频率见表1.2。表1.2 无线通信系统的工作频率

另外，新型半导体器件也使高速数字系统不断发展，对计算机来说，CPU的时钟频率已经达到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，射频频率的通信系统在各个领域越来越显示出其重要性。

1.1.4 射频的基本特性

射频技术的迅速发展和广泛应用与其特性密切相关。为了有效地传输信息，无线通信系统需要采用较高频率的信号，因此越来越多的电子通信系统使用了射频频段，带来了射频的繁荣，并推动射频技术进一步发展。但由于射频本身的特点，也会带来一些技术上的不利因素。

1．射频的优点（1）射频提供的带宽较大。射频的工作频率较高，因此带宽较大。当工作频率为 1GHz时，若传输的相对带宽为10%，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，较高的工作频率可以带来较大的带宽。大带宽的优点在于可以带来通信系统更高的信息容量。（2）射频所需的天线较小。射频的工作频率较高，因此天线的尺寸较小。无线通信需要采用天线发射和接收信号，当天线的尺寸可以与波长相比拟时，天线的辐射会更为有效。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。也就是说，工作频率的提高导致需要的天线尺寸减小，这迎合了现代通信对尺寸小型化的要求。（3）射频所需的元器件较小。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。（4）射频的频谱宽。射频通信可以提供更多的可用频谱，频谱不拥挤。（5）射频的速度快。射频的工作频率较高、带宽较大，因此数据传输和信号处理的速度快。

2．射频的不利因素

由于射频本身的技术特点，也带来一些不利因素。射频技术的不利因素主要为元器件的成本高、辐射损耗大、输出功率小、设计工具精度低等。

1.2 射频电路的特点

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，普通低频电路的分析方法是不适用的。由此引出的问题是，射频电路为什么与低频电路有如此大的差别？射频电路的“新”理论是什么？为了更清楚地了解将要讨论的问题，下面简要分析射频电路的特点。

基尔霍夫电路理论只能用于直流电路和低频电路的设计，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有显著的不同，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。

1.2.1 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

式（1.1）中，f 为工作频率，λ为工作波长，c为光的速度。式（1.1）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（1.1），可以得到如下数据。

1．50Hz市电可以采用低频电路理论

50Hz的市电属于ELF频段，对应的工作波长为

λ=c/f =6 000km

6 000km 这个工作波长比电路的尺寸大得多，对此工作频率完全可以用低频的基尔霍夫电路理论进行电路设计。

2．2.4GHz无线局域网必须采用射频电路理论

无线局域网的工作频率为2.4GHz，对应的工作波长为

λ=c/f=12.5cm

12.5cm这个工作波长与电路的尺寸可以相比拟，在此工作频率下，低频的基尔霍夫电路理论不再适用，与此工作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，2.4GHz的无线局域网属于射频电路。

1.2.2 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1.1所示为终端短路的传输线，根据射频电路理论将会得到距离短路终端l处的阻抗为

式（1.2）中，Z为常数，Z的取值范围一般为几十到几百欧姆00之间。图1.1 终端短路的传输线

式（1.2）改变了低频电路理论的观点，因为低频电路理论会认为Z=0。下面对式（1.2）加以分析。in

1．假设工作波长λ=10cm

由式（1.2）可以得到，这时若

l=2.5cm

则

也即离开短路终端2.5 cm处，阻抗为无穷大，传输线等效于开路，如图1.1（a）所示。这个结论完全颠覆了低频电路的理论基础！λ=10 cm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的问题。

2．假设工作波长λ=1 000km

由式（1.2）可以得到，这时若

l=lm

则

结果是：即便离开短路终端1 m处，阻抗为0，传输线还相当于短路，如图1.1（b）所示。这个结论符合低频电路的理论观点。λ=1 000km 属于低频波段，在低频波段低频电路理论和射频电路理论都适用，由此可以看出低频电路理论是射频电路理论的特例。

