国外电子与通信教材系列·射频电路设计：理论与应用（第2版）

《国外电子与通信教材系列·射频电路设计：理论与应用（第2版）》自成体系，仅需很少模拟电路设计及电磁场理论知识。每章包含“应用讲座”单元，给出许多电路应用实例，其详细设计过程引导读者顺利应用书中介绍的理论原则。
《国外电子与通信教材系列·射频电路设计：理论与应用（第2版）》重点关注高频领域的如下重要问题：
无源电路元件的特性和电路板材料；
传输线和微带线的基础知识；
圆图、网络模型、散射参量等分析工具；
谐振器、巴特沃思和切比雪夫滤波器、微带线的设计和实现；
二极管、三极管的半导体物理基础和等效电路；
匹配网络和偏置网络；
放大器及其增益、稳定性和噪声特性；
振荡器的基本概念、谐波分析和噪声特性；
有源、无源混频器的基本概念。

《国外电子与通信教材系列·射频电路设计：理论与应用（第2版）》从低频电路理论到射频、微波电路理论的演化过程出发，讨论以低频电路理论为基础结合高频电压、电流的波动特征来分析和设计射频、微波系统的方法——微波等效电路法，使不具备电磁场理论和微波技术背景的读者也能了解和掌握射频、微波电路的基本设计原则和方法。全书共10章，涵盖传输线、匹配网络、滤波器、混频器、放大器和振荡器等主要射频微波系统单元的理论分析和设计问题及电路分析工具（圆图、网络参量和信号流图）。书中例题非常有实用价值。全书大多数电路都经过ADS仿真，并提供标准MATLAB计算程序。

路德维格（Reinhold Ludwig），美国伍斯特技术学院电气与计算机工程系教授。教学和科研领域包括高频电路、核磁共振成像和传感器。

波格丹诺夫（Gene Bogdanov），美国伍斯特技术学院副教授。讲授微处理器设计课程，并研究用于核磁共振成像的射频线圈。

第1章 引言
1.1 射频电路设计的重要性
1.2 量纲和单位
1.3 频谱
1.4 无源元件的射频特性
1.5 贴片元件及电路板
1.6 射频电路制作方法
应用讲座：线圈电感的测量
1.7 小结
阅读文献
习题

第2章 传输线理论
2.1 传输线理论的实质
2.2 传输线实例
2.3 等效电路模型
2.4 理论基础
2.5 平行板传输线的电路参数
2.6 传输线结构小结
2.7 传输线方程
2.8 微带传输线
2.9 终端加载的无损耗传输线
2.1 0典型的终端条件
2.1 1连接波源、负载的传输线
应用讲座：有载同轴电缆阻抗的测量
2.1 2小结
阅读文献
习题

第3章 史密斯圆图
3.1 反射系数与负载阻抗
3.2 阻抗变换
3.3 导纳变换
3.4 并联和串联电路
应用讲座：史密斯圆图的应用
3.5 小结
阅读文献
习题

第4章 单端口网络和多端口网络
4.1 基本定义
4.2 互联网络
4.3 网络特性及其应用
4.4 散射参量
应用讲座：电阻网络衰减器
4.5 小结
阅读文献
习题

第5章 射频滤波器设计
5.1 谐振器和滤波器的基本结构
5.2 特定滤波器的设计
5.3 滤波器的实现
5.4 耦合微带线滤波器
应用讲座：低通微带线滤波器的实现
5.5 小结
阅读文献
习题

第6章 射频有源器件
6.1 半导体物理基础
6.2 射频二极管
6.3 双极晶体管
6.4 射频场效应晶体管
6.5 金属氧化物半导体晶体管
6.6 高电子迁移率晶体管
6.7 半导体技术的发展趋势
应用讲座：射频功率晶体管的内部结构
6.8 小结
阅读文献
习题

第7章 射频有源器件模型
7.1 二极管模型
7.2 晶体管模型
7.3 有源器件的测量
7.4 器件特性的散射参量
应用讲座：采用电路仿真软件为射频晶体管建模
7.5 小结
阅读文献
习题

第8章 匹配网络和偏置网络
8.1 采用分立元件的匹配网络
8.2 微带线匹配网络
8.3 放大器的工作状态和偏置网络
应用讲座：设计7GHz高电子迁移率晶体管放大器的匹配网络和偏置网络
8.4 小结
阅读文献
习题

