射頻電路設計一

1、課程綱要、參考教材 本課程通過講授射頻電路設計基礎理論，分析了普通低頻電路和元件 當工作頻率升高到射頻波段（通常指30MHz4GHz）時所遇到的 困難和解決辦法，并避開電磁場理論繁雜的處理方法，而采用分布參 量等效電路的方法討論射頻和微波電路的設計問題，同時運用Agilent 公司（原HP公司）的專業(yè)電子設計仿真軟件ADS平臺加以仿真實踐， 讓學生全面掌握射頻電路設計的基本方法和原則，了解專業(yè)電子設計 軟件工具ADS的使用方法，提高學生的系統(tǒng)設計能力。 教材： 1、射頻電路設計理論與應用美Ludwig,R.徐承和等譯電子工業(yè)出版社 2003-05 2、ADS應用詳解射頻電路設計與仿真陳艷華等編

2、著人民郵電出版社 參考書： 1、射頻電路設計射頻電路設計 黃智偉編著電子工業(yè)出版社2006-04 2、射頻電路設計射頻電路設計 美W.Alan.Davis李福樂譯機械工業(yè)出版社2005-1009 3、射頻與微波通信電路分析與設計美DevendraK.Misra著徐承和等 譯電子工業(yè)出版社2005-11 目錄 第一章引言 第二章傳輸線分析 第三章Smith圓圖 第四章單端口網(wǎng)絡和多端口網(wǎng)絡 第五章有源射頻器件模型 第六章匹配網(wǎng)絡和偏置網(wǎng)絡 第七章射頻仿真軟件ADS概況 第八章射頻放大器設計 第九章射頻濾波器設計 第十章混頻器和振蕩器設計 課程教學計劃 理論講授：理論講授：3434學時學時 第一部

3、分介紹射頻傳輸?shù)奶攸c、傳輸線基本原理及作為 射頻和微波分析工具的Smith圓圖、網(wǎng)絡參量和信號流圖； (12學時) 第二部分介紹各種有源射頻器件模型及匹配網(wǎng)絡的原理 分析 (8學時) 第三部分專業(yè)的射頻仿真軟件ADS介紹。 (2學時) 第三部分射頻濾波器的原理分析和設計指導。 (4學時) 第四部分射頻放大器的原理分析和設計指導。(4學時) 第五部分混頻器和振蕩器的原理分析和設計指導。(4學 時) 上機實驗及課程設計：上機實驗及課程設計： 引言射頻電路設計基礎 1.1射頻電路系統(tǒng)簡介 1.2量綱和單位 1.3頻譜 1.4無源元件的射頻特性 1.5片狀元件及對電路板的考慮 1.1射頻電路系統(tǒng)簡介射

4、頻電路系統(tǒng)簡介 一般射頻系統(tǒng)方框圖： 射頻電路的工作頻率： 通常高于1GHz 隨著頻率的升高、相應的電磁波 的波長變得可與分立元件的尺寸相 比擬時，電阻、電容、電感這些元 件的電響應將開始偏離它們的理想 頻率特性。這時，普通的電路分析 方法已不適用。 射頻電路的主要部件： 傳輸線 濾波器 功率放大器 混頻器和振蕩器 1.2 量綱和單位量綱和單位 在自由空間，向z方向傳播的平面電磁（EM）波， 當EH傳播方向時，即為橫電磁（TEM)波： 特性阻抗（波阻抗）：電場和磁場分量的比 波相速： 1.3 頻譜頻譜 1.4 無源元件的射頻特性無源元件的射頻特性 在射頻頻段，集總電阻、集總電容和集總 電感的特

