射频电路设计

图1.5.1 传输线的等效电路（单位长度）
2.1 传输线理论
TEM波 在自由空间：电场方向与传播方向 彼此正交 在导体媒质中：发现电场有纵向分 量Ｅz，该电场在导体中沿Ｚ方向产 生电压降． 正弦曲线的空间特性用沿Ｚ方向的波 长λ表征；正弦曲线的时间特性用沿 时间轴的时间周期表征．则 空间对时间的导数，即表示相位变化 的速度，称相速 当频率不高时，一定长度导线内电压 的空间变化并不明显，如右图：
传输线分析
2.1 传输线理论的实质 2.2 传输线类型及特性 2.3 等效电路表示法 2.4平行板传输线的电路参数 2.5一般的传输线方程 2.6微带传输线 2.7端接负载的无耗传输线 2.8特殊的终端条件 2.9信号源和有载传输线
传输线的定义
传输线是传输电流信号的导体。任 何传输线都可以用由离散电容C、离 散电感L、电阻R和电导G所组成的 分布电路表示，如图1.5.1所示。其 中，电阻R为单位长度的串联等效电 阻，对于一个理想的传输线而言， 其值应为0；G为单位长度的电导， 反映传输线介质的绝缘品质，对于 一个理想的传输线而言，其值应为 无穷大。L为单位长度的电感，C为 单位长度的电容，一个理想的传输 线只有电感和电容。通常线参数R、 C、L、G的值可通过对传输线的电 磁场进行分析得出，这些参数与它 们的截面几何尺寸及材料的电特性 有关。
上式是沿z轴取向的传输线的通解，第一项代表波向z方向传播， 振幅随Z的增加呈指数衰减；第二项代表波沿-z方向传播，振幅 随Z的增加呈指数增加。
2.5一般的传输线方程 一般的传输线方程
阻抗的定义 将传输方程求微分并整理得到： 定义特性阻抗为：
则：
特征阻抗的定义：对无限长的传输线，电压与通过该点的电流相除所得的比值保持常数，这 个比值就称为传输线的特征阻抗。 实际上，传输线总是有限的： 当传输线趋于无穷长：信号就能无反射地沿前行方向连续传播； 当传输线有限时：信号可能被传输线的终端负载反射回来，当终端负载改变时，反射信号的 强度也随之改变，当终端负载可以吸收全部入射信号时，从源看进去传输线似乎有无限长的 电长度，此时，线上任一点的电压与电流之比是一个常数，其值等于终端的阻抗。即：对每 个传输线有一个唯一的阻抗，当传输线的终端以该阻抗值作为负载时，则不会产生回波信号。 对直流信号： 当 ω→∞, ωL>>R及ωC>>G 时 对无耗传输线，R→0及G →0,则
2.7端接负载的无耗传输线
二、传播常数和相速 传播常数：
衰减常数
α = β
γ = ( R + jωL)(G + jωC ) = α + jβ
1 ( RY 0 + GZ 2 = ω LC )
0
对无耗线路：R=G=0 则
（与频率无关）
2.7端接负载的无耗传输线 三、驻波
在传输线上有2个相反方向传播的波， 但合成的信号代表一个驻波。 驻波的相角不随d的变化而改变，而幅 度则随传输线的位置而改变。
2.2 传输线的类型与特性 四、带状线
将微带线“夹”在两接地板之间。 如图：导体层被放置在印制电路 板的金属层（平衡的接地层）之 间，因此它没有辐射 没有辐射。 没有辐射 带状线和微带线一般都有一个由 玻璃纤维、聚苯乙烯、聚四氟乙 烯组成的印制电路板衬底。微带 线可以使用标准印制电路板的制 造技术制造，与带状线相比，制 造更容易。 微带结构主要用作低阻抗传输线 低阻抗传输线， 低阻抗传输线 高功率传输线应用的是平行板线， 如图
2.2 传输线的类型与特性
射频电路中使用的传输线有双绞线、同轴电缆、微带线、带 双绞线、同轴电缆、微带线、 双绞线 状线和波导等形式 状线和波导 一、双线传输线（双绞线）
缺点：相隔固定距离的双导线，由导体发射的 电磁力线延伸到无限远，并影响线附近 的电子设备。 由于导线对的作用像一个大天线，辐射 损耗很高。 用途：通常作为电视或者FM接收器天线的馈线， 或者作为一个偶极子的发射/接收天线的 平衡式馈线。 如：300平衡式传输线（双绞线） 它具有极小的损耗，能够允许很高的线电压，
2.7端接负载的无耗传输线
2.8特殊的终端条件
一、端接负载无耗传输线的输入阻抗
2.8特殊的终端条件
二、短路传输线
来自百度文库
2.8特殊的终端条件
三、开路传输线
2.8特殊的终端条件
四、1/4波长传输线
如λ/4变换器，可通过选择线段，使一个 实数负载阻抗与一个所希望的实数输入阻 抗匹配，传输线的特性阻抗等于负载和输 入阻抗的几何平均值
2.6 微带传输线的设计
当t/h<0.005,即线路导体厚度t与基片厚度h相比可以忽略，可用只 与w、h、εr有关的经验公式 当w/h<1
2.6 微带传输线的设计
但无论哪种情况，得出的Z0只是近似值，且在w/h的变化 范围内不是连续的函数，如下图：
2.6 微带传输线的设计
相速度： 波长： 在实际应用中，给定Z0和基片的介电常数εr,计算设计w/h值
