射频电路设计(第一章)
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射频电路设计 第一章
目 录
1、 引言 、 2、 传输线分析 、 3、 Smith圆图 、 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 、
第1章 引 言 章
横电磁模: Transverse electromagnetic mode
m/s （1.3）
300MHz，30GHz 在自由空间电磁波的 例1.1 计算 f = 30MHz，300MHz 波阻抗、相速和波长。 自由空间的相对磁导率和介电常数等于1 解：自由空间的相对磁导率和介电常数等于 波阻抗： 波阻抗： Z 0 = 相 速： v p =
1.2 量纲和单位
电磁波为： 电磁波为： E x = E 0 x cos (ω t − βz ) V/m 为了理解频率上限，在自由空间， 为了理解频率上限，在自由空间，向正 z 方向传播的平面
H y = H 0 y cos (ω t − βz ) 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： 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； 电磁波是横波， 和 都与传播方向垂直 都与传播方向垂直； 2. E和H互相垂直，且同相位。 互相垂直， 和 互相垂直 且同相位。
一般射频系统方框图
天线
语音 信号 经过 抽样 量化 编码 处理 或计 算机 信号
混频器 切换开关
DAC 数 字 电 路
数-模变换器 模变换器
PA OSC
本地振荡器 发射功率放大器
ADC
模-数换器 数变换器
LPF
低通滤波器
PA
射频电路理论与设计(第2版)-第1章
1.2.4 集肤效应
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
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 应如图1.3所示。
《射频电路理论与设计（第2版）》
射频电路理论与设计 （第2版）
《射频电路理论与设计（第2版）》
第1 章 引言
《射频电路理论与设计（第2版）》
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 中从未遇到，因此需要建立新的射频电 路理论体系。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
2
l
（1.2）
图1.1 终端短路的传输线
《射频电路理论与设计（第2版）》
式中Z0为常数，Z0的取值范围一般为几十到几百 之间。式（1.2）改变了低频电路理论的观点，因为低频 电路理论会认为Zin=0。下面对式（1.2）加以数值分析。
《射频电路理论与设计（第2版）》
《射频电路理论与设计（第2版）》
《射频电路理论与设计（第2版）》
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3个因素导致。 （1）工作频率越高，带宽越大。 （2）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， 这使得射频设备的体积进一步减小。
《射频电路理论与设计（第2版）》
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IEEE建立的，见表1.1。
《射频电路理论与设计（第2版）》
表1.1
《射频电路理论与设计（第2版）》
表1.1（续）
《射频电路理论与设计（第2版）》
射频电路 第一章选频与阻抗匹配
2010-9-16
Z=
V IS
，而 I S 为常数 )
《高频电子线路》 11/42
讨论谐振频率附近的选频特性（ ω ≈ ω0 ） 近似条件:
ξ = Q(
(ω + ω 0 )(ω ω 0 ) 2ω (ω ω ) 2(ω ω 0 ) ω ω0 ≈Q 0 2 0 =Q )=Q ω0 ω ωω 0 ω0 ω0
Is / G V (ω0 ) V (ω0 ) = = V (ω ) ≈ e jφ 公式： 2(ω ω0 ) 2Δω 2 Δω 2 1 + jQ 1 + jQ 1 + (Q )
ω0
ω0
ω0
其中：
= arctgQ
2Δω
ω0
2010-9-16
《高频电子线路》
12/42
（1）幅频特性（归一化选频特性）