5、性是不具有“純”的電阻、電容 和電感的性質，這是在射頻電路設計、模 擬和布線過程中必須注意的。 1.4.1高頻電阻高頻電阻射頻特性 一個電阻器的高頻等效電路如右上圖所示， 圖中，兩個電感L等效為引線電感；電容Cb表 示電荷分布效應，Ca表示為引線間電容，與 標稱電阻相比較，引線電阻常常被忽略。 從圖可見，在低頻時電阻的阻抗是R；隨著頻 率的升高，寄生電容的影響成為引起電阻阻 抗下降的主要因素；然而隨著頻率的進一步 升高，由于引線電感的影響，電阻的總阻抗 上升。在很高的頻率時，引線電感會成為一 個無限大的阻抗，甚至開路。 一個金屬膜電阻的阻抗絕對值與頻率的關系 如右下圖所示： 低頻時電阻的阻抗是

6、R； 當頻率升高并超過10MHz時，寄生電容的影響便 成為主要的，它引起電阻的阻抗下降； 當頻率超過大約20GHz的諧振點時，由于引線電 感的影響，總的阻抗上升（引線電感在很高頻率下代 表一個開路線或無限大阻抗） 一個500金屬膜電阻的阻抗絕對值與頻率的關系 1.4.1高頻電阻高頻電阻類型 目前，在射頻電路中主要應用的是 薄膜片狀電阻，該類電阻的尺寸能 夠做得非常小，可以有效地減少引 線電感和分布電容的影響。 片狀電阻的形式有0603、0805、 1206、2010、2512，功率范圍為 1/10W1W，阻值范圍為0.1 10M。 例如，0603的封裝尺寸僅為 1.60mm（長）0.8mm（寬

7、） 0.45mm（高）。 1.4.2高頻電容高頻電容射頻特性 一個電容器的高頻等效電路如圖所示，圖 中，電感L等效為引線電感，電阻Rs表示 引線導體損耗，電阻Re表示介質損耗。 由圖可見，電容器的引線電感將隨著頻率 的升高而降低電容器的特性。如果引線電 感與實際電容器的電容諧振，這將會產生 一個串聯(lián)諧振，使總電抗趨向為0。由 于這個串聯(lián)諧振產生一個很小的串聯(lián)阻抗， 所以非常適合在射頻電路的耦合和去耦電 路中應用。然而，當電路的工作頻率高于 串聯(lián)諧振頻率時，該電容器將表現(xiàn)為電感 性而不是電容性。 一個電容器的阻抗絕對值與頻率的關系如 右下圖所示。 一個電容器的阻抗絕對值與頻率的關系 片狀電容器有

8、高頻用（高Q）多層陶瓷片狀電 容器、X7R介質片狀電容器、NPO介質片狀電 容器、Y5V介質片狀電容器、固體鉭質片狀電容 器等多種形式。 目前，多層陶瓷片狀電容器在射頻電路中廣泛 使用，它們可用于射頻電路中的各個部分，使用 頻率可以高達15GHz。 例如一種型號為CDR系列的片狀電容器，最小 封裝尺寸僅為2.00mm（長）1.25mm（寬） 1.30mm（高），電容值范圍從0.1470 000pF，電壓為100V。 1.4.2高頻電容高頻電容類型 1.4.3高頻電感高頻電感射頻特性 線圈通常時用導線在圓柱體上繞制而成， 相鄰位置線段間有分離的移動電荷，寄 生電容的影響上升。如右圖 一個電感器的

9、高頻等效電路如圖所示， 圖中，電容Cs為等效分布電容，Rs為等 效電感線圈電阻，Cs和Rs分別代表分布 電容Cd和電阻Rd的綜合效應。 從圖可見，分布電容Cs與電感線圈并聯(lián)， 這也意味著，一定存在著某一頻率，在 該頻率點線圈電感和分布電容產生并聯(lián) 諧振，使阻抗迅速增加。通常稱這一諧 振頻率點為電感器的自諧振頻率（SRF， SelfResonantFrequency）。當頻率超 過諧振頻率點時，分布電容Cs的影響將 成為主要因素，線圈的阻抗降低。 高頻電感的等效電路 1.4.3高頻電感高頻電感射頻特性2 一個射頻線圈的阻抗絕對值與頻率的關 系如右圖所示：當頻率接近諧振點時， 射頻線圈（RFC）的