从上面的讨论可以看出，低频电路理论是射频电路理论的特例，低频电路理论不能用于射频电路，必须采用射频的电路理论分析、设计射频电路。

1.2.3 射频电路的分布参数

低频电路理论称为集总参数电路理论，射频电路理论称为分布参数电路理论，分布参数是射频电路的最大特色。

从正弦交流（AC）电路分析中可以知道，电感L和电容C的电抗X和X与频率有关，X和X与频率的关系是LCLC

式（1.3）和式（1.4）中ω为角频率，ω=2πf。下面考察当电感L=1nH和电容C=1pF时的电抗X和X。LC（1）当f=100Hz时

也就是说，100Hz时1nH电感相当于短路、1pF电容相当于开路。（2）当f=3GHz时

结论是：在3GHz时1nH电感和1pF电容的影响必须考虑。

需要说明的是，一段直导线（甚至电阻、电感或电容的引线）都可以达到1nH电感的量级。上面的数据说明，当频率升高到射频以后，必须重新考虑电路上电感和电容的分布。

1．传输线上的分布参数

图1.2（a）为一段传输线。从上面计算的数据可以看出，低频时这段传输线既不用考虑直导线的电感，也不用考虑2根导线之间的电容，等效电路如图1.2（b）所示。当频率达到射频以后，传输线上直导线的电感分布不可忽略、传输线上2根直导线之间的电容分布也不可忽略，传输线的等效电路如图1.2（c）所示。图1.2 一段传输线

射频电路认为传输线上到处都分布着电感和电容，所以射频电路也称为分布参数电路。由于分布参数的存在，传输线上电压、电流和阻抗的分布与低频电路完全不同，射频传输线上电压和电流出现了波动性，并导致反射的产生，因此需要建立射频电路的理论体系。

2．无源器件的寄生参数

分布参数的存在还会导致无源器件产生寄生参数，改变无源器件的参量。电阻、电感或电容的引线都存在寄生电感和寄生电容，寄生参数使电阻、电感或电容的等效电路变得复杂，例如低频下的电阻在射频时可能会产生感性或容性。

低频下的器件一般不能用于射频，生产厂商会给出元器件的使用频段。为减小寄生参数的影响，射频元器件的尺寸比低频元器件的尺寸小，射频时经常使用小尺寸的片状电阻或片状电容等。

1.2.4 射频电路的集肤效应

在射频电路中，信号是通过导体传输的，导体存在集肤效应。集肤效应如图 1.3 所示。所谓集肤效应是指当频率升高时，电流只集中在导体的表面上，导体内部的电流密度非常小，如图1.3（a）所示。集肤效应使导线的有效导电横截面积减小，交流电阻增加，如图1.3（b）所示。图1.3 集肤效应

1．趋肤深度

可以用趋肤深度描述集肤效应的程度，导体内的电流主要集中在导体表面的趋肤深度内。趋肤深度δ定义为

式（1.5）中，μ为导体的磁导率，σ为导体的电导率。−7

下面以铜为例计算趋肤深度。铜的磁导率μ=4π×10H/m，电导7率σ=5.8×10S/m，不同频率下铜的趋肤深度为

比较上面的数值可以看出，随着频率的升高趋肤深度不断减小，当f=1GHz时，电流将主要集中在铜表面的0.002 09mm范围内。

2．射频电阻

对于半径为a的圆柱形导体，可以用趋肤深度估算其直流电阻和射频电阻的差异。计算的结果是：当f>500 MHz时，直流电阻R和DC射频电阻R的近似关系为RF

以导体半径a=0.5mm、射频频率f=1GHz为例，射频电阻为

R≈120 RRFDC

也即圆柱形导线的射频电阻达到直流电阻的120倍。

在射频电路中，集肤效应引起电路损耗急剧增加，必须考虑分布电阻对射频电路的影响。也就是说，传输线的射频电阻较大，在传输线上不仅需要考虑电感的分布参数和电容的分布参数，还需要考虑电阻的分布参数。射频电路与低频电路的上述差异，不仅导致射频电路理论与低频电路理论有显著的不同，甚至导致射频传输线采用了同轴线、平行双导线、带状线和微带线等不同于低频导线的特殊结构，产生了独特的射频电路理论。