第9章 射频晶体管放大器设计
9.1 放大器的特性指标
9.2 放大器的功率关系
9.3 稳定性判别
9.4 增益恒定
9.5 噪声系数圆
9.6 等驻波系数圆
9.7 宽带放大器、大功率放大器和多级放大器
应用讲座：中功率放大器模型性能参数的测量
9.8 小结
阅读文献
习题

第10章 振荡器和混频器
10.1 振荡器的基本模型
10.2 高频振荡器电路
10.3 混频器的基本特征
应用讲座：采用谐波平衡分析法仿真实际的振荡器
10.4 小结
阅读文献
习题

附录A 常用物理量和单位
附录B 圆柱导体的趋肤公式
附录C 复数
附录D 矩阵变换
附录E 半导体材料的物理参量
附录F 二极管的无限长模型和有限长模型
附录G 耦合器
附录H 噪声分析
附录I MATLAB简介

注意到，对于50Ω的传输线阻抗，Zin不仅在500MHz是匹配的，在1.5GHz也是匹配的。对于特定的传输线长度ι，由于此1／4波长阻抗变换器被设计为只在500MHz达到匹配，所以不能期望匹配会发生在远离500MHz的频率点。事实上，对于需要工作在宽频带的电路，这种方法似乎不是合适的策略。
作为容易加工的窄带匹配电路，1／4波长阻抗变换器在许多应用中都扮演着重要的角色。
2.11 连接波源、负载的传输线
到目前为止的讨论只限于传输线及由负载阻抗表示的传输线终端情况。为了完善我们的研究，必须要在传输线上增加波源。增加波源的结果是，不仅必须研究传输线和负载之间的阻抗失配，还必须考虑传输线与波源之间的失配隋况。
2.11.1 信号源的复数表示法
传输线电路的一般形式如图2.34所示，包含一个源电压为Vc、源阻抗为Zc的电压源。
传输线输入端的电压，可写成以下一般形式：
Vin=V+in+V—in=V+in（1+1-in）=VG（Zin/Zin+ZG）（2.83）
其中，最后的表达式是根据分压定律得出的。输入反射系数Tin是由波源向长度d=1的传输线方向观察得到的。
……