10、阻抗迅速提高，當 頻率繼續(xù)提高時，寄生電容Cs的影響則 成為主要的，線圈的阻抗降低。 線圈電阻的影響通常用品質因數(shù)Q來表 示 式中，X是電抗；Rs是線圈的串聯(lián)電阻。 品質因數(shù)表征無源電路的電阻損耗，通常 希望得到盡可能高的品質因數(shù)。 一個射頻線圈的阻抗絕對值與頻 率的關系 s X Q R 1.4.3高頻電感高頻電感類型 目前片式電感也在射頻電路中被廣泛使用。片式 電感器有繞線型片式電感器、陶瓷疊層片式電感 器、多層鐵氧體片式電感器、片式磁珠等多種形 式。 例如一種FHW系列的繞線型片式電感器有0603、 0805、1008、1210、1812形式，電感范圍為 3.3100000nH，0603的

11、封裝尺寸為1.70mm （長）1.16mm（寬）1.02mm（高）。 1.5石英晶體諧振器的射頻特性 如右圖石英晶體諧振器的等效電路和符號：Lq為動態(tài) 電感（等效電感）；Cq為動態(tài)電容；rq為動態(tài)電阻； C0為晶片與金屬極板構成的靜態(tài)電容。 石英晶體諧振器由石英晶體薄片加上電極構成。石英 晶體薄片具有正、反壓電效應。當石英晶體薄片的幾 何尺寸和結構一定時，具有一個固有的機械振動頻率。 當高頻交流電壓加于晶片兩端時，晶片將隨交變信號 的變化而產生機械振動，當信號頻率與晶片固有振動 頻率相等時，產生了諧振。 石英晶體諧振器的等效電感Lq非常大，而Cq和rq都非 常小，所以石英晶體諧振器具有非常高的

12、Q值，其Q 值為 從圖等效電路可看出，石英晶體諧振器有兩個諧振頻率，串 聯(lián)諧振頻率fs和并聯(lián)諧振頻率fp。 在等效電路中，Lq、Cq組成串聯(lián)諧振回路，串聯(lián)諧振頻率fs為 Lq、Cq與C0組成并聯(lián)諧振回路，并聯(lián)諧振頻率fp為： 由于C0Cq，所以fsfp q qq 1 L Q rC s qq 1 2 f L C 0q p 0 qq q s 0 1 2 1 CC f CL C C f C 1.5石英晶體諧振器的射頻特性 石英諧振器的阻抗特性 忽略rq（設rq=0），石英晶體諧振器的 等效阻抗Z為右式 從式可見： 當=s時，Lq、Cq支路產生串聯(lián)諧振，Z=0； 當=p時，產生并聯(lián)諧振，Z； 當 s或

13、p時，Z=jx，等效阻抗Z呈容性； 當sp時，Z=+jx，等效阻抗Z呈感性。 阻抗特性如右圖所示。 實際使用時，石英晶體諧振器工作在 頻率范圍窄的電感區(qū)，等效為一個電 感。 qq0 qq0 2 qqq 0 q0 qq q0 2 2 p s 22 0 j(1/)(j/) j(1/1/) (11/) 1 j 11/ 1 j11 LCC Z LCC LL C CC C LL CC C 石英晶體諧振器的阻抗特性 1.5片狀元件及對電路板的考慮 無源元件在射頻印刷電路板上的可實用性， 主要體現(xiàn)在其片狀外形便于安裝在專用板材 上。 片狀電阻： 功率額定值為0.5W的片狀電阻的尺寸可小 到40X20mil（

