射频电路理论与设计(第2版)-PPT-第1章课件.ppt

1、射频电路理论与设计射频电路理论与设计（第（第2版）版） 本书有配套的仿真教材本书有配套的仿真教材ADS射频电路设计基础与射频电路设计基础与典型应用（第典型应用（第2版）版）。 2本书在多个章节都有本书在多个章节都有互动。互动。射频电路理论与设射频电路理论与设计（第计（第2版）版）注重理论设计，注重理论设计，而而ADS射频电路设计基础射频电路设计基础与典型应用（第与典型应用（第2版）版）注重注重仿真设计。仿真设计。 例如：射频电路理论与设计（第2版）例7.5、例7.6、例7.7和例7.8中的滤波器，在ADS射频电路设计基础与典型应用（第2版）的第10章和第11章用ADS实现了版图；射频电路理论与

2、设计（第2版）例8.1、例8.6、例8.8、例9.5和例9.9中的输入稳定性圆、输出稳定性圆，等增益圆、等噪声圆、等驻波比圆和等Q值曲线，在ADS射频电路设计基础与典型应用（第2版）的第7章用ADS实现了在Smith圆图上画图；射频电路理论与设计（第2版）第2章、第3章和第6章中的集总参数匹配网络、单支节匹配网络、 阻抗匹配网络和混合匹配网络，在ADS射频电路设计基础与典型应用（第2版）的第12章、第13章、第14章和第15章用ADS实现了应用；射频电路理论与设计（第2版）第4章中的功率分配器和分支定向耦合器，在ADS射频电路设计基础与典型应用（第2版）的第8章和第9章用ADS实现了版图；射频

3、电路理论与设计（第2版）第9章和第11章中的增益压缩和三阶交调，在ADS射频电路设计基础与典型应用（第2版）的第13章和第15章用ADS实现了仿真曲线；射频电路理论与设计（第2版）第8章和第11章中的最小噪声放大器和单平衡混频器，在ADS射频电路设计基础与典型应用（第2版）的第12章和第15章用ADS实现了具体设计；射频电路理论与设计（第2版）第1章中的射频通信系统，在ADS射频电路设计基础与典型应用（第2版）的第16章用ADS实现了超外差式接收机设计和通信链路预算。在射频频段，电路出现了许多独在射频频段，电路出现了许多独特的性质，这些性质在常用的低频电路特的性质，这些性质在常用的低频电路中从

4、未遇到，因此需要建立新的射频电中从未遇到，因此需要建立新的射频电路理论体系。路理论体系。射频电路理论是电磁场理射频电路理论是电磁场理论与传统电子学的融合，它将电磁场的论与传统电子学的融合，它将电磁场的波动理论引入电子学，形成了射频电路波动理论引入电子学，形成了射频电路的理论体系和设计方法。的理论体系和设计方法。 射频概念射频概念1.1射频系统射频系统1.3射频电路的特点射频电路的特点1.2本书安排本书安排1.4在电子通信领域，信号采用的传输方式和信号的在电子通信领域，信号采用的传输方式和信号的传输特性是由工作频率决定的。目前射频（传输特性是由工作频率决定的。目前射频（Radio Frequen

5、cy）没有一个严格的频率范围定义，广义地说，）没有一个严格的频率范围定义，广义地说，可以向外辐射电磁信号的频率称为射频；而在电路设计可以向外辐射电磁信号的频率称为射频；而在电路设计中，当频率较高、电路的尺寸可以与波长相比拟时，电中，当频率较高、电路的尺寸可以与波长相比拟时，电路可以称为射频电路。路可以称为射频电路。对于电磁频谱，按照频率从低到高（波长从长到对于电磁频谱，按照频率从低到高（波长从长到短）的次序，可以划分为不同的频段，电子通信的发展短）的次序，可以划分为不同的频段，电子通信的发展历程，实际上就是所使用的载波频率由低到高的发展过历程，实际上就是所使用的载波频率由低到高的发展过程。电通

