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目录
1、 引言 2、 传输线分析 3、 Smith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
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第1章 引 言
回顾由低频到高频电路的演变过程，并从物理的角度引出 和揭示采用新技术去设计、优化此类电路的必要性。
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。
2a 高电流密度 低电流密度
电流方向
Jz /Jz0
-a
ar
Jz /Jz0
δ，mm
1
0.9 0.8 0.7
σCu=64.516×106S/m Al σAl=40.0×106S/m
0.6 0.5
AuσAu=48.544×106S/m
0.4
线圈半径：r = 50mil=1.27mm(1英寸=1000㏕) 20
线圈长度：l =50mil=1.27mm 邻匝线距：d= l /N≈3.6×10-4m
105
实际电感
104
理想电感
Z ,Ω
根据空气芯螺旋管电感公式： 103
L r 20N 2 61.4nH
102
l
由1.14式，平板间距等于匝距，
• 在第5章“滤波器设计”中研究特定的阻抗对频率响应的一般 开发策略,简述以分立元件和分布元件为基础的滤波器理论。
• 第8章将深入研究“匹配网络和偏置网络”的实现。 • 第9章介绍“射频晶体管放大器设计”中有关增益、线性度、
噪声和稳定度等指标。 • 第10章讨论“振荡器和混频器”设计的基本原理。
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1.2 量纲和单位
0.23~1GHz 130~30cm
VF(音频)
300~3000Hz 1000~100km L 波段
1~2GHz
30~15cm
VLF(甚低频) 3~30kHz
100~10km
S 波段
2~4GHz
15~7.5cm
LF(低频)
30~300kHz 10~1km
C 波段
4~8GHz
7.5~3.75cm
MF(中频) 300~3000kHz 1~0.1km

横电磁模: Transverse electromagnetic mode
1

c
rr
m/s （1.3） 11
例1.1 计算 f = 30MHz，300MHz，30GHz 在自由空间电磁波的 波阻抗、相速和波长。
解：自由空间的相对磁导率和介电常数等于1
波阻抗： Z0
Hale Waihona Puke 0 018例1.4 求47pF电容器的高频阻抗，其电介质由串联损耗角正切
为10-4的氧化铝组成，引线长1.25cmAWG26铜线。
解： 与例1.3相似，引线电感：
L aRDC 2l
0 771 nH
103
2 4a Cu f
f
101
实际电容
Z ,Ω
由1.13式，引线电阻：
100
Rs
1.1 射频设计的重要性
本书的主要目的是提供模拟电路设计的理论和实例，该电 路的工作频率可延伸到射频和微波波段，在该波段普通电路的 分析方法是不适用的，由此引出以下问题：
➢ 普通电路分析方法适用的上限频率是多少？ ➢ 什么特性使得电子元件的高频性能和低频性能有如此大的差
别？ ➢ 被应用的“新”电路理论是什么？ ➢ 这些理论是如何应用于高频模拟电路实际设计的？

aRDC
2

l a
0 f 4.8 Cu
f
10-1
理想电容
由1.16式，泄漏电阻：
10-2
108
109
1010
1011
Re

1 Ge

tan s
2f C

33.9 106 f
M
f ,Hz
Z

jL Rs

1
jC 1/ Re
注：电容值、损耗角正切和额定电压 由制造商给出。
2
本教材不采用电磁场理论也能讲清楚传输 线原理。这样除了有物理课程中场和波方面的 知识外，具备基本电路理论及微电子学方面的 知识即可。
本书主要分析低频电路和元件当工作频率 升高到射频波段（30MHz~4GHz）时所遇到的 困难和解决办法，并重点讨论横电磁波（电场 与磁场传播方向正交）的传输特性及用微带线 （由特定长度和宽度的敷铜带）制成的各种射 频器件的原理和方法。
RF阻塞网络将高频信号与DC偏置分离，关键元件是射频线圈。
7
功率放大器印刷电路板布局
12.7mm
了解、分析和最终制造这种PA电路，要涉及许多关键的RF课题。 8
• 在第2章“传输线分析”中将讨论微带线的阻抗特性，其定量 求解过程在第3章“Smith”圆图中介绍。
• 第4章研究将复杂电路简化为较简单的组元能力，该组元的 输入-输出是 通过两端口网络描述。
Ge jC
其中：Ge