1.3 射频系统

射频电路主要应用于无线通信领域。原始的电信号通常称为基带信号，有些信道可以直接传输基带信号，但以自由空间作为信道的射频无线传输，却无法直接传送基带信号。将基带信号变换成适合在无线信道中传输的信号（称为频带信号），然后在接收端进行反变换，这个过程需要采用射频系统。射频系统主要由收发信机构成，在射频系统一端的发射机发送携带有信息的频带信号，在射频系统另一端的接收机接收携带有信息的频带信号。

1.3.1 射频系统举例

射频系统种类繁多，包括移动通信系统、无绳电话系统、无线寻呼系统、集群通信系统、全球定位系统、无线局域网系统、射频识别系统和个人通信系统等。这些射频系统有一个共同的特点，那就是频带信号的频率比基带信号的频率大得多。射频频率的频带信号不仅携带有信息，而且适合在无线信道中传输。

表1.3列出了2个射频无线通信系统的主要参数，这2个系统分别为GSM900移动通信系统和欧洲CEPT标准的无绳电话系统。表中给出了这2个系统的通信频段和发射功率等，这些参数是射频系统需要考虑的主要参数。表1.3 射频无线通信系统的参数

在表 1.3 中，GSM900 移动通信系统的上行频带是指手机发射的频率范围，下行频带是指基站发射的频率范围，上行频率和下行频率都属于射频，说明在一个射频系统里需要处理收、发2个过程，这2个过程都采用射频频段；欧洲CEPT无绳电话系统的手机发频段和座机发频段也都属于射频，而且发射功率较小，说明射频系统的输出功率一般比较小。

1.3.2 收发信机

在一个射频系统里需要处理收、发2个过程，所以射频通信设备也称为收发信机。一个收发信机同时可以完成“收”与“发”2种任务。各种收发信机有类似的结构，图1.4给出了收发信机的一般框图。图1.4 收发信机的一般框图

1．收发信机框图说明

图1.4的配置说明如下。（1）输入信号（例如语音信号或从计算机来的数字信号）首先通过“数字电路”进行数字处理。在“数字电路”中，如果输入信号是语音信号，应先转换成数字形式。（2）输入信号经过“数字电路”处理后，进入“混合信号电路”。“混合信号电路”将发射信号通过数/模变换器传送到“模拟信号电路”；或将来自“模拟信号电路”的接收信号传送到“混合信号电路”的模/数变换器中。（3）“模拟信号电路”也称为射频前端电路。射频前端电路的主要作用是将来自“混合信号电路”的信号频率大幅度地提高到射频频率，然后送入天线；或将天线接收到的射频频率信号转换为频率较低的信号，然后送入“混合信号电路”。（4）天线是无线通信系统的第一个和最后一个器件，凡是利用电磁波传递信息和能量的，都依靠天线进行工作，天线是用来发射或接收无线电波的装置和部件。在无线通信领域，天线是不可缺少的组成部分。无线通信利用无线电波来传递信息，当信息通过电磁波在空间传播时，电磁波的产生和接收要通过天线来完成。

2．射频前端电路

射频前端电路的内容属于本书讲授的内容。射频前端电路主要由滤波器、放大器、混频器和振荡器等功能模块构成，这些功能模块可以构成一般的射频电路系统。（1）图 1.4 射频前端一般框图说明。射频通信系统收发的是射频模拟信号，这个射频模拟信号需要滤波、放大、混频和射频信号源。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；混频的目的是让频率较低的中频模拟信号（图 1.4 中由“混合信号电路”输出的信号）转换为频率较高的射频模拟信号，或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（图 1.4中进入“混合信号电路”的信号）；射频信号源是振荡器（也称为本地振荡器，简称“本振”），振荡器可以产生特定频率的正弦振荡信号。