6、信的容量几乎与所使用的频率成正比，对通信程。电通信的容量几乎与所使用的频率成正比，对通信容量的要求越高，使用的频率就越高。由于应用领域的容量的要求越高，使用的频率就越高。由于应用领域的众多，对频谱的划分有多种方式，而今较为通用的频谱众多，对频谱的划分有多种方式，而今较为通用的频谱分段法是由分段法是由IEEE建立的，见表建立的，见表1.1。 一般认为，当频率高于一般认为，当频率高于30MHz时电路的设计就需考时电路的设计就需考虑射频电路理论；而射频电路理论应用的典型频段为几虑射频电路理论；而射频电路理论应用的典型频段为几百百MHz至至4GHz，在这个频率范围内，电路需要考虑分布，在这个频率范围内

7、，电路需要考虑分布参数的影响，低频的基尔霍夫电路理论不再适用。参数的影响，低频的基尔霍夫电路理论不再适用。 需要说明的是，随着射频电路的广泛应用和不断发需要说明的是，随着射频电路的广泛应用和不断发展，射频的频率范围还在向更高的频率延伸，已有资料展，射频的频率范围还在向更高的频率延伸，已有资料将射频的高端频率定为大于将射频的高端频率定为大于4GHz。为了有效地传输信息，无线通信系统需要采用高为了有效地传输信息，无线通信系统需要采用高频率信号，这种需要主要由下面频率信号，这种需要主要由下面3个因素导致。个因素导致。（1）工作频率越高，带宽越大。）工作频率越高，带宽越大。（2）工作频率越高，天线尺寸

8、越小。）工作频率越高，天线尺寸越小。（3）射频电路中电感和电容等元器件的尺寸较小，）射频电路中电感和电容等元器件的尺寸较小，这使得射频设备的体积进一步减小。这使得射频设备的体积进一步减小。基尔霍夫电路理论只能用于直流和低频电路的设基尔霍夫电路理论只能用于直流和低频电路的设计，不能用于射频电路的设计。低频频率与射频频率有计，不能用于射频电路的设计。低频频率与射频频率有很大差异，正是由于这种频率的差异，导致低频电路理很大差异，正是由于这种频率的差异，导致低频电路理论与射频电路理论不同。论与射频电路理论不同。 下面将在不同频率下对电路进行讨论，从中可以下面将在不同频率下对电路进行讨论，从中可以看出低

9、频电路与射频电路显著不同，对于目前广泛使用看出低频电路与射频电路显著不同，对于目前广泛使用的射频频段，必须采用全新的方法加以分析。的射频频段，必须采用全新的方法加以分析。1.2.1 频率与波长频率与波长众所周知，在自由空间工作频率与工作波长的乘众所周知，在自由空间工作频率与工作波长的乘积等于光的速度，也即积等于光的速度，也即f= c = 3108m/s （1.1）式中，式中，f为工作频率；为工作频率；为工作波长；为工作波长；c为光的速度。为光的速度。式（式（1.1）的结论是：频率越高波长越短。射频频段有很）的结论是：频率越高波长越短。射频频段有很高的频率，所以射频的工作波长很短。高的频率，所以

10、射频的工作波长很短。1.2.2 低频电路理论是射频电低频电路理论是射频电路理论的特例路理论的特例低频电路理论只适用于低频电路设计，射频电路低频电路理论只适用于低频电路设计，射频电路理论有更大的适用范围，低频电路理论是射频电路理论理论有更大的适用范围，低频电路理论是射频电路理论的特例。的特例。图图1.1所示的是终端短路传输线，根据射频电路理所示的是终端短路传输线，根据射频电路理论会得到距离短路终端论会得到距离短路终端l处的阻抗为处的阻抗为 （1.2）ljZZin2tan0图图1.1 终端短路的传输线终端短路的传输线式中式中Z0为常数，为常数，Z0的取值范围一般为几十到几百的取值范围一般为几十到几

11、百之间。式（之间。式（1.2）改变了低频电路理论的观点，因为低频）改变了低频电路理论的观点，因为低频电路理论会认为电路理论会认为Zin=0。下面对式（。下面对式（1.2）加以数值分析。）加以数值分析。1.2.3 射频电路的分布参数射频电路的分布参数 低频电路理论称为集总参数电路理论；射频电路理低频电路理论称为集总参数电路理论；射频电路理论称为分布参数电路理论，分布参数是射频电路的最大论称为分布参数电路理论，分布参数是射频电路的最大特色。特色。从正弦交流（从正弦交流（AC）电路分析中可以知道，电感）电路分析中可以知道，电感L和电容和电容C的电抗的电抗XL和和XC与频率有关，与频率有关，XL和和X

