射频电路理论与设计 教学课件 作者 黄玉兰 序.ppt

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1、射频电路理论与设计引言0射频概念0.1射频系统举例0.2射频电路的特点0.3本书安排0.40引言在射频频段，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。由于无线通信的快速发展，需要结构更紧凑的射频放大器、滤波器、振荡器及混频器，只有确切地知道射频电路与低频电路有什么区别及如何实现，才能开发改进射频电路，满足射频领域不断发展的需求。0.1射频概念在电子通信领域，信号采用的传输方式和信号的传输特性是由工作频率决定的。对于电磁频谱，按照频率从低到高（波长从长到短）的次序，可以

2、划分为不同的频段，电子通信的发展历程，实际上就是所使用的载波频率由低到高的发展过程。电通信的容量几乎与所使用的频率成正比，对通信容量的要求越高，使用的频率就越高。目前射频（RadioFrequency）没有一个严格的频率范围定义，广义地说，可以向外辐射电磁信号的频率称为射频；而在电路设计中，当频率较高、电路的尺寸可以与波长相比拟时，电路可以称为射频电路。一般认为，当频率高于30MHz时电路的设计就需考虑射频电路理论；而射频电路理论应用的典型频段为几百MHz至4GHz，在这个频率范围内，电路需要考虑分布参数的影响，低频的基

3、尔霍夫电路理论不再适用。需要说明的是，随着射频电路的广泛应用和不断发展，射频的频率范围还在向更高的频率延伸，已有资料将射频的高端频率定为大于4GHz。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。0.2射频系统举例射频电路主要应用在无线通信领域，各种射频无线通信系统有类似的结构，下面以移动通信为例介绍射频系统的基本电路结构及主要特点。图01射频

4、系统的一般框图射频电路的设计方法与普通低频电路的设计方法不同。不仅射频放大器的设计与低频电路不同，射频滤波器、振荡器的设计也与低频电路不同，因此需要建立新的射频电路理论，在射频电路理论的基础上全面学习射频电路的设计方法。0.3射频电路的特点基尔霍夫电路理论只能用于直流和低频电路的设计，不能用于射频电路的设计。低频频率与射频频率有很大差异，正是由于这种频率的差异，导致低频电路理论与射频电路理论不同。下面将在不同频率下对电路进行讨论，从中可以看出低频电路与射频电路显著不同，对于目前广泛使用的射频频段，必须采用全新的方法加以分

5、析。0.3.1频率与波长众所周知，在自由空间工作频率与工作波长的乘积等于光的速度，也即fλ=c=3×108m/s（0.1）式中，f为工作频率；λ为工作波长；c为光的速度。式（0.1）的结论是：频率越高波长越短。射频频段有很高的频率，所以射频的工作波长很短。在电路设计中，当频率较高、电路的尺寸可以与波长相比拟时，电路可以称为射频电路。0.3.2低频电路理论是射频电路理论的特例低频电路理论只适用于低频电路设计，射频电路理论有更大的适用范围，低频电路理论是射频电路理论的特例。图0.2所示的是终端短路传输线，根据射频电路理论会得

6、到距离短路终端l处的阻抗为（0.2）式中Z0为常数，Z0的取值范围一般为几十到几百之间。式（0.2）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（0.2）加以数值分析。图0.2终端短路的传输线0.3.3射频电路的分布参数低频电路理论称为集总参数电路理论；射频电路理论称为分布参数电路理论，分布参数是射频电路的最大特色。从正弦交流（AC）电路分析中可以知道，电感L和电容C的电抗XL和XC与频率有关，XL和XC与频率的关系是式（0.3）和式（0.4）中ω为角频率，ω=2πf。下面考察当电感L=1nH和电

7、容C=1pF时的电抗XL和XC。1.传输线上的分布参数图0.3一段传输线射频电路认为传输线上到处都分布着电感和电容，所以射频电路也称为分布参数电路。由于分布参数的存在，传输线上电压、电流和阻抗的分布与低频电路完全不同，射频传输线上信号出现了波动性，并导致反射产生，因此需要建立射频电路理论体系。2.无源器件的寄生参数分布参数的存在还会导致无源器件产生寄生参数，改变无源器件的参量。电阻、电感或电容的引线都存在寄生电感和寄生电容，寄生参数使电阻、电感或电容的等效电路变得复杂，例如低频下的电阻在射频时可能会产生感性或容性。低频下

8、的器件一般不能用于射频，生产厂商会给出元器件的使用频段。为减小寄生参数的影响，射频元器件的尺寸比低频元器件的尺寸小，例如射频常使用小尺寸的片状电阻或片状电容。0.3.4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