射频电路设计第一章

2011
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 ➢ 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：
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 3.3～100 000nH，0603的封装尺寸为1.70mm （长）×1.16mm（宽）×1.02mm（高）。
– 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E⊥H⊥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
2 p 2
– 当＜ s或＞p时，Z=jx，等效阻抗Z呈容性；
– 当s＜＜p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。
• 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
1.4.2 高频电容－类型
•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。 •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0.1～470 000pF，电压为100V。
•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
•
石 常英小晶，体所谐以振石器英的晶等体效谐电 振感器具Lq非有常非大常，高而的CQq值和，rq都其非Q 值为
Q 1 rq
Lq Cq
• 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：
1.4.1 高频电阻－射频特性
• 一个电阻器的高频等效电路如右上图所示， 图示标中电称，荷电两分阻个布相电效比感应较，，L等引C效a线表为电示引阻为线常引电常线感被间；忽电电略容容。，C与b表
• 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。
由于C0 》Cq，所以fs≈fp
fs 2
1 Lq C q
fp 2
1 Lq C q
C0 Cq C0
fs
1 特性
Z j( Lq 1 / C q )( j / C 0 ) j( Lq 1 / C q 1 / C 0 )
典型的表面线装电感的尺寸为60X120mil， 电感值从1nH至1000µH。
再见
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 中引，线电导感体损L等耗效，为电引阻线R电e表感示，介电质阻损R耗s表。示
• 由图可见，电容器的引线电感将随着频率 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。
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， 图效电中电容，感Cd电线和容圈电电C阻s阻为Rd，等的C效综s分和合布R效s电分应容别。，代R表s分为布等
• 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。
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、2019、2512，功率范围为 1/10W～1W，阻值范围为0.1～ 10M。
• 例如，0603的封装尺寸仅为 1.60mm（长）×0.8mm（宽） ×0.45mm（高）。
1.5 石英晶体谐振器的射频特性
• 如 电 C0右感为图（晶石等片英效与晶电金体感属谐）极振；板器C构q的成为等的动效静态电态电路电容和容；符。rq为号动：态L电q为阻动；态 • 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。
• 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（引线电感在很高频率下代
表一个开路线或无限大阻抗）
一个500Ω金属膜电阻的阻抗绝对值与频率的关系
• 忽略rq（设rq= 0），石英晶体谐振器的 等效阻抗Z为右式
1 j
C0
L q (1 1 / 2 L q C q )
Lq
1
1/
Lq
C qC 0 Cq C0
• 从式可见：
– 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→；
j 1 C0
1
2 s 2
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
Q X Rs
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。
➢片状电阻：
•功率额定值为0.5W的片状电阻的尺寸可小 到40X20mil（1mil＝0.001inch)，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1/10Ω高到几 MΩ，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。