在图 1.4 中，发射的过程与接收的过程相反。天线接收到的信号首先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，这时信号的频率还是射频；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信号与本振信号频率的差值，中频信号的频率比射频信号的频率大幅度降低。在发射通道中，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。在上述接收和发射过程中，滤波、放大、混频和本振都属于射频电路的范畴。（2）IS95手机射频前端电路框图说明。IS95是第二代北美数字蜂窝系统，它既能提供电路模式的业务，又能提供分组模式的业务。IS95 基站到移动台的通信频段为 869～894MHz，移动台到基站的通信频段为 824～849MHz。当移动台为手机时，手机接收通道的中心频率为881MHz，手机发射通道的中心频率为836MHz。图1.5是一款IS95手机射频前端的电路框图。图1.5 IS95手机射频前端的电路框图

天线接收的信号通过双工器进入接收通道，CH 1.Rx 的射频输入信号频率为870.03MHz，此信号通过中心频率为881MHz的带通滤波器、低噪声放大器（LNA）、中心频率为881MHz的带通滤波器后，进入混频器。压控振荡器（VCO）产生的本振信号频率为953.19MHz，该本振信号与870.03MHz的射频输入信号混频，生成83.16MHz的第一中频信号。第一中频信号再与压控振荡器（VCO）产生的82.71MHz本振信号混频，生成450kHz的第二中频信号，该信号通过中频放大器（IFAMP），进入数字信号处理（DSP）电路。

在手机发射通道中，压控振荡器（VCO）产生的953.19MHz和128.16MHz信号混频，产生 825.03MHz 的射频信号。再经过移相网络产生相位相差 90°的正交信号，分别受到数字信号的I/Q正交调制，完成数字信号对射频信号的调制。之后通过放大器（AMP）、中心频率为836MHz的带通滤波器、功率放大器（PA），获得足够的功率增益后，将频率为825.03MHz的CH 1.Tx射频信号通过双工器送入天线。最后天线将射频信号发射出去。（3）射频电路与低频电路的设计方法不同。本书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、放大器的设计、混频器的设计及振荡器的设计等，这些电路模块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主要关心增益；射频电路放大器的设计则需要考虑多方面的因素，不仅需要考虑增益，还需要考虑阻抗匹配、稳定性设计、交直流隔离、低噪声设计等。在射频频段为消除反射、保证最佳传输，射频放大器的输入和输出端需要添加阻抗匹配网络；射频频段的反射可能带来放大器工作的不稳定，放大器需要进行稳定性设计；射频放大器交流信号与直流偏置之间可能形成干扰，所以射频放大器交流与直流之间需要隔离；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。

1.3.3 ADS射频仿真设计

现在射频电路的设计越来越复杂，指标要求越来越高，而设计周期却越来越短，这要求设计者使用“电子设计自动化”软件工具。ADS（Advanced Design System）软件由美国安捷伦（Agilent）公司开发，是当前射频和微波电路设计的首选工程软件，可以支持从模块到系统的设计。

由于射频技术本身的特点，射频电路的分布参数复杂，射频电路辐射损耗较大，电磁场的空间分布使设计精度较低。单纯采用射频电路理论进行射频电路设计既十分复杂、精度也很难达到设计要求。在深入理解射频电路理论的基础上，结合仿真软件进行设计，是通向射频电路设计成功的最佳路线，也是射频领域工业级设计的基本方法。