定义：支路
Q
Xs 串联支路 Q = rs RP 并联支路 Q = XP
《高频电子线路》
两者相等
X s RP Q= = rs XP
18/42
2010-9-16
（2）实际并联回路分析 根据谐振的定义计算：
Y (ω ) = G + jB = 1 1 + ( jωC ) j RP ωLP
1 jB = jω P C j =0 ω P LP
谐振时回路总的储能 CV 2 2π T= Q = 2π = 2π 2 ω0 谐振时回路一周内的耗能 TV / R
R R Q= = = G ω0 L ρ
2010-9-16 《高频电子线路》 8/42
ω0C
4.电流特性 电感电流
IsR IL = = = jQI S jω 0 L jω 0 L
电容电流
Z=
V IS
，而 I S 为常数 )
《高频电子线路》 11/42
讨论谐振频率附近的选频特性（ ω ≈ ω0 ） 近似条件:
ξ = Q(
(ω + ω 0 )(ω ω 0 ) 2ω (ω ω ) 2(ω ω 0 ) ω ω0 ≈Q 0 2 0 =Q )=Q ω0 ω ωω 0 ω0 ω0
Is / G V (ω0 ) V (ω0 ) = = V (ω ) ≈ e jφ 公式： 2(ω ω0 ) 2Δω 2 Δω 2 1 + jQ 1 + jQ 1 + (Q )
ω0
ω0
ω0
其中：
= arctgQ
2Δω
ω0
2010-9-16
《高频电子线路》
12/42
（1）幅频特性（归一化选频特性）
定义：支路
Q
Xs 串联支路 Q = rs RP 并联支路 Q = XP
《高频电子线路》
两者相等
X s RP Q= = rs XP
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2010-9-16
（2）实际并联回路分析 根据谐振的定义计算：
Y (ω ) = G + jB = 1 1 + ( jωC ) j RP ωLP
1 jB = jω P C j =0 ω P LP
谐振时回路总的储能 CV 2 2π T= Q = 2π = 2π 2 ω0 谐振时回路一周内的耗能 TV / R
R R Q= = = G ω0 L ρ
2010-9-16 《高频电子线路》 8/42
ω0C
4.电流特性 电感电流
IsR IL = = = jQI S jω 0 L jω 0 L
电容电流
射频电路设计
STUCC K.H. Cheng
1.2 射频通信电路应用简介
GSM900 频段范围 上行频带/MHz(手机发射) 下行频带/MHz(基地台发 射) 双工间隔/MHz 占用频谱/MHz 通道数 ARFCN 同时用户数 通道间隔 调变方式 数据传输速率 Bit rate持续期 P band 935~960 890~915 45 2X25 124 1~124 992 G1abnd 880~890 925~935 55 2X10 49 975~1023 392 200KHz GMSK(BXT)=0.3 270.88kbps 2.69uS GSM1800 Lband 1710~1785 1805~1880 95 2X75 374 512~885 2992
射频电路设计 (RF Circuits Design) Chapter 1 简介
STUCC K.H. Cheng
Chapter Outline
1.1 射频概念 1.2 射频通信电路应用简介 1.3 无线通道中的电波传播 1.4 无线通道的特徵 1.5 干扰与噪音 1.6 射频电路的特点
STUCC K.H. Cheng
1.4 无线通道的特徵
多径效应 对抗措施
抗多径干扰主要有如下几个方面措施: (1)提高接收机的距离测量精度, 如窄相关码 相关码跟踪环,相位测距,平滑伪距 平滑伪距等; 相关码 平滑伪距 (2)抗多径天线:智慧天线 智慧天线利用多个天线阵元 智慧天线 的组合进行信号处理,自动调整发射和接收方 方 向图,以针对不同的信号环境达到最优性能. 向图 (3)抗多径信号处理与自适应抵消技术等. 多径干扰是由於在多用户系统中采用传统单用户接收方案而造成的恶果.单用 滤波器作为相关判决的工具,并不考虑多址干扰的存在,每 户接收机采用匹配滤波器 滤波器 个用户的检测都不考虑其他用户的影响,是一种针对单用户检测的策略.一般说 来,单个用户传输时不存在多址干扰,但在多用户环境中,当干扰用户数增加或 者他们的发射功率增加时,多径干扰 多径干扰将不容忽视.因此多用户检测技术应允而生, 多径干扰 其演算法有最优检测演算法和次优检测演算法.