当源和负载与传输线特性阻抗均失配： 当源和负载与传输线特性阻抗均失配：
对于有耗传输线，由于信号的衰减，输入功率 不等于负载功率
2.9信号源和有载传输线
三、输入阻抗匹配
2.9信号源和有载传输线
四、回波损耗和插入损耗
2.3 传输线等效电路表示法
如右图，在无限小的线段长度内满足集 总参量分析，其中R、L、C、G都是单 位长度的值，且都与频率有关。 传输线等效线路如下图
2.4 传输线的电路参量 利用法拉第定律和安培定律 求分布参量
安培定律：作为源的时变电场引起一旋转磁 场。如：恒定电流在无限长导体中产生磁场， 磁场将从导体的中心到周边呈线性增加。分 布图如右 法拉第定律：作为源的时变磁场产生时变电 场，电场产生感应电压。 平行板传输线的电路参量：
2.1 传输线理论
当频率较高时，当波长为1CM左右时，此时即使在很短 的导线（如1.5cm）内，电压和电流的空间特性均发生 了变化，如图 这种情况下，只有将线细分为无限小的线元，在小线元 上，才可使电压和电流保持恒定值。如图， 由此可得传输线的分布电路模型如下图 由上可见：从满足基尔霍夫定律要求的集总电路分析 到包含有电压电流波的分布电路理论的过渡是与波长 有关，并且这个过渡是在波长变得越来越与电路元 件尺寸可比拟时逐渐发生的。
2.9信号源和有载传输线
对于完整的实验系统，还必须考虑线与信号源的匹配情况 一、信号源的向量表示法
负载端的传输系数：
输出发射系数：
2.9信号源和有载传输线
二、传输线的功率考虑
当源和负载均与传输线特性阻抗相匹配： 当源和负载均与传输线特性阻抗相匹配：
2.9信号源和有载传输线
当负载与传输线特性阻抗相匹配，而源失配： 当负载与传输线特性阻抗相匹配，而源失配：
2.4 传输线的电路参量 各类传输线参量
2.5一般的传输线方程 一般的传输线方程
利用基尔霍夫电压和电流定律，求得如右图 线段的传输线方程如下：
利用法拉第定律和安培定律，求得平行板传输线方程
2.5一般的传输线方程 一般的传输线方程
行进的电压和电流波 求解上述传输方程，得到描述电压和电流波的 解如下：
2.6 微带传输线的设计
2.6 微带传输线的设计
实际上，导体厚度t不可能为0，则将厚度非零的影响 近似为导体有效宽度的增加，为此以下式计算：
2.7端接负载的无耗传输线 一、电压反射系数：
如右图： 电压反射系数：
表示返回的反射波与入射波有同样的极性 -1 表示返回的反射波与入射波有相反的幅度 （阻抗匹配） 0 不产生反射，表示入射电压波完全被吸收
2.2 传输线的类型与特性
五、波导 在大功率的微波应用中，波导作为传输线具有 一定的优势。波导一般被制作成圆形的或方形 的中空金属腔 中空金属腔。 中空金属腔 波导尺寸大小与波导的工作频率有关 尺寸大小与波导的工作频率有关。在波 尺寸大小与波导的工作频率有关 导结构中，使用 波长的直探针耦合和环形 使用1/4波长的直探针耦合和环形 使用 探针耦合来注入或传输微波能量。 探针耦合来注入或传输微波能量 在现代微波电路设计中，常用同轴电缆代替波 常用同轴电缆代替波 导来发射和接收射频信号。 导来发射和接收射频信号
射频电路设计
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目
第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 第八章 第九章 第十章
录
引言 传输线分析 Smith圆图 单端口网络和多端口网络 有源射频器件模型 匹配网络和偏置网络 射频仿真软件ADS概况 射频放大器设计 射频滤波器设计 混频器和振荡器设计
2.2 传输线的类型与特性 二、同轴电缆 同轴电缆是最常用的非平衡式传输线 非平衡式传输线，如图，外 非平衡式传输线 层屏蔽采用编织铜网（或铝箔）来进行屏蔽，以 阻止同轴电缆接收和辐射任何信号。同轴电缆的 内导体传输射频电流， 内导体传输射频电流，而外部的屏蔽层导体保持 地电位。通常外导体接地，故辐射损耗和场干扰 地电位 辐射损耗和场干扰 都很小，工作频率可达50GHz，特性阻抗有50、 都很小 75等形式。
2.2 传输线的类型与特性
三、微带线 在涉及射频电路的印制电路板上的导体带 （微带线）常被用做传输线，如图。 微带线具有低损耗和易于实现的特点，电 路元器件如表面安装电容器、电阻器、晶 体管等，可以直接安装在印制电路板上的 微带线的导体层（印制板铜箔导线）上。 微带线是非平衡传输线，具有非屏蔽特性 是非平衡传输线， 是非平衡传输线 具有非屏蔽特性， 因此能够辐射射频信号，虽然载流子导带 下的接地平面可帮助阻挡额外的场泄露， 降低辐射损耗，但仍有较高的辐射损耗， 较高的辐射损耗， 较高的辐射损耗 且邻近导带之间容易串扰。 且邻近导带之间容易串扰