ADS 软件是工业级的设计软件，是最受科研院所和 IT 公司欢迎的射频电路和射频系统设计软件，该软件功能强大，仿真手段丰富多样，可以实现包括时域和频域、数字和模拟、线性和非线性、电磁和数字信号处理等多种仿真手段，并可以对设计结果进行优化、成品率分析和版图转换等，从而大大提高了复杂电路的设计效率，是当今业界最流行的射频微波电路和系统设计的工具。

1.4 本书安排

射频电路理论是电磁场的波动理论与传统电子学的融合。电磁场的方法涵盖了微波传输线的知识，却没有触及放大器、振荡器和混频器等内容；传统电子学涵盖了基本电路的理论，但没有涉及分布参数和电压电流的波动性质，这些波的反射和传输是影响射频电路特性的重要因素。本教材避开了电磁场理论的场方程公式，从传输线理论出发，引导读者进入射频电路的学习，并采用射频网络的方法分析射频电路模块，形成了射频电路的理论体系和设计方法。

本书系统地介绍了射频电路的基本理论及设计方法，同时将史密斯圆图的图解方法应用到射频电路的设计之中。全书共分12章：第1章为引言；第2～4章为传输线理论、史密斯圆图和射频网络基础，这部分内容系统地介绍了射频电路的基本概念、基本参数、图解工具和基本研究方法；第5～11章为谐振电路、匹配电路、滤波器、放大器、振荡器、混频器和检波器，这些电路模块可以构成完整的射频系统解决方案；第12章为ADS射频电路仿真设计简介。本书首先介绍了射频电路的基本理论，在此基础上讨论常用的射频电路模块的工作原理和构成，使读者对射频电路有一个全面的认识。

在第2章，本书从传输线理论出发引导读者进入射频电路的学习，通过对电路分布参数的分析，得到了电压和电流的波动特性，为读者打开了学习射频电路的大门。射频电路计算繁杂，为简化计算，史密斯圆图被应用到射频电路的设计之中，第3章介绍了史密斯圆图的基本知识，史密斯圆图是根据传输线理论建立起来的一种图解方法。为便于工程应用，射频电路经常采用网络的观点进行设计，第4章介绍了射频网络的基础知识，射频网络不需要分析射频电路内部的状况即可得到主要传输特性，网络参数易于测量又为广大工程技术人员所熟知，故射频网络的方法应用十分广泛。

射频电路主要由滤波器、放大器、振荡器及混频器等功能模块构成。第5章和第6章分别介绍了谐振电路和匹配网络，谐振电路和匹配网络是滤波器、放大器、振荡器及混频器的基本组成部分，例如滤波器和振荡器中需要有谐振电路，放大器和振荡器中需要有输入输出匹配网络。第7章至第11章为滤波器、放大器、振荡器、混频器和检波器的设计，这几种电路模块都能完成独立的功能，例如在射频接收系统中需要用到带通滤波器、低噪声放大器、振荡器、混频器和检波器，其中带通滤波器只允许所需频率范围内的信号通过，低噪声放大器将接收到的微弱信号放大，振荡器产生本振信号，混频器将射频频率的接收信号转换成频率较低的中频信号，检波器用于提取信号的包络。

本书涵盖了射频电路的基本理论和基本设计方法，将传输线理论、史密斯圆图解法、射频网络理论与射频滤波电路、射频放大电路、射频振荡电路、射频混频电路相融合，构成了完整的射频电路和射频系统解决方案。

本章小结

射频电路是指工作频率为射频频率的电路，现在移动通信、全球定位、无线局域网、射频识别等无线通信系统以及高速数字系统都涉及到射频电路的设计。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没有遇到过，需要建立新的射频电路理论体系。

广义地说，可以向外辐射电磁信号的频率称为射频（Radio Frequency）；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。射频电路的典型频段为几百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。微波（Microwave）也是经常使用的波段，微波是指频率从 300MHz到 3 000GHz 的电磁波，微波的低频段与射频频率相重合。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。