译者序
近年来，由于科学技术特别是通信技术（包括移动通信、卫星通信、光通信）和计算机技术的迅猛发展，电子系统的工作频率日益提高，射频和微波电路得到了空前广泛的应用。目前，国内外都严重缺乏从事射频和微波电路设计的专业人才，而且国内大专院校采用的微波教材多是从电磁场理论出发的，讨论波导系统的基本原理，极少涉及面向应用的各种射频和微波电路。电子工业出版社于2002年引进出版了本书第一版的中文版，受到了读者的热烈欢迎。鉴于上述原因，我们决定翻译出版《射频电路设计——理论与应用（第二版）》，并希望它能早日与读者见面。
本书第二版是ReinholdLudwig教授和GeneBogdanov根据其第一版修订出版的，是美国伍斯特技术学院（WPI）电气和计算机工程系的本科生和研究生教科书。
本书的主要特点是避开了经典电磁场理论方法，而采用微波等效电路方法讨论射频和微波电路的设计问题。这种方式的好处在于：只要读者具备基本的电路知识，就可以理解本书的内容，并掌握射频和微波电路的基本设计原则和方法。然而，必须说明的是：这种方法不涉及电磁场的空间分布特征——模式，因此只能分析并讨论工作在单模状态下的射频与微波电路及系统。
本书的另一个重要特点是面向实际应用，书中讲述的主要概念和方法都尽量通过具有实际应用价值的设计实例加以解释和说明，并以较大篇幅详细介绍了它们的求解方法，使读者能够举一反三，独立解决射频和微波电路设计中的实际问题。这也是我们希望将此书翻译出来介绍给国内读者的主要原因之一。
译者尽量使书中主要概念的名称与国内习惯相符，以免给读者造成不便。例如原文中的ABCD矩阵就译为在国内通常所说的A参量矩阵。
全书共分10章，由北京大学王子宇教授、王心悦讲师、李小寒研究员翻译和校对；JennyWang博士、MarcThomas博士参与了译文的讨论和修改工作。本书使用或参考了北京大学张肇仪教授、徐承和教授等人在本书第一版中的相关译文。
由于译者水平所限，译文不妥之处在所难免，希望广大读者给予批评指正。
前言
由于对射频及微波产品的大量需求，高频电路设计一直受到制造业的特别关注。新型的半导体器件，新型的板材及先进的制造技术，使大量生产高速数字系统和模拟系统成为可能，这对于无线通信、全球定位、雷达、遥感及相关的电气和计算机工程领域都产生了深远影响，也导致了对训练有素的、具备高频电路设计理论知识的工程师和专家的市场需求。自从本书第一版于2000年1月出版以来，由于对训练有素的射频专家的需求急剧增加，目前出版关于高频电路基础的教科书仍是非常必要的。
本书第二版的目标仍然是：在尽量少涉及电磁场理论的情况下，介绍射频电路设计方面的基本概念及分布电路的基本理论。本书的写作风格是，读者不必掌握大学一年级物理课程中关于场和波之外的电磁场理论知识。掌握了基本电路理论和/或微电子学知识的学生与应用工程师，就能够阅读本书，并能够通过本书全面掌握高频电路原理，其中包括无源和有源分立器件、传输线、滤波器、放大器、混频器、振荡器及其设计步骤。烦琐的数学推导安排在附录或例题中，从而将枯燥的理论细节与正文分开。虽然忽略理论细节会在一定程度上影响分析的精确性，但却增加了本书的可读性，并突出了电路的基本原理。
本书第二版与第一版的区别何在？除了力图减少排版错误及不妥的内容之外，第二版在几个重要方面都有改进。首先，每章最后增加了应用讲座单元。在这些单元中，详细讨论了设计方法的关键点和测试步骤。介绍了诸如衰减器的构造，微带滤波器，以及对具有偏置网络和匹配网络的低噪声射频放大器的仿真方法等，就像在授课的同时附带做了实验。配备了相关仪器和仿真软件的读者，可根据应用讲座轻松地制作这些器件。其次，重要的内容、有用的定义，以及值得注意的现象，都作为旁注与正文区别开。除了要突出它们的重要性之外，这种方式使我们能强调并更好地解释那些不宜直接放入正文描述的问题。例如，锁相环系统的全面知识就超出了本书的讨论范围。然而，对锁相环的简要介绍使读者有了掌握高频电路理论内涵的线索和欲望。这将进一步激励读者自发探索有关问题。第三，更加注重非线性设计原理，特别是振荡器及其相关的谐振器。
为了向读者提供丰富的线性、非线性电路设计经验，我们在书中安排了大量的例题，这些例题相当详细地分析了各种设计方法的基本原理和难点，许多例题的篇幅甚至多达好几页。虽然线性散射参量的仿真方法在特定条件下是合理的，但更加完善的电路设计则需要非线性仿真方法，例如谐波平衡分析法。非线性电路仿真特别适合振荡器、混频器及放大器的设计。当然，仿真工具的功能、精度、计算速度甚至成本，都可能成为合理运用仿真工具必须考虑的问题。多年来，电路仿真软件和射频工具软件的功能一直在不断扩展。确实经常有人向本书作者咨询在特殊条件下具有独特性能的电路仿真软件。我们无意评估或推荐某个特定的电路仿真软件（对于所有电路仿真软件的供应商，本书作者与之既无商业的，也无技术方面的关系）。通常，专业的高频仿真软件非常昂贵，而且必须熟悉它们才能有效地利用。几年前，经过充分的评估，美国伍斯特技术学院的电气与计算机工程系决定采用安捷伦公司的先进设计系统（AdvancedDesignSystems，ADS）作为其研究生和本科生的首选高频电路仿真软件。正是这个原因，以及ADS在工业界的广泛应用，书中大多数电路都是采用ADS仿真的。然而，对于无法得到专业仿真软件的读者，我们编写了大量的标准MATLABm文件，可以从附录I所列出的网址下载。MATLAB是非常流行而且价格相对低廉的数学工具，它可以分析本书中讨论的许多例题，并能迅速将结果用图形显示。特别是，在史密斯圆图上进行的阻抗变换计算一定能吸引读者。
