射频模拟电路分析

射频模拟电路分析

高频电子线路是电子工程、通信工程、自动控制等电子类专业的重要基础课。面对21世纪， 原有教材已跟不上时代的要求，有必要编一本新的教材。?
作者从事射频模拟电路教学与科研近30年，对该领域的学 科内容有深入的体会。“高频电子线路”名称中，“高频”这个概念是含糊的，究竟高频范 围 的上限、下限是什么?高频与微波的频率界限在什么地方?一般认为，不管频率高低，只要可 用“ 路”(集总参数)的概念来分析问题，都归结为模拟电子线路的内容。“微波”电路则是用“ 场 ”(分布参数)的概念来分析电路。事实上，电路尺寸只要小于八分之一导 波波长，就可用路 的概念来分析电路。据有关报道，惠普公司用集总参数制造的压控振荡器的频率已达18GHz ，因此高频与微波已无频率界限可言。鉴于上述分析，“高频电子线路”课程名称改为“射 频模拟电路”更为贴切。?
随着信息时代的来临，通信工程飞速发展，为节省频谱资源，提高数字通信系统的信道容量 及传递信息的准确可靠性，数字调制技术发展迅速。第三代GSM系统、高清晰数字电视等都 对通信信道的指标要求更加苛刻，特别是对射频电子电路提出了更高要求，如系统 的动态范围、线性度，本振源的频谱纯度等。?
为了满足移动通信手机小型化的要求，集成射频电路不断推陈出新。集成度更高、功耗更小 、 性能更佳、体积更小、成本更低、可靠性更高，这是集成射频电路的追求。例如，美信(MAX IM )公司推出了双频手机系统芯片MAX2338，MAX2310及MAX2366。MAX2338用于低噪声放大 及混频，MAX2310用于调制及解调，MAX2366用于发送器及功率放大，配以适当的双工器、外 围元件及基带信号处理芯片即可构成超小型化手机。高频集成芯片发展迅速，但是基本概念 、基本原理是不会变化的。而且由于工作频率甚高，电路的结构参数，即分布电容、杂散电 容 、引线电感、分布电感、电磁辐射、互耦等对电路性能影响严重。集成高频芯片的外围元件 设计与装配调试还要遵循射频模拟电路的一般规则，否则集成芯片不能正常工作。 ?
射频模拟电路包含的内容愈来愈多，但受限于新的教学大纲，该门课的授课学时越来越少 。在此前提下，要编写一本具有新的特色，面向21世纪学生的教材困难是很大的 。作者分析了国外的一些特色教材，结合自己的教学体会及该领域的科研实践，力求在教材 中体现以下特色：?
1?面向学生。不管信息技术如何发展，基本概念、基本原理是不会变化的 。教材始终强调基本概念、基本原理、基本电路、基本测试方法；即使加入新内容，如 第2章的线性功率放大器，也是以打基础为宗旨。?
2?删除了陈旧的内容，增加了新的内容。例如，增加了第2章“线性功率放大 器”、第6章“射频电子系统”、第7章“射频电路集成芯片”；第3章“波形发生与变换电 路”中增加了有关信号源频谱纯 度的基本概念和基本定义的内容。可以这样说，整个教材中有三分之一的内容是以往的老教 材中没有 反映或者说是全新的。作者认为，这些全新的内容中有些是必须讲的，有些是可以让学生 自学的。例如，第2章及第3章增加的内容应全讲，第6章可讲可不讲，第7章则可以不讲
。?
3?教材内容作了大量的调整。把这门课称为“非线性电路”或“射频电子线路” 都有其局限性。本教材不以线性、非线性区分电路，而是以电路的内容来区分。因此， 第 1章“选频放大器”中，既包含小信号电路——射频小信号放大器，也包含非线性电路—— 谐振 高频功率放大器。第1章中的“耦合谐振回路”属选讲内容，可讲可不讲。本教材删除了宽 带高频 功率放大器的内容。第3章的“非正弦波产生电路”可不讲。第4章“频谱搬移电路”应突出 模拟乘法器的作用。第5章“角度调制与解调”完全删除了比例鉴频器的内容。?
4?第6章“射频电子系统”除“放大器中的噪声”内容外，其他都是根据作者 多年的设计经验总结出来的，不足之处希望同行专家指导、批评。这部分内容主要是系统的 概念。如何正确地设计射频电子系统不是一件很容易的事情，它需要多方面的综合知识 。?
5?对于第7章“射频电路集成芯片”，由于射频集成芯片发展太迅速，教材中仅列出极少一 部分。这 部分内容完全可不讲。国外有一本教材叫做“集成射频电路”，它以砷化镓场效应管电路 为主讲述了各类射频电路，包含集成电路，如小信号放大器、混频器、振荡器、功率 放大器等，有兴趣的读者可参阅该教材。?
6?“射频模拟电路”是一门工程性质的课程，是“模拟电路基础”的后续课程，还涉 及非线性电路的内容。学生普遍反映难学难懂，原因如下：(1)这门课所学单元 电路都是从工程实践电路中抽象出来的，有些就是实际电路。绝大部分学生并没有真正接 触到实际电路，学起来很空洞。(2)这门课大部分内容属非线性电路，涉及到的分析方法 有泰勒级数法、折线法、开关函数法、线性时变分析法。同一电路不同的工作状态可以要采 用 不同的分析方法。(3)射频电路中，电感、电容的作用各异。大电感为什么可作为射频扼流 圈?大电容 为什么可作为隔直电容、旁路电容?究竟在什么频率范围，电感、电容大到什么程度才可作 为射频扼流圈与隔直电容?射频电路中为什么要加入“去耦”电路?这些问题对电路工作者而 言是非常简单的，对学生则不然。如何在教材中解决学生的这些困惑不是一 件很容易的事，只有采用多次重复、反复强调，电路中尽可能不要省略“去耦”电路等 方法来解决。(4)“射频模拟电路”各章节之间的内容缺乏关联性，实际电路的关联性是 靠射频电子系统来完成的(这也是要增加第6章的理由之一)，学生很难理解 。?
7?电路图是电子工程师的“语言”，如何读图、设计电路图是这门课需培 养的能力。本教材力图在“培养”上下功夫，希望学生完成这门课程后，应初步具备这方面 的 能力。?
8?射频模拟电路的CAD软件已推出了很多，但每种软件价格昂贵，特别是包含电磁兼 容特性仿真的软件价格更为昂贵。每种软件总存在局限性，这是由于软件是由人编写的， 每个人对知识的理解与掌握有局限性。射频模拟电路中，由于器件的多样性， 电路种类、形式的多样性，电路结构、印刷电路板结构、电磁兼容特性的多样性等等，要推 出一种万能的包罗万象的CAD软件是极其困难的。本教材没有反映这方面的内容，不能不 说是一种遗憾。?
9?非线性电路的分析方法有新的发展，如谐波平衡法。这部分内容本教材没有反映 。?
10?由于编写时间紧迫，习题编写没有给予足够的重视，仅编写了要求学生完成的习题 。这些习题大部分不同于老教材的习题，这完全是精选的结果。?
11?本教材力求精练，易于阅读，重要结论和基本概念一目了然。?
12?根据工程实际应用的需要，本教材增加了附录“传输线变压器的原理及 应用”。这是朱维乐教授在20世纪70年代作了大量研究工作后 写 成的。笔者认为这部分内容对高频宽带匹配、网络实现具有现实的指导意义及工程应用价值 ，故收录于教材附录之中。?
限于作者水平，书中不妥之处，敬请批评指正。?