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。射频频段的频率很高，所以射频的工作波长很短，当电路的尺寸可以与工作波长相比拟时，采用射频电路理论。低频电路理论只适用于低频电路的设计，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。低频电路理论称为集总参数电路理论，射频电路理论称为分布参数电路理论，分布参数是射频电路的最大特色。射频电路理论认为传输线上到处都分布着电感和电容，由于分布参数的存在，传输线上电压、电流和阻抗的分布与低频电路完全不同，射频传输线上电压和电流呈现出了波动性。射频电路理论是电磁场理论与传统电子学的融合，它将电磁场的波动理论引入电子学，形成了射频电路的理论体系。

射频系统种类繁多，主要应用在无线通信领域。原始的电信号通常称为基带信号，但基带信号无法以自由空间（空气）为信道直接传输，也就是说，基带信号不能直接通过无线通信进行传输。射频系统有一个共同的特点，那就是将工作频率大幅度提高，提高到射频频率，射频频率的信号不仅携带有与基带信号相同的信息，而且适合在无线信道中传输。射频系统主要由收发信机构成，收发信机将频率较低的基带信号变换成频率较高的射频信号，然后通过天线在自由空间发射出去；收发信机也可以将自由空间传播的射频信号接收下来。各种收发信机的射频前端有类似的结构，主要由滤波器、放大器、振荡器和混频器等功能模块构成，射频前端电路的内容属于本书讲授的内容。

思考题和练习题

1.1 什么是射频？什么是微波？射频频率与微波频率有明确的频率分界点吗？国际和国内频谱的划分是随意的吗？

1.2 什么时候需要考虑射频电路理论？举出射频电路应用的4个例子。

1.3 根据表1.1给出的IEEE 频谱，利用式（1.1）计算。（1）ELF频段（频率为30～300Hz）的波长范围。（2）LF频段（频率为30～300kHz）的波长范围。（3）UHF 频段（频率为300～3 000MHz）的波长范围。（4）S波段（频率为2～4GHz）的波长范围。

并将计算出来的波长范围与表1.1中的数值对比，验证计算的正确性。

1.4 当传输线终端短路时，利用式（1.2）计算。（1）市电的波长λ=6 000km ，当l=100m时，计算Z。in（2）射频的波长λ=10cm ，当l=2.5cm时，计算Z。in

从上面的计算可以看出射频电路与普通低频电路的不同吗？

1.5 某双导线的分布电感为L=0.999nH/mm，分布电容为C=0.011 1pF/mm，利用式（1.3）和式（1.4）计算。（1）当f=40Hz时，每毫米X和为多少？L（2）当f=4GHz时，每毫米X和为多少？L

低频时分布电感和分布电容能忽略吗？射频时分布电感和分布电容还能忽略吗？

1.6 什么是集肤效应？什么是趋肤深度？利用式（1.5）计算。（1）当f=50Hz时，铜的趋肤深度是多少？（2）当f=3GHz时，铜的趋肤深度是多少？

用铜线传输电能时，50Hz时需要考虑集肤效应吗？用铜线传输射频信号时，3GHz时需要考虑集肤效应吗？

1.7 圆柱形铜导体半径a=1mm。利用式（1.6）计算。（1）当f=500MHz时，射频电阻可以达到直流电阻的多少倍？（2）当f=4GHz时，射频电阻可以达到直流电阻的多少倍？

射频时电阻损耗大吗？

1.8 画出收发信机的一般框图，说明其中数字电路、混合信号电路和模拟信号电路的作用。

1.9 收发信机的射频前端主要由哪些功能模块构成？说明其中每一个功能模块的作用。

1.10 简要介绍ADS 软件。

第2章 传输线理论

传输线是用以从一处至另一处传输电磁能量的装置。射频电路与低频电路不仅基本理论有显著的不同，而且采用的传输线装置也不同，射频传输线采用了同轴线、平行双导线、带状线和微带线等不同于低频导线的特殊结构。本章从电路的观点出发，以平行双导线为例讲述传输线理论。