第一章 射频电路导论
1.1.1 无线电远程通信起始于意大利人马可尼从1895年
开始的室外电磁波通信实验， 最初的目的是实现无 线电报。 经过100多年的发展， 无线电远程通信从无 线电报发展到无线电广播、 电视、 移动通信等， 逐步覆盖了陆地、 海洋和太空， 从固定通信发展到移动通信， 从模拟通信发展到数 字通信。 无线电广播、电视和移动通信使用的无线 电频率为300kHz~3000 MHz。 图1.1.2给出了无
第一章 射频电路导论
1.1 虽然射频电路系统的具体设备多种多样， 组成和复杂程度不同， 但系统的最基本结构相 同， 如图1.1.1所示， 包括发射机和接收机两 个主要部分。
第一章 射频电路导论
图1.1.1 射频电路系统的最基本结构
第一章 射频电路导论
图1.1.1中， 信道即无线电波的传输媒质， 如空气、 真空、 海水、 地表。
iC=a0+a1(u1+u2)
第一章 射频电路导论
上式是转移特性曲线以Q为中心， 在Q附近的一阶泰勒级数展 开式。 其中， a0是ICQ， a1是晶体管在Q处的交流跨导gm。 上 式可写为
iC a0 a1 (u1 u2 ) a0 a1u1 a1u2
a0 a1U1m cos1t a1U 2m cos2t
第一章 射频电路导论
1.1.3 蓝牙工作在全球通用的2.4 GHz工业、 科学和医
学(ISM) 频段， 采用高斯频移键控（GFSK）调制， 利用时分 双工传输方案， 最大数据传输速率为1 Mb/s， 最大 传输距离为10m, 支持点对点及点对多点通信， 通过 采用跳频、 短数据包和自适应发射功率来进行调节 以提高抗干扰能力， 系统最大跳频速率为1600跳/s， 在2.402~2.480 GHz之间采用79个间隔1 MHz的频点。
开始的室外电磁波通信实验， 最初的目的是实现无 线电报。 经过100多年的发展， 无线电远程通信从无 线电报发展到无线电广播、 电视、 移动通信等， 逐步覆盖了陆地、 海洋和太空， 从固定通信发展到移动通信， 从模拟通信发展到数 字通信。 无线电广播、电视和移动通信使用的无线 电频率为300kHz~3000 MHz。 图1.1.2给出了无
第一章 射频电路导论
1.1 虽然射频电路系统的具体设备多种多样， 组成和复杂程度不同， 但系统的最基本结构相 同， 如图1.1.1所示， 包括发射机和接收机两 个主要部分。
第一章 射频电路导论
图1.1.1 射频电路系统的最基本结构
第一章 射频电路导论
图1.1.1中， 信道即无线电波的传输媒质， 如空气、 真空、 海水、 地表。
iC=a0+a1(u1+u2)
第一章 射频电路导论
上式是转移特性曲线以Q为中心， 在Q附近的一阶泰勒级数展 开式。 其中， a0是ICQ， a1是晶体管在Q处的交流跨导gm。 上 式可写为
iC a0 a1 (u1 u2 ) a0 a1u1 a1u2
a0 a1U1m cos1t a1U 2m cos2t
第一章 射频电路导论
1.1.3 蓝牙工作在全球通用的2.4 GHz工业、 科学和医
学(ISM) 频段， 采用高斯频移键控（GFSK）调制， 利用时分 双工传输方案， 最大数据传输速率为1 Mb/s， 最大 传输距离为10m, 支持点对点及点对多点通信， 通过 采用跳频、 短数据包和自适应发射功率来进行调节 以提高抗干扰能力， 系统最大跳频速率为1600跳/s， 在2.402~2.480 GHz之间采用79个间隔1 MHz的频点。
Chap1_绪论
射频电路设计基础
第一章 绪论
射频电路设计Chap1 # 1
射频？
射频电路设计Chap1 # 2
数字： 模拟： 射频： 微波： 毫米波： 太赫兹波： 红外： 光波： 紫外： X射线： γ射线：
0 频谱
射频电路设计Chap1 # 3
0 频谱
频段
电气和电子工程师学会(IEEE) 频谱
射频电路设计Chap1 # 40
在多数情况下导体的μr=1，故趋肤厚度随着频率 的升高迅速降低。
1
0.9
σCu=64.516×106S/m
0.8 0.7
Al
σAl=40.0×106S/m
0.6 0.5
σAu=48.544×106S/m Au
0.4 0.3
0.2 Cu
铜、铝、金的趋肤厚 度与频率的关系曲线
VHF/UHF为典型的电视工作波段，其波长已经与电子系统的实际尺寸 相当，在有关的电子线路中必须考虑电流和电压的波动性质。
RF范围：VHF—SHF波段。MW范围：X波段及以上。
射频电路设计Chap1 # 4
美国：无线电频率划分图
