射频电路设计一

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,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,30MHz,4GHz,）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。,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,目 录,第一章 引言,第二章 传输线分析,第三章,Smith,圆图,第四章 单端口网络和多端口网络,第五章 有源射频器件模型,第六章 匹配网络和偏置网络,第七章 射频仿真软件,ADS,概况,第八章 射频放大器设计,第九章 射频滤波器设计,第十章 混频器和振荡器设计,课程教学计划,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,),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：,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,EH,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。,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,C,b,表示电荷分布效应，,C,a,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：,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,500,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,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）。,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,R,s,表示引线导体损耗，电阻,R,e,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。,一个电容器的阻抗绝对值与频率的关系,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,。,1.4.2,高频电容,类型,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,C,s,为等效分布电容，,R,s,为等效电感线圈电阻，,C,s,和,R,s,分别代表分布电容,C,d,和电阻,R,d,的综合效应。,从图可见，分布电容,C,s,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,C,s,的影响将成为主要因素，线圈的阻抗降低。,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,C,s,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,式中，,X,是电抗；,R,s,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。,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）。,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：,L,q,为动态电感（等效电感）；,C,q,为动态电容；,r,q,为动态电阻；,C,0,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,L,q,非常大，而,C,q,和,r,q,都非常小，所以石英晶体谐振器具有非常高的,Q,值，其,Q,值为,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,f,s,和并联谐振频率,f,p,。,在等效电路中，,L,q,、,C,q,组成串联谐振回路，串联谐振频率,f,s,为,L,q,、,C,q,与,C,0,组成并联谐振回路，并联谐振频率,f,p,为：,由于,C,0,C,q,，所以,f,s,f,p,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,r,q,（设,r,q,= 0,），石英晶体谐振器的等效阻抗,Z,为右式,从式可见：,当,=,s,时，,L,q,、,C,q,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,=,j,x,，等效阻抗,Z,呈容性；,当,s,p,时，,Z,=+,j,x,，等效阻抗,Z,呈感性。,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,1/10,高到几,M,，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,1.5,片状元件及对电路板的考虑,片状电容,片状电容有单平板结构和多层结构，如右图,通常，单平板电容器有,2,个或,4,个单元组，它们共用一个电介质和公共的电极。如下图：,片状元件及对电路板的考虑,表面安装电感,最通用的表面安装电感仍然是线绕线圈，如图为具有空气芯的电感器,典型的表面线装电感的尺寸为,60X120mil,，电感值从,1nH,至,1000,H,。,