传输线理论是分布参数电路理论。随着工作频率的升高，工作波长不断减小，当工作波长可以与电路的几何尺寸相比拟时，传输线上的电压和电流分布将随空间位置变化，电压和电流呈现出波动性，这一点与低频电路完全不同。传输线理论用来分析传输线上电压和电流的分布状况，以及传输线上阻抗的变化规律。在射频频段，低频电路的基尔霍夫定律不再适用，必须采用传输线理论取代低频电路理论。

从本章分析的结果可以看出，传输线理论在基本电路理论和电磁场理论之间架起了桥梁。传输线理论是基本电路理论与电磁场波动理论的融合，传输线理论可以认为是电路理论的扩展，也可以认为是波动方程的解。传输线上信号的传输方式与空间平面电磁波的传播方式是一致的，电压和电流出现了入射和反射的波动性质，并产生了行波与驻波现象。

本章首先介绍传输线的结构；其次给出传输线分布参数等效电路及传输线方程；然后引入传输线的基本特性参数；随后对无耗传输线的工作状态及信号源的功率输出进行分析；最后讨论微带线。

2.1 传输线结构

2.1.1 传输线的构成

传输线主要从两个方面考虑其构成，一个是电性能的考虑，有传输模式、色散、工作频带、功率容量、损耗等几个指标；另一个是机械性能的考虑，有尺寸、制作难易度、集成难易度等几个指标。

1．传输线的电性能

从传输模式上看，传输线上传输的电磁波分为3种类型。（1）TEM波（横电磁波）：电场和磁场都与电磁波传播方向相垂直。（2）TE波（横电波）：电场与电磁波传播方向相垂直，传播方向上有磁场分量。（3）TM波（横磁波）：磁场与电磁波传播方向相垂直，传播方向上有电场分量。

本书讨论的射频电路，传输线上传输TEM波或准TEM波。当传输线上传输TEM波或准 TEM 波时，可以用电压和电流取代电场和磁场描述传输线上的工作状态，本书中的射频电路只涉及TEM传输线。当传输线上传输TE波或TM波时，必须用电场和磁场描述工作状态，这是微波电路中关于金属波导的内容，超出了本书的范围，本书不予讨论。

TEM传输线（即传输TEM波的传输线）无色散。色散是指电磁波的传播速度与工作频率有关。TEM传输线上电磁波的传播速度与工作频率无关，所以相速度v即为速度v。相速度为p

式（2.1）中，ε、μ、ε和μ分别是TEM传输线导体间介质的介电rr常数、磁导率、相对介电常数和相对磁导率；ε和μ是自由空间的介00电常数和磁导率；c是自由空间光速。

TEM传输线的工作频带较宽。TEM传输线工作频率的范围可以由直流（0Hz）到吉赫兹（GHz）。

TEM传输线的功率容量和损耗应能满足设计要求。

2．传输线的机械性能

传输线的机械性能包括物理尺寸、制作难易度、与其他元器件集成的难易度等几个指标。出于上述机械性能的考虑，传输线有平面化的趋势。

2.1.2 几种常用的TEM传输线

TEM 传输线有许多种，常用的有平行双导线、同轴线、带状线和微带线（传输准 TEM波）等。用来传输TEM波的传输线，一般由2个（或2个以上）导体组成。

1．平行双导线

平行双导线也称为双线传输线，图2.1所示为平行双导线的结构。平行双导线由2根直径为d、相距为D的平行的圆柱形导体构成。平行双导线是开放的系统，当工作频率升高时，其辐射损耗会增加，同时也会受到外界信号的干扰。随着工作频率的升高，工作波长不断降低，当工作波长短至可以和平行双导线的横向尺寸相比拟时，平行双导线的辐射急剧增加，使其不再适合传输信号，故平行双导线仅用于工作波长大于米波或分米波的情况。图2.1 平行双导线

