电子工程师的未来-射频电路设计.ppt

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1、1,射频电路设计理论与应用,2,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。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理方法进入这个领域。该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，而波的反射和传输特性是影响射频电路特性的重要因素。,3,本课程不采用电磁场理论也能讲清楚传输线原理。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

2、论及微电子学方面的知识即可。教材选用射频电路设计理论与应用作参考。主要分析低频电路和元件当工作频率升高到射频波段（30MHz4GHz）时所遇到的困难和解决办法，并重点讨论横电磁波（电场与磁场传播方向正交）的传输特性及用微带线（由特定长度和宽度的敷铜带）制成的各种射频器件的原理和方法。,4,目 录,1、引言 2、传输线分析 3、Smith圆图 4、单端口网络和多端口网络 5、射频滤波器设计 6、有源射频元件 7、有源射频电路器件模型 8、匹配网络和偏置网络 9、射频晶体管放大器设计10、振荡器和混频器,5,第1章 引 言,1.1 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

3、电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：,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 别？被应用的“新”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？,回顾由低频到高频电路的演变过程，并从物理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。,6,一般射频系统方框图,7,移动电话2GHz功率放大器第一级简化电路,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。输入和输出的偏置网络是通过两个RF阻塞网络将高频信号与DC偏置分离，

4、关键元件是射频线圈。,8,功率放大器印刷电路板布局,了解、分析和最终制造这种PA电路，要涉及许多关键的RF课题。,12.7mm,9,在第2章“传输线分析”中将讨论微带线的阻抗特性，其定量 求解过程在第3章“Smith”圆图中介绍。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 输入-输出是 通过两端口网络描述。在第5章“滤波器设计”中研究特定的阻抗对频率响应的一般 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。第8章将深入研究“匹配网络和偏置网络”的实现。第9章介绍“射频晶体管放大器设计”中有关增益、线性度、噪声和稳定度等指标。第10章讨论“振荡器和混频器”设计的基本原理。,10

5、,1.2 量纲和单位,为了理解频率上限，在自由空间，向正 z 方向传播的平面电磁波为：,A/m,V/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：1.电磁波是横波，E和H都与传播方向垂直；2.E和H互相垂直，且同相位。,11,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。,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）：,TEM波相速：,m/s,Transverse electromagnetic mode,（1.3）,在波的传播方向上，单位距离空间相位kz的变

6、化称为相位常数（传播常数）：,空间相位kz变化2所经过的距离称为波长：,横电磁模:,12,解：自由空间的相对磁导率和介电常数等于1,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 长：,波阻抗：,相 速：,1 m,1 cm,10 m,13,1.3 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：VHFS波段。MW范围：C波段以上。,电气和电子工程师学会(IEEE)频谱,VLF(甚低频)330kHz 10010km,频 段 频 率 波 长,ELF(极低频)

7、30300Hz 100001000km,MF(中频)3003000kHz 10.1km,VF(音频)3003000Hz 1000100km,VHF(甚高频)30300MHz 101m,LF(低频)30300kHz 101km,S 波段 24GHz 157.5cm,HF(高频)330MHz 10010m,UHF(特高频)3003000MHz 10010cm,SHF(超高频)330GHz 101cm,频 段 频 率 波 长,EHF(极高频)30300GHz 10.1cm,毫米波 40300GHz 7.51mm,P 波段 0.231GHz 13030cm,C 波段 48GHz 7.53.75cm,X

8、 波段 812.5GHz 3.752.4cm,Ka 波段 26.540GHz 1.130.75cm,K 波段 1826.5GHz 1.671.13cm,L 波段 12GHz 3015cm,K 波段 12.518GHz 2.41.67cm,亚毫米波 3003000GHz 10.1mm,microwave,微波:,tadio frequency,射频:,14,1.4 无源元件的射频特性,在常规电路中，R与 f 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。如导线的直流电阻：对DC信号，传导电流流过整个

9、导体横截面。在AC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趋肤效应。沿z方向的电流密度：其中 是零阶和一阶贝塞尔函数，I为总电流,1,C,15,L/RDCa/2,在高频条件下(f500MHz)，,归一化电阻：R/RDCa/2,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)-1/2,其趋肤厚度：,归一化电感：,16,在RF和MW电路中应用的主要是薄膜片状电阻，(P22)其等效电路：,1.4.1 高频电阻,在美国线规中，大约每6个线规，其

10、导线直径翻倍。AWG50：d=1mil，AWG44：d=2mil，AWG38：d=4mil，其中：1mil=2.5410-5m=2.5410-2mm,高频线绕电阻等效电路表示法,高频电阻等效电路表示法,17,解：AWG26的d=16mil，a=82.5410-5m=0.2032mm,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)，,18,其中：是介质的电导率，现在习惯上引入串联,1.4.2 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：,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,

11、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。,电容的阻抗：,所以：,19,由1.16式，泄漏电阻：,例1.4 求47pF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：与例1.3相似，引线电感：,由1.13式，引线电阻：,注：电容值、损耗角正切和额定电压由制造商给出。,20,1.4.3 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。,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

12、。,线圈半径：r=50mil=1.27mm(1英寸=1000),21,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)，,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=1.27mm,22,1.5 片状元件及对电路板的考虑,1.5.2 片状电容,1.5.3 片状电感,1.5.1 片状电阻,接触片,220R,W,几何形状,宽(w)，,长()，,0603,尺寸代码,0805,1206,1218,30,0402,50,180,

13、20,60,60,80,120,40,120,标称值 陶瓷体,最通用的表面安装电感仍采用线绕线圈，对厚度受到严格限制的电路采用扁平线圈。,便于安装,23,第1章 小 结,本章讨论了低频系统到高频系统的演化过程，在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。重要参量：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R，C和L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可能小，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。,圆柱形导线呈现的射频特性：,24,习 题 一,1.2 一无耗同轴线在960MHz时,电磁场的波长为20cm,求绝 缘材料的相对介电系数.,1.1 计算在FR4印刷电路板中的相速度和波长,电路板的相对 介电系数是4.6,工作频率为1.92GHz.,25,1.10 在一高频电路中,电阻的引线是由AWG14总长度为5cm的 直铝线制成,(a)计算DC电阻;(b)求工作频率为100MHz,1GHz和10GHz时的AC电阻和电感.,1.6 求下面RLC串并联电路的谐振频率.,1.5 求下面LC串联和并联电路阻抗幅值的频率响应.,