射频电路设计(第一章)

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2003-052、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2006-042、射频电路设计美W.Alan.Davis李福乐译机械工业出版社2005-10－093、射频与微波通信电路——分析与设计美DevendraK.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。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：–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•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。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0.1～470000pF，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，SelfResonantFrequency）。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。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。一个射频线圈的阻抗绝对值与频率的关系sXQR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3.3～100000nH，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：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fs和并联谐振频率fp。–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≈fpqqq1LQrCsqq12fLC0qp0qqqs0121CCfCLCCfC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：–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。•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。qq0qq02qqq0q0qqq022ps220j(1/)(j/)j(1/1/)(11/)1j11/1j11LCCZLCCLLCCCCLLCCC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1x1inch，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1000µH。