平行双导线的工作频带很宽，可以用于直流至几百兆赫兹的所有频率中。平行双导线可以作为天线馈线使用。

2．同轴线

图2.2所示为同轴线的结构。同轴线由内导体、中间介质、外导体构成，内导体半径为a ，外导体内半径为b，内外导体之间是介电常数为ε的介质或空气，中间介质最常用的材料是聚苯乙烯（ε=2 . r5 ）、聚乙烯（ε=2.3 ）和聚四氟乙烯（ε=2.1 ）。同轴线的外导体rr通常接地，电磁场被限定于内外导体之间，所以同轴线基本没有辐射损耗，也几乎不受外界信号的干扰。图2.2 同轴线

同轴线的工作频带比平行双导线宽。同轴线可以用于大于厘米波的波段，并且在10GHz以下的频率中同轴线都有应用。大部分射频系统或测试设备的外接线都是同轴线。同轴线也可以作为天线馈线使用。

3．带状线和微带线

20世纪50年代以后，为适应电子技术对小型化和轻量化的需要，开始研制平面型传输线。平面型传输线是继金属波导和同轴线之后一种新型的传输线，具有平面型结构，且小型、轻量、性能可靠，可以使射频和微波波段的电路和系统集成化。平面型传输线有许多种，带状线和微带线是平面型传输线的 2 种类型，带状线于 1955年发明，微带线于1952年发明。1965年固体器件和微带线相结合，出现了第一块微波集成电路。在射频电路中平面型传输线得到了广泛应用，多数射频电路是由微带线实现的。

带状线和微带线这些平面型传输线与其他传输线相比，具有体积小、重量轻、价格低、可靠性高、功能的可复制性好等优点，且适宜制作微带天线、适宜与固体芯片器件配合构成集成电路。带状线和微带线也有缺点，主要是损耗较大，功率容量小，故主要应用于小功率的系统中。

带状线的结构如图 2.3 所示，是由一条厚度为t、宽度为W的矩形截面中心导体带和上下两块接地导体板构成，两块接地导体板的距离为b。中心导带的周围媒质可以是空气也可以是介质。图2.3 带状线

微带线的结构如图2.4所示，是在厚度为h的介质基片的一面制作宽度为W、厚度为t的导体带，另一面制作接地导体平板，整体厚度只有几个毫米。由于微带线的导体带周围有介质和空气2种媒质，微带线不能传输TEM波，只能传输准TEM波，但微带线的传输特性近似按TEM传输线处理。由于多数射频电路是由微带线实现的，2.7节还要对微带线进行更详细的讨论。图2.4 微带线

2.2 传输线等效电路表示法

2.2.1 长线

传输线理论是长线理论。传输线是长线还是短线，取决于传输线的电长度而不是它的几何长度。电长度定义为传输线的几何长度l与其上工作波长λ的比值。当传输线的几何长度l比其上所传输信号的工作波长λ还长或者可以相比拟时，传输线称为长线；反之则可称为短线。长线和短线是相对的概念，在射频电路中，传输线的几何长度有时只不过几厘米，但因为这个长度已经大于工作波长或与工作波长差不多，仍称它为长线；相反地，输送市电的电力线，即使几何长度为几千米，但与市电的工作波长（6 000km）相比，还是小许多，所以还是只能看作是短线。

TEM传输线上电磁波的相速度为

式（2.4）中，f 是工作频率，λ是传输线上电磁波的工作波长。从式（2.4）可以看出，工作频率越高，工作波长越短。例如，对于带状线，当射频频率 1 GHzf = 、两接地导体板间介质的ε=9.5时，工r作波长为

此时，工作波长λ与射频电路的尺寸差不多。射频电路中，电路的尺寸可以与工作波长相比拟，所以射频电路用长线的传输线理论来分析。

电路理论与传输线理论的区别，主要在于电路尺寸与工作波长的

试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]

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