12、C与频率的关与频率的关系是系是式中，式中，为角频率，为角频率，=2f。下面考察当电感。下面考察当电感L=1nH和电容和电容C=1pF时的电抗时的电抗XL和和XC。1. 传输线上的分布参数传输线上的分布参数 射频电路认为传输线上到处都分布着电感和电射频电路认为传输线上到处都分布着电感和电容，所以射频电路也称为分布参数电路。容，所以射频电路也称为分布参数电路。图图1.2 一段传输线一段传输线由于分布参数的存在，传输线上电压、电流和阻由于分布参数的存在，传输线上电压、电流和阻抗的分布与低频电路完全不同，射频传输线上信号出现抗的分布与低频电路完全不同，射频传输线上信号出现了波动性，并导致反射产生，因此

13、需要建立射频电路理了波动性，并导致反射产生，因此需要建立射频电路理论体系。论体系。2. 无源器件的寄生参数无源器件的寄生参数分布参数的存在还会导致无源器件产生寄生参数，分布参数的存在还会导致无源器件产生寄生参数，改变无源器件的参量。电阻、电感或电容的引线都存在改变无源器件的参量。电阻、电感或电容的引线都存在寄生电感和寄生电容，寄生参数使电阻、电感或电容的寄生电感和寄生电容，寄生参数使电阻、电感或电容的等效电路变得复杂，例如低频下的电阻在射频时可能会等效电路变得复杂，例如低频下的电阻在射频时可能会产生感性或容性。产生感性或容性。1.2.4 集肤效应集肤效应在电路中信号是通过导体传输的，导体存在集

14、肤在电路中信号是通过导体传输的，导体存在集肤效应。所谓集肤效应是指当频率升高时，电流只集中在效应。所谓集肤效应是指当频率升高时，电流只集中在导体的表面，导体内部的电流密度非常小。集肤效应使导体的表面，导体内部的电流密度非常小。集肤效应使导线的有效导电横截面积减小，交流电阻增加。集肤效导线的有效导电横截面积减小，交流电阻增加。集肤效应如图应如图1.3所示。所示。 图图1.3 集肤效应集肤效应可以用趋肤深度描述集肤效应的程度。趋肤深度可以用趋肤深度描述集肤效应的程度。趋肤深度定义为定义为式中式中为导体的磁导率，为导体的磁导率，为导体的电导率，导体为导体的电导率，导体内的电流主要集中在导体表面的趋肤

15、深度内。内的电流主要集中在导体表面的趋肤深度内。在射频电路中，集肤效应引起电路损耗急剧增加，在射频电路中，集肤效应引起电路损耗急剧增加，必须考虑分布电阻对射频电路的影响。必须考虑分布电阻对射频电路的影响。 在传输线上不仅需要考虑电感和电容的分布参数，在传输线上不仅需要考虑电感和电容的分布参数，还需要考虑电阻的分布参数，这使得射频电路与低频电还需要考虑电阻的分布参数，这使得射频电路与低频电路显著不同。路显著不同。射频电路与低频电路的上述差异，不仅导致射频射频电路与低频电路的上述差异，不仅导致射频电路理论与低频电路理论不同，甚至导致射频传输线采电路理论与低频电路理论不同，甚至导致射频传输线采用了同

16、轴线、平行双导线、带状线和微带线等不同于低用了同轴线、平行双导线、带状线和微带线等不同于低频的特殊结构，产生了独特的射频电路理论。频的特殊结构，产生了独特的射频电路理论。射频电路主要应用在无线通信领域，各种射频无射频电路主要应用在无线通信领域，各种射频无线通信系统有类似的结构，下面以移动通信为例介绍射线通信系统有类似的结构，下面以移动通信为例介绍射频系统的基本电路结构及主要特点。频系统的基本电路结构及主要特点。图图1.4 射频系统的一般框图射频系统的一般框图 在图在图1.4中，射频前端电路的内容属于本书讲授的内中，射频前端电路的内容属于本书讲授的内容。射频前端电路主要由滤波器、放大器、混频器和

