射频电路设计(第一章)

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。
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， 图中，两个电感L等效为引线电感；电容Cb表 示电荷分布效应，Ca表示为引线间电容，与 标称电阻相比较，引线电阻常常被忽略。 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。 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：
• 上机实验及课程设计：
引
言 –射频电路设计基础
1.1 射频电路系统简介 1.2 量纲和单位 1.3 频谱 1.4 无源元件的射频特性 1.5 片状元件及对电路板的考虑
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：
• 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。
–
Lq Cq
1 2 Lq Cq
1 2 Lq Cq Cq C0 C0 Cq C0
fs
–
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： 由于C0 》Cq，所以fs≈fp
射频电路设计
信息科学与技术学院
课程纲要、参考教材
• 本课程通过讲授射频电路设计基础理论，分析了普通低频电路和元件 当工作频率升高到射频波段（通常指30 MHz ～ 4 GHz）时所遇到的 困难和解决办法，并避开电磁场理论繁杂的处理方法，而采用分布参 量等效电路的方法讨论射频和微波电路的设计问题，同时运用Agilent 公司（原HP公司）的专业电子设计仿真软件ADS平台加以仿真实践， 让学生全面掌握射频电路设计的基本方法和原则，了解专业电子设计 软件工具ADS的使用方法，提高学生的系统设计能力。
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， 图中，电容Cs为等效分布电容，Rs为等 效电感线圈电阻，Cs和Rs分别代表分布 电容Cd和电阻Rd的综合效应。 • 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。
– – – 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
•
•
1.4.1 高频电阻－类型
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，电感L等效为引线电感，电阻Rs表示 引线导体损耗，电阻Re表示介质损耗。 • 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。 • 一个电容器的阻抗绝对值与频率的关系如 右下图所示。
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
课程教学计划
• 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、2010、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）。
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）。
• 理论讲授：34学时
第一部分．介绍射频传输的特点、传输线基本原理及作为 射频和微波分析工具的Smith圆图、网络参量和信号流图； (12学时) 第二部分．介绍各种有源射频器件模型及匹配网络的原理 分析 (8学时) 第三部分．专业的射频仿真软件ADS介绍。 (2学时) 第三部分．射频滤波器的原理分析和设计指导。 (4学时) 第四部分．射频放大器的原理分析和设计指导。(4学时) 第五部分．混频器和振荡器的原理分析和设计指导。(4学 时)
– – – – 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。
Lq (1 1/ 2 Lq Cq ) Lq 1 1/ Lq
Cq C0 Cq C0 2 p 1 2
– 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→； – 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。
1.5 石英晶体谐振器的射频特性
• 如右图石英晶体谐振器的等效电路和符号： Lq为动态 电感（等效电感）；Cq为动态电容；rq为动态电阻； C0为晶片与金属极板构成的静态电容。 • 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。 • 石英晶体谐振器的等效电感Lq非常大，而Cq和rq都非 1 Q 常小，所以石英晶体谐振器具有非常高的Q值，其Q rq 值为
s2 1 j 1 C0 2
• 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。 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。 •如右图为常用的片状电阻的结构
fp
fs 1
1.5 石英晶体谐振器的射频特性
• 石英谐振器的阻抗特性 • 忽略rq（设rq= 0），石英晶体谐振器的 等效阻抗Z为右式 • 从式可见：
Z j( Lq 1/ Cq )( j / C0 ) j( Lq 1/ Cq 1/ C0 ) 1 j C0
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。
• 教材： 1、射频电路设计——理论与应用 美Ludwig,R. 徐承和等译 电子工业出版社 2003-05 2、ADS应用详解——射频电路设计与仿真 陈艳华等编著 人民邮电出版社 • 参考书： 1、射频电路设计 黄智伟编著 电子工业出版社 2006-04 2、射频电路设计 美W.Alan.Davis 李福乐译 机械工业出版社 2005-10－09 3、射频与微波通信电路——分析与设计 美Devendra K.Misra 著 徐承和等 译 电子工业出版社 2005-11