射频电路设计Chap1 # 5
中华人民共和国：无线电频率划分图
射频电路设计Chap1 # 6
射频电路设计Chap1 # 32
我们的学习
集成电路基础：
➢ 器件基础
• 无源器件： • 有源器件：
➢ 理论及工具
• 传输线理论： • Smith圆图： • 散射参数：
➢ 设计方法
• 偏置网络： • 匹配网络：
射频单元电路分析
➢ 滤波器： ➢ 振荡器： ➢ 放大器： ➢ 振荡器： ➢ 混频器：
射频IC工程分析、设计和 测试
第一章 绪论
射频电路设计Chap1 # 1
射频？
射频电路设计Chap1 # 2
数字： 模拟： 射频： 微波： 毫米波： 太赫兹波： 红外： 光波： 紫外： X射线： γ射线：
0 频谱
射频电路设计Chap1 # 3
0 频谱
频段
电气和电子工程师学会(IEEE) 频谱
射频电路设计Chap1 # 40
在多数情况下导体的μr=1，故趋肤厚度随着频率 的升高迅速降低。
1
0.9
σCu=64.516×106S/m
0.8 0.7
Al
σAl=40.0×106S/m
0.6 0.5
σAu=48.544×106S/m Au
0.4 0.3
0.2 Cu
铜、铝、金的趋肤厚 度与频率的关系曲线
VHF/UHF为典型的电视工作波段，其波长已经与电子系统的实际尺寸 相当，在有关的电子线路中必须考虑电流和电压的波动性质。
RF范围：VHF—SHF波段。MW范围：X波段及以上。
射频电路设计Chap1 # 4
美国：无线电频率划分图
射频电路设计Chap1 # 5
中华人民共和国：无线电频率划分图
射频电路设计Chap1 # 6
射频电路设计Chap1 # 32
我们的学习
集成电路基础：
➢ 器件基础
• 无源器件： • 有源器件：
➢ 理论及工具
• 传输线理论： • Smith圆图： • 散射参数：
➢ 设计方法
• 偏置网络： • 匹配网络：
射频单元电路分析
➢ 滤波器： ➢ 振荡器： ➢ 放大器： ➢ 振荡器： ➢ 混频器：
射频IC工程分析、设计和 测试
射频电路设计1-绪论
用于测量信号的功率。
频谱分析仪
用于测量信号的频率、功率和失真等参数。
阻抗匹配器
用于确保测试系统的阻抗匹配，减少信号反 射和损耗。
测试方法与流程
1 2
测试准备
根据测试需求，选择合适的测试仪器和设备，搭 建测试环境。
测试步骤
按照规定的步骤进行测试，记录各项参数和数据。
3
测试结果分析
对测试数据进行分析，评估电路性能，找出潜在 问题。
变压器
要点一
总结词
变压器是射频电路中实现电压转换和阻抗匹配的重要元件 。
要点二
详细描述
变压器是一种利用磁耦合原理实现电压、电流和阻抗变换 的电子元件。在射频电路中，变压器常用于信号的放大、 变频和传输等功能。变压器的性能指标包括变比、效率、 绝缘电阻和温升等。在选择变压器时，需要考虑其工作频 率、额定电压和电流等因素，以确保其在射频电路中的正 常工作和稳定性。
05
射频电路的测试与验证
05
射频电路的测试与验证
测试环境搭建
信号源
用于提供射频信号，模拟实际工作条件。
功率计
用于测量信号的功率。
频谱分析仪
用于测量信号的频率、功率和失真等参数。
阻抗匹配器
用于确保测试系统的阻抗匹配，减少信号反 射和损耗。
测试环境搭建
信号源
用于提供射频信号，模拟实际工作条件。
功率计
02
在这一阶段，设计师需要选择 合适的电子元件和电路拓扑结 构，并利用电路仿真工具对电 路性能进行预测和优化。
03
电路级设计还需要考虑电路的 稳定性、噪声、失真等因素， 以确保射频电路的性能稳定可 靠。
电路级设计
01
电路级设计是射频电路设计的 核心环节，主要任务是根据系 统要求，设计和优化射频电路 的各个组成部分。
频谱分析仪
用于测量信号的频率、功率和失真等参数。
阻抗匹配器
用于确保测试系统的阻抗匹配，减少信号反 射和损耗。
测试方法与流程
1 2
测试准备
根据测试需求，选择合适的测试仪器和设备，搭 建测试环境。
测试步骤
按照规定的步骤进行测试，记录各项参数和数据。
3
测试结果分析
对测试数据进行分析，评估电路性能，找出潜在 问题。
变压器
要点一
总结词
变压器是射频电路中实现电压转换和阻抗匹配的重要元件 。
要点二
详细描述
变压器是一种利用磁耦合原理实现电压、电流和阻抗变换 的电子元件。在射频电路中，变压器常用于信号的放大、 变频和传输等功能。变压器的性能指标包括变比、效率、 绝缘电阻和温升等。在选择变压器时，需要考虑其工作频 率、额定电压和电流等因素，以确保其在射频电路中的正 常工作和稳定性。