14、1mil0.001inch)，功率越大， 尺寸越大，當功率額定值為1000W時，尺寸 增到1x1 inch，常用的片狀電阻尺寸如右表： 電阻值的范圍從1/10高到幾 M，高阻 值電阻不僅難以制造，還導致高的容差，并 易于產生寄生場，影響電阻頻率特性的線性 度。 如右圖為常用的片狀電阻的結構 1.5片狀元件及對電路板的考慮 片狀電容 片狀電容有單平板結構和多層結構，如右圖 通常，單平板電容器有2個或4個單元組，它們 共用一個電介質和公共的電極。如下圖： 片狀元件及對電路板的考慮表面安裝電感表面安裝電感 最通用的表面安裝電感仍然是線繞線圈， 如圖為具有空氣芯的電感器 典型的表面線裝電感的尺寸為60

15、X120mil， 電感值從1nH至1000H。 課程綱要、參考教材 本課程通過講授射頻電路設計基礎理論，分析了普通低頻電路和元件 當工作頻率升高到射頻波段（通常指30MHz4GHz）時所遇到的 困難和解決辦法，并避開電磁場理論繁雜的處理方法，而采用分布參 量等效電路的方法討論射頻和微波電路的設計問題，同時運用Agilent 公司（原HP公司）的專業(yè)電子設計仿真軟件ADS平臺加以仿真實踐， 讓學生全面掌握射頻電路設計的基本方法和原則，了解專業(yè)電子設計 軟件工具ADS的使用方法，提高學生的系統(tǒng)設計能力。 教材： 1、射頻電路設計理論與應用美Ludwig,R.徐承和等譯電子工業(yè)出版社 2003-05

16、 2、ADS應用詳解射頻電路設計與仿真陳艷華等編著人民郵電出版社 參考書： 1、射頻電路設計射頻電路設計 黃智偉編著電子工業(yè)出版社2006-04 2、射頻電路設計射頻電路設計 美W.Alan.Davis李福樂譯機械工業(yè)出版社2005-1009 3、射頻與微波通信電路分析與設計美DevendraK.Misra著徐承和等 譯電子工業(yè)出版社2005-11 引言射頻電路設計基礎 1.1射頻電路系統(tǒng)簡介 1.2量綱和單位 1.3頻譜 1.4無源元件的射頻特性 1.5片狀元件及對電路板的考慮 1.2 量綱和單位量綱和單位 在自由空間，向z方向傳播的平面電磁（EM）波， 當EH傳播方向時，即為橫電磁（TEM

17、)波： 特性阻抗（波阻抗）：電場和磁場分量的比 波相速： 1.4.1高頻電阻高頻電阻射頻特性 一個電阻器的高頻等效電路如右上圖所示， 圖中，兩個電感L等效為引線電感；電容Cb表 示電荷分布效應，Ca表示為引線間電容，與 標稱電阻相比較，引線電阻常常被忽略。 從圖可見，在低頻時電阻的阻抗是R；隨著頻 率的升高，寄生電容的影響成為引起電阻阻 抗下降的主要因素；然而隨著頻率的進一步 升高，由于引線電感的影響，電阻的總阻抗 上升。在很高的頻率時，引線電感會成為一 個無限大的阻抗，甚至開路。 一個金屬膜電阻的阻抗絕對值與頻率的關系 如右下圖所示： 低頻時電阻的阻抗是R； 當頻率升高并超過10MHz時，寄生電容的影響便 成為主要的，它引起電阻的阻抗下降； 當頻率超過大約20GHz的諧振點時，由于引線電 感的影響，總的阻抗上升（引線電感在很高頻率下代 表一個開路線或無限大阻抗） 一個500金屬膜電阻的阻抗絕對值與頻率的關系 1.4.3高頻電感高頻電感射頻特性2 一個射頻線圈的阻抗絕對值與頻率的關 系如右圖所示：當頻率接近諧振點時， 射頻線圈（RFC）的阻抗迅速提高，當 頻率繼續(xù)提高時，寄生電容Cs的影響則 成為主要的，線圈的阻抗降低。 線圈電阻的影響通常用品質因數(shù)Q來表 示 式中，X是電抗；Rs是線圈的串聯(lián)電阻。 品質因數(shù)表征無源電路的電阻損耗，通常 希