17、振容。射频前端电路主要由滤波器、放大器、混频器和振荡器等功能模块构成，这些功能模块可以构成一般的射荡器等功能模块构成，这些功能模块可以构成一般的射频电路系统。频电路系统。 射频电路的设计方法与普通低频电路的设计方法不射频电路的设计方法与普通低频电路的设计方法不同。同。 不仅射频放大器的设计与低频电路不同，射频滤不仅射频放大器的设计与低频电路不同，射频滤波器、振荡器的设计也与低频电路不同，因此需要在射波器、振荡器的设计也与低频电路不同，因此需要在射频电路理论的基础上全面学习射频电路的设计方法。频电路理论的基础上全面学习射频电路的设计方法。图图16.42 超外差式接收机原理图电路（这是利用超外差式

18、接收机原理图电路（这是利用ADS进行设计）进行设计）ADS仿真界面仿真界面图图16.24 系统级仿真例程原理图（这是利用系统级仿真例程原理图（这是利用ADS进行设计）进行设计）ADS仿真界面仿真界面射频电路理论与设计（第射频电路理论与设计（第2版）版）共分共分3部分。部分。 第第1部分部分为射频电路基础知识和基本理论。内容包括为射频电路基础知识和基本理论。内容包括第第1章引言和第章引言和第24章，主要介绍射频电路的基本概念、章，主要介绍射频电路的基本概念、基本参数、图解工具和基本研究方法。基本参数、图解工具和基本研究方法。 第第2部分部分为射频电路设计。内容包括第为射频电路设计。内容包括第5

19、11章的谐章的谐振电路设计、匹配电路设计、滤波器设计、放大器设计、振电路设计、匹配电路设计、滤波器设计、放大器设计、振荡器设计、混频器设计和检波器设计。振荡器设计、混频器设计和检波器设计。 第第3部分部分为为ADS射频电路仿真简介射频电路仿真简介。内容包括。内容包括第第12章章，目的是架起射频电路理论与目的是架起射频电路理论与ADS射频仿真设计的桥梁。射频仿真设计的桥梁。射频电路理论与设计（第射频电路理论与设计（第2版）版）共共有有12章内容章内容射频电路理论与设计（第射频电路理论与设计（第2版）版）避开了繁杂的避开了繁杂的电磁场理论背景知识，从传输线理论出发得到了电压和电磁场理论背景知识，从

20、传输线理论出发得到了电压和电流的波动性，并用射频网络的观点设计射频电路，同电流的波动性，并用射频网络的观点设计射频电路，同时将史密斯圆图的图解方法应用到电路的设计中。本书时将史密斯圆图的图解方法应用到电路的设计中。本书涵盖了射频电路的基本理论和基本设计方法，构成了完涵盖了射频电路的基本理论和基本设计方法，构成了完整的射频电路解决方案。整的射频电路解决方案。射频电路理论与设计（第射频电路理论与设计（第2版）版） 几十个例题。几十个例题。 约约200个习题个习题，并在书末给出了答案，并在书末给出了答案。答案非常详。答案非常详细，总计有细，总计有15页（页（P333-347）。）。 每章附有思考题和

21、练习题。每章附有思考题和练习题。 有配套的有配套的ADS仿真仿真教材教材ADS射频电路设计基础射频电路设计基础与典型应用与典型应用（第（第2版）版）。 ADS软件是当前射频电路设计的首选软件是当前射频电路设计的首选工程软件，可以支持从模块到系统的设计。工程软件，可以支持从模块到系统的设计。 ADS（Advanced Design System）软件由美）软件由美国安捷伦（国安捷伦（Agilent）公司开发，在深入理解）公司开发，在深入理解射频电路理论的基础上，结合软件仿真工具射频电路理论的基础上，结合软件仿真工具进行设计，是通向射频电路设计成功的最佳进行设计，是通向射频电路设计成功的最佳路线。