diel A
d
,
diel 是介质的电导率，现在习惯上引入串联
C
损耗角的正切
tan
s

diel
L
Rs
Re
寄生引 引线导体
所以：Ge

A
d tan s

C
tan s
线电感 损耗电阻 介质损耗电阻
高频电容的等效电路
最后考虑寄生引线电感和引线导体损耗，其等效电路如图所示。
——趋肤效应。
沿z方向的电流密度：J z pIJ0 pr/2aJ1pa
其中 p2 j cond，J0，J1 是零阶和一阶贝塞尔函数，I为总电流
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在高频条件下(f≥500MHz)， 归一化电阻：R/RDC≌a/2δ 归一化电感：ωL/RDC≌a/2δ 其趋肤厚度：δ=(πfμ coσnd)-1/2
100pF
RF阻塞网络
100pF
VB 8.2pF
VC 8.2pF
射频线圈 RFC
RFC
至
微带线
CB 第
RF 输入
CB
隔直 电容
静态电阻 C1
R
C3
C4
C2 BFG425W 级间匹配网络
隔直 电容
二 级
输入匹配网络
为保证最佳的功率传输和消除由反射引起的性能变坏，输入阻抗必须与
输出阻抗相匹配，关键元件是微带线。输入和输出的偏置网络是通过两个
f
10-2 10-3
谐振点(20GHz)
106 107 108 109 1010 1011 1012
f ,Hz
Z jL
1
jC 1/ R
17
1.4.2 高频电容 在初级电路中用平板表面积与平板间距比定义电容：C A
d
理想情况下平板间没有电流流动，高频时电介质有损耗，所以
电容的阻抗：Z 1
由1.10和1.11式(P15)，
L
aRDC
2 Cu

a
4f
2l
a2 Cu
0.25 0 2a f Cu
f0 Cu
103
102 理想电阻
101
100 电容效应
Z ,Ω
10-1
电感效应
0.125 4 107

2.032104 64.516106f 1.54 H
模拟电荷分离效应Ca
C1
模拟引线L R 模拟引线L
L2
R
L1
L2
模拟引线间电容Cb
C2
高频电阻等效电路表示法 高频线绕电阻等效电路表示法
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例1.3 求出用长2.5cm，AWG26铜线连接的500Ω金属膜电阻的 高频阻抗特性，寄生电容Ca=5pF。 解： AWG26的d=16mil，a= 8×2.54×10-5m=0.2032mm
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1.4.3 高频电感
电感是用导线绕制而成，除串联电阻外，相邻位置的线段间 有分离的移动电荷，故寄生电容的影响上升，其等效电路如图。
Cd Cd
L 串联电阻Rs
Rd
Rd
Cs
寄生旁路电容
高频电感等效电路
例1.5 RFC由AWG36铜线在0.1英寸空气芯上 绕3.5圈，假定线圈长度是0.05英寸，求其射 频阻抗响应。 解：查表A.4：AWG36的 a = 2.5mil=63.5μ m
至单根直导线或印刷电路板上的一段敷铜带所具有的电阻和电
感都与频率有关。如导线的直流电阻：RDC l / a2 cond
对DC信号，传导电流流过整个导体横截面。在AC时，交
变的载流子形成交变磁场，该磁场又感应一个电场，与该电场
相关联的电流密度与原始的电流相反，在中心感应最强，所以
导体中心的电阻最大，随着频率的提高，电流趋向于导体外表
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一般射频系统方框图 天线
语音 信号 经过 抽样 数 量化 字 编码 电 处理 路 或计 算机 信号
DAC
混频器
切换开关
PA
数-模变换器
发射功率放大器
OSC
本地振荡器
ADC
LPF
PA
将信号 以电磁 波的形 式向自 由空间 发射。
低通滤波器
模-数变换器
接收功率放大器
混合信号电路
模拟信号电路
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移动电话2GHz功率放大器第一级简化电路
0.2
0.3
0.4r，0.5m0m.6
0.7
0.8
0.9
1
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在美国线规中，大约每6个线规，其导线直径翻倍。 AWG50：d=1mil， AWG44：d=2mil，AWG38：d=4mil，······ 其中：1mil=2.54×10-5m=2.54×10-2mm