射频电路设计
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射频电路设计
——理论与应用
王龙水
2008年8月
1
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。
解：自由空间的相对磁导率和介电常数等于1
波阻抗： Z0
0 0
4 107
8.851012
377
相
速： vp
1
1 3108 m / s
0 0
波
长： 2 2vp vp
10 m 1m
f 1 cm
12
1.3 频谱 电气和电子工程师学会(IEEE) 频谱
频段
频率
波长
频段
频率
波长
ELF(极低频) 30~300Hz 10000~1000km P 波段
正弦波的等相位面传播的速度称为相速度。
t z 常数，故 dt dz 0
∴TEM波相速：
vp
dz dt
f
横电磁模: Transverse electromagnetic mode
1
c
rr
m/s （1.3） 11
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。
3
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
4
第1章 引 言
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。
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：Ex E0x cost z V/m H y H0y cost z A/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。
10
根据经典场论，电场和磁场分量的比值就是本征阻抗（波
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？
2
本教材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，具备基本电路理论及微电子学方面的 知识即可。
本书主要分析低频电路和元件当工作频率 升高到射频波段（30MHz~4GHz）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。
RF阻塞网络将高频信号与DC偏置分离，关键元件是射频线圈。
7
功率放大器印刷电路板布局
12.7mm
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。 8
• 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。
0.23~1GHz 130~30cm
VF(音频)
300~3000Hz 1000~100km L 波段
1~2GHz
30~15cm
VLF(甚低频) 3~30kHz
100~10km
S 波段
2~4GHz
15~7.5cm
LF(低频)
30~300kHz 10~1km
C 波段
4~8GHz
7.5~3.75cm
MF(中频) 300~3000kHz 1~0.1km
100pF
RF阻塞网络
100pF
VB 8.2pF
VC 8.2pF
射频线圈 RFC
RFC
至
微带线
CB 第
RF 输入
CB
隔直 电容
静态电阻 C1
R
C3
C4
C2 BFG425W 级间匹配网络
隔直 电容
二 级
输入匹配网络
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
X 波段
8~12.5GHz 3.75~2.4cm
HF(高频)
3~30MHz 100~10m
VHF(甚高频) 30~300MHz 10~1m
Kμ 波段 K 波段
12.5~18GHz 2.4~1.67cm 18~26.5GHz 1.67~1.13cm
UHF(特高频) 300~3000MHz 100~10cm
阻抗）： Z0 Ex / Hy / 0r /0 377 r / r
其中磁导率μ和介电常数ε与材料有关，μ0=4π×10-7(H/m)， ε0=8.85×10-12 (F/m) ， μr和εr为相对值。
在波的传播方向上，单位距离空间相位kz的变化称为相位
常数ห้องสมุดไป่ตู้传播常数）： k
空间相位kz变化2π所经过的距离称为波长： 2 /
• 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。
9
1.2 量纲和单位
SHF(超高频) 3~30GHz
5
一般射频系统方框图 天线
语音 信号 经过 抽样 数 量化 字 编码 电 处理 路 或计 算机 信号
DAC
混频器
切换开关
PA
数-模变换器
发射功率放大器
OSC
本地振荡器
ADC
LPF
PA
将信号 以电磁 波的形 式向自 由空间 发射。
低通滤波器
模-数变换器
接收功率放大器
混合信号电路
模拟信号电路
6
移动电话2GHz功率放大器第一级简化电路
——理论与应用
王龙水
2008年8月
1
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。
解：自由空间的相对磁导率和介电常数等于1
波阻抗： Z0
0 0
4 107
8.851012
377
相
速： vp
1
1 3108 m / s
0 0
波
长： 2 2vp vp
10 m 1m
f 1 cm
12
1.3 频谱 电气和电子工程师学会(IEEE) 频谱
频段
频率
波长
频段
频率
波长
ELF(极低频) 30~300Hz 10000~1000km P 波段
正弦波的等相位面传播的速度称为相速度。
t z 常数，故 dt dz 0
∴TEM波相速：
vp
dz dt
f
横电磁模: Transverse electromagnetic mode
1
c
rr
m/s （1.3） 11
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。
3
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
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第1章 引 言
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。
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：Ex E0x cost z V/m H y H0y cost z A/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。
10
根据经典场论，电场和磁场分量的比值就是本征阻抗（波
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？
2
本教材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，具备基本电路理论及微电子学方面的 知识即可。
本书主要分析低频电路和元件当工作频率 升高到射频波段（30MHz~4GHz）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。
RF阻塞网络将高频信号与DC偏置分离，关键元件是射频线圈。
7
功率放大器印刷电路板布局
12.7mm
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。 8
• 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。
0.23~1GHz 130~30cm
VF(音频)
300~3000Hz 1000~100km L 波段
1~2GHz
30~15cm
VLF(甚低频) 3~30kHz
100~10km
S 波段
2~4GHz
15~7.5cm
LF(低频)
30~300kHz 10~1km
C 波段
4~8GHz
7.5~3.75cm
MF(中频) 300~3000kHz 1~0.1km
100pF
RF阻塞网络
100pF
VB 8.2pF
VC 8.2pF
射频线圈 RFC
RFC
至
微带线
CB 第
RF 输入
CB
隔直 电容
静态电阻 C1
R
C3
C4
C2 BFG425W 级间匹配网络
隔直 电容
二 级
输入匹配网络
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
X 波段
8~12.5GHz 3.75~2.4cm
HF(高频)
3~30MHz 100~10m
VHF(甚高频) 30~300MHz 10~1m
Kμ 波段 K 波段
12.5~18GHz 2.4~1.67cm 18~26.5GHz 1.67~1.13cm
UHF(特高频) 300~3000MHz 100~10cm
阻抗）： Z0 Ex / Hy / 0r /0 377 r / r
其中磁导率μ和介电常数ε与材料有关，μ0=4π×10-7(H/m)， ε0=8.85×10-12 (F/m) ， μr和εr为相对值。
在波的传播方向上，单位距离空间相位kz的变化称为相位
常数ห้องสมุดไป่ตู้传播常数）： k
空间相位kz变化2π所经过的距离称为波长： 2 /
• 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。
9
1.2 量纲和单位
SHF(超高频) 3~30GHz
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一般射频系统方框图 天线
语音 信号 经过 抽样 数 量化 字 编码 电 处理 路 或计 算机 信号
DAC
混频器
切换开关
PA
数-模变换器
发射功率放大器
OSC
本地振荡器
ADC
LPF
PA
将信号 以电磁 波的形 式向自 由空间 发射。
低通滤波器
模-数变换器
接收功率放大器
混合信号电路
模拟信号电路
6
移动电话2GHz功率放大器第一级简化电路