由于本书的主要目标是通常的电路，所以有意略去了高频数字电路及编码与调制方面的内容。虽然这些内容都很重要，但需增加很多篇幅，这与本书计划在一到两个学期内讲完射频电路设计基础知识的初衷差距较大。在伍斯特技术学院的电气与计算机工程系，这样做并未产生不利影响，因为上述内容中的大多数都已在通信系统工程的专业课中讲授过了。
本书编排方式如下：第1章概要解释了为什么随着工作频率的提高，当波长可与电路尺度相比拟时，基本电路理论必须进行修正。
第2章提出了分立电路理论的基本概念。
第3章引入作为通用工具的史密斯圆图，用于处理以反射系数为基础的周期性阻抗现象。
第4章介绍了网络和信号流图表示方法，以及如何利用所谓散射参量描述终端条件。
第5章将上述这些网络模型及其散射参量表达方式用于研究无源射频滤波器电路。
第6章为了讨论有源器件，回顾了一些与半导体器件有关的重要基础知识。
第7章给出了有源器件的电路模型。
第8章讨论了阻抗匹配，以及双极晶体管和场效应晶体管的偏置网络。
第9章的重点是一些重要的高频放大器电路及其在低噪声和高功率应用中的设计难点。
第10章介绍了非线性系统及其设计方法，包括振荡器和混频器电路。本书是伍斯特技术学院电气与计算机工程系的标准课时为7周（每周5课时）的射频电路设计（电气与计算机工程系3113，射频电路设计基础）课程的指定教科书。该课程的主要对象是具有微电子学基础的本科三四年级学生。本课程不包括附加的实验，但总共向学生介绍了6个实用电路（所有应用讲座），引导学生自己利用网络分析仪进行测试。另外，ADS仿真并不作为正规授课内容的一部分。教材配套网站为http：//ece.wpi.edu/RF_Circuit_Design。本书的各章都是相对独立的，目的是为了能灵活地安排课程的内容。在伍斯特技术学院，大约3学期课时的内容被压缩在7周内讲授（共28～29次课）。电气与计算机工程系的讲授内容如下表所示。EE3113射频电路设计基础
第1章引言1.1节～1.6节
第2章传输线理论2.1节～2.12节
第3章史密斯圆图3.1节～3.5节
第4章单端口网络和多端口网络4.1节～4.5节
第7章射频有源器件模型7.1节～7.2节
第8章匹配网络和偏置网络8.1节～8.4节
第9章射频晶体管放大器设计9.1节～9.4节
其余内容则在第2学期（7周）讲授，其中包括更深入的内容，诸如微波滤波器、等效电路模型、振荡器和混频器。授课内容安排见下表。高级射频电路设计方法
第5章射频滤波器设计5.1节～5.5节第6章射频有源器件6.1节～6.6节
第7章射频有源器件模型7.3节～7.5节
第9章射频晶体管放大器设计9.5节～9.8节
第10章振荡器和混频器10.1节～10.4节
显然，整个课程的安排仍需根据总课时、学生的基础及其他相关课程的进度来安排。撰写本书时，学校正在规划一个新的研究生课程，该课程将包括本书第5章至第10章的射频电路内容，以及研究生传统的电磁场理论课程。
致谢
作者感谢一起工作的各位同事、学生和实验操作工程师。感谢电气和计算机工程系主任FredLooft教授为网络版ADS仿真资源和最新配备的网络分析仪提供的系主任基金。我们感谢NXP公司（前飞利浦半导体）的KornVennema和ScottBlum提供的射频专业技术支持，给予的学生课题资助，以及在测量仪器方面提供的帮助。感谢SergeyN.Makarov教授通过学术讨论给予的技术支持。BrianFoley，PeterSerano，ShaileshkumarRaval，RostislavLemdiasov博士，AghoghoObi，SouheilBenzerrouk和FunanShi博士是在读的或已毕业的研究生，他们非常赞赏伍斯特技术学院图像与遥感中心（CenterforImagingandSensing，CIS）的学术环境和给予的支持，并提出了一些有见解的崭新观点。特别要感谢伍斯特技术学院金属处理研究院院长DiranApelian教授和通用汽车公司（GM）的ScottBiederman为作者介绍了微波成像的重要意义，以及用射频进行材料处理的机理。ReinholdLudwig感谢本书第一版的合作者PavelBretchko博士，他的杰出贡献和辛勤工作促成了本书的第一版，并奠定了第二版的基础。感谢本书第一版的策划出版人TomRobbins在过去7年中给予的一贯支持和文字编辑方面的建议。学术出版业正是依靠像Robbins先生这样的专家才得以延续发展。
感谢PrenticeHall的工作人员，特别是AliceDworkin，RoseKernan及印度钦奈Laserwords私人有限公司的资深项目经理G.Muthukumar为本书的出版所给予的支持。