05
射频电路的测试与验证
05
射频电路的测试与验证
测试环境搭建
信号源
用于提供射频信号，模拟实际工作条件。
功率计
用于测量信号的功率。
频谱分析仪
用于测量信号的频率、功率和失真等参数。
阻抗匹配器
用于确保测试系统的阻抗匹配，减少信号反 射和损耗。
测试环境搭建
信号源
用于提供射频信号，模拟实际工作条件。
功率计
02
在这一阶段，设计师需要选择 合适的电子元件和电路拓扑结 构，并利用电路仿真工具对电 路性能进行预测和优化。
03
电路级设计还需要考虑电路的 稳定性、噪声、失真等因素， 以确保射频电路的性能稳定可 靠。
电路级设计
01
电路级设计是射频电路设计的 核心环节，主要任务是根据系 统要求，设计和优化射频电路 的各个组成部分。
射频电路设计--第1章 引言
3、过孔的设计 （1）RF电路板常用过孔实现层间连接。通常孔直径为 0.05mm至0.20mm。 （2) 过孔一般分盲孔(blind via)、埋孔(bury via)和通孔 (through via)三类。 盲孔位于印刷线路板的顶层和底层表面，具有一定 深度，用于表层线路和下面的内层线路的连接，孔的深 度通常不超过一定的比率(孔径)。 埋孔是指位于印刷线路板内层的连接孔，它不会延 伸到线路板的表面。 通孔穿过整个线路板，可用于实现内部互连或作为组 件的黏着定位孔。
分贝表示法
• 绝对电压的分贝表示
⎛ V ⎞ V ( dBμV ) = 20 log10 ⎜ ⎟ ⎝ 1μV ⎠
表 2-3 使用 dBμV 表示的一些典型电压值 V V(dBμV) 0.01μV -40dBμV 0.1μV -20dBμV 1μV 0dBμV 10μV 20dBμV 100μV 40dBμV 1mV 60dBμV
λ /8 设计准则
例1
例 1-3：某 CPU 的内部核心电路尺寸为 5mm 左 右，时钟频率达到了 2GHz。请判断 CPU 内部电路设 计是否需按照传输线理论进行分析和设计。 解：2GHz 信号对应的波长为
c λ = = 0.15 ( m ) f
计算得到
l = 5mm <
λ
8
≈ 19mm 。 按 照 λ/8 的 设 计 准 则 ，
BW ( Hz ) = f H − f L
以频率作为单位表示的带宽是指绝对带宽。 例如： 射频放大电路的工作频率范围为1GHz— 2GHz，则带宽为1GHz PAL制式的电视广播的图像信号带宽为 6MHz
相对带宽
– 百分比法
• 定义为绝对带宽占中心频率的百分数
– 倍数法（又称覆盖比法） – 定义为高端截止频率fH与低端截止频率fL的比 值
分贝表示法
• 绝对电压的分贝表示
⎛ V ⎞ V ( dBμV ) = 20 log10 ⎜ ⎟ ⎝ 1μV ⎠
表 2-3 使用 dBμV 表示的一些典型电压值 V V(dBμV) 0.01μV -40dBμV 0.1μV -20dBμV 1μV 0dBμV 10μV 20dBμV 100μV 40dBμV 1mV 60dBμV
λ /8 设计准则
例1
例 1-3：某 CPU 的内部核心电路尺寸为 5mm 左 右，时钟频率达到了 2GHz。请判断 CPU 内部电路设 计是否需按照传输线理论进行分析和设计。 解：2GHz 信号对应的波长为
c λ = = 0.15 ( m ) f
计算得到
l = 5mm <
λ
8
≈ 19mm 。 按 照 λ/8 的 设 计 准 则 ，
BW ( Hz ) = f H − f L
以频率作为单位表示的带宽是指绝对带宽。 例如： 射频放大电路的工作频率范围为1GHz— 2GHz，则带宽为1GHz PAL制式的电视广播的图像信号带宽为 6MHz
相对带宽
– 百分比法
• 定义为绝对带宽占中心频率的百分数
– 倍数法（又称覆盖比法） – 定义为高端截止频率fH与低端截止频率fL的比 值
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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
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
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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