22、路线。 安捷伦公司背景 1939年，斯坦福大学电子工程 专业毕业的戴维帕卡德（Dave Packard）和比尔休利特（Bill Hewlett）创立了惠普公司。1943年惠普公司为海军研究实验室开发了信号发生器及雷达干扰设备，从而进入微波领域。 2000年6月2日，惠普公司把其拥有的安捷伦股份分配给惠普股东，安捷伦公司完全独立。现在安捷伦公司的矢量网络分析仪是全球最优秀的同类测量仪器，该仪器是射频微波行业最高技术的体现，安捷伦公司也因此成为世界最优秀的微波仪器公司。ADSADS射频电路设计基础与典型应用（第射频电路设计基础与典型应用（第2 2版）版） 本书从本书从ADS初识篇、初识篇、ADS使

23、用篇到使用篇到ADS设计篇，循序设计篇，循序渐进系统地介绍了渐进系统地介绍了ADS。编写本书的初衷有。编写本书的初衷有3个，一是系个，一是系统介绍统介绍ADS的界面构成，使初学者少走弯路，快速入门；的界面构成，使初学者少走弯路，快速入门；二是系统介绍二是系统介绍ADS的使用方法和仿真功能，使读者得到指的使用方法和仿真功能，使读者得到指引和启发，掌握引和启发，掌握ADS的学习要领；三是系统给出的学习要领；三是系统给出ADS射频射频电路设计的典型实例，使读者通过大量工程实例学会电路设计的典型实例，使读者通过大量工程实例学会ADS射频电路解决方案射频电路解决方案。ADSADS射频电路设计基础与典型应

24、用（第射频电路设计基础与典型应用（第2 2版）版） 本书分为本书分为3篇，共篇，共16章内容。章内容。 第第1篇篇（第（第1章第章第3章）章） 为为ADS初识篇，简要地介绍了初识篇，简要地介绍了ADS的基本概况，的基本概况，详细地介绍详细地介绍了了ADS的的工作工作界面（界面（主视窗、原理图视窗和数据显示视窗主视窗、原理图视窗和数据显示视窗）。）。 第第2篇篇（第（第4章第章第6章）章） 为为ADS使用篇，系统地介绍了使用篇，系统地介绍了ADS基本操作、基本操作、ADS仿真功能仿真功能和和ADS自带的仿真实例，可以全面学习自带的仿真实例，可以全面学习ADS使用方法。使用方法。 第第3篇篇（第（

25、第7章第章第16章）章） 为为ADS设计篇，给出了利用设计篇，给出了利用ADS进行设计与仿真的大量实进行设计与仿真的大量实例。其中，例。其中，第第7章第章第15章为模块级设计，章为模块级设计，包括匹配网络的设计、定向耦合器的设计、功包括匹配网络的设计、定向耦合器的设计、功率分配器的设计、低通滤波器的设计、带通和帯阻滤波器的设计、低噪声放大器的设计、率分配器的设计、低通滤波器的设计、带通和帯阻滤波器的设计、低噪声放大器的设计、功率放大器的设计、振荡器的设计和混频器的设计；功率放大器的设计、振荡器的设计和混频器的设计；第第16章为章为射频通信系统的系统级设计。射频通信系统的系统级设计。第第3 3篇

26、篇 ADS设计篇设计篇 集总参数滤波器的设计集总参数滤波器的设计 分布参数低通滤波器的设计分布参数低通滤波器的设计 分布参数带通和带阻滤波器的设计分布参数带通和带阻滤波器的设计 功率分配器的设计功率分配器的设计 分支定向耦合器的设计分支定向耦合器的设计 混合环的设计混合环的设计 匹配网络的设计匹配网络的设计 偏置电路的设计偏置电路的设计 低噪声放大器的设计低噪声放大器的设计 混频器的设计混频器的设计 射频振荡器的设计射频振荡器的设计 射频接收和发射系统的设计射频接收和发射系统的设计第第1 1篇篇 ADS ADS初识篇初识篇 射频电路与射频电路与ADSADS ADS ADS主视窗主视窗 ADS ADS设计仿真视窗设计仿真视窗射频电路设计过程射频电路设计过程ADSADS设计过程设计过程ADSADS仿真结果仿真结果 ADSADS版图版图射频电路理论图射频电路理论图学好理论课是基础学好理论课是基础 射频电路理论与设计（第射频电路理论与设计（第2 2版）版）学习仿真方法，面向实际设计学习仿真方法，面向实际设计 ADSADS射频电路设计基础与典型应用（第射频电路设计基础与典型应用（第2 2版）版）休息一下休息一下