射頻模擬電路分析

高頻電子線(xiàn)路是電子工程、通信工程、自動(dòng)控制等電子類(lèi)專(zhuān)業(yè)的重要基礎(chǔ)課。面對(duì)21世紀(jì)， 原有教材已跟不上時(shí)代的要求，有必要編一本新的教材。?
作者從事射頻模擬電路教學(xué)與科研近30年，對(duì)該領(lǐng)域的學(xué) 科內(nèi)容有深入的體會(huì)。“高頻電子線(xiàn)路”名稱(chēng)中，“高頻”這個(gè)概念是含糊的，究竟高頻范 圍 的上限、下限是什么?高頻與微波的頻率界限在什么地方?一般認(rèn)為，不管頻率高低，只要可 用“ 路”(集總參數(shù))的概念來(lái)分析問(wèn)題，都?xì)w結(jié)為模擬電子線(xiàn)路的內(nèi)容?！拔⒉ā彪娐穭t是用“ 場(chǎng) ”(分布參數(shù))的概念來(lái)分析電路。事實(shí)上，電路尺寸只要小于八分之一導(dǎo) 波波長(zhǎng)，就可用路 的概念來(lái)分析電路。據(jù)有關(guān)報(bào)道，惠普公司用集總參數(shù)制造的壓控振蕩器的頻率已達(dá)18GHz ，因此高頻與微波已無(wú)頻率界限可言。鑒于上述分析，“高頻電子線(xiàn)路”課程名稱(chēng)改為“射 頻模擬電路”更為貼切。?
隨著信息時(shí)代的來(lái)臨，通信工程飛速發(fā)展，為節(jié)省頻譜資源，提高數(shù)字通信系統(tǒng)的信道容量 及傳遞信息的準(zhǔn)確可靠性，數(shù)字調(diào)制技術(shù)發(fā)展迅速。第三代GSM系統(tǒng)、高清晰數(shù)字電視等都 對(duì)通信信道的指標(biāo)要求更加苛刻，特別是對(duì)射頻電子電路提出了更高要求，如系統(tǒng) 的動(dòng)態(tài)范圍、線(xiàn)性度，本振源的頻譜純度等。?
為了滿(mǎn)足移動(dòng)通信手機(jī)小型化的要求，集成射頻電路不斷推陳出新。集成度更高、功耗更小 、 性能更佳、體積更小、成本更低、可靠性更高，這是集成射頻電路的追求。例如，美信(MAX IM )公司推出了雙頻手機(jī)系統(tǒng)芯片MAX2338，MAX2310及MAX2366。MAX2338用于低噪聲放大 及混頻，MAX2310用于調(diào)制及解調(diào)，MAX2366用于發(fā)送器及功率放大，配以適當(dāng)?shù)碾p工器、外 圍元件及基帶信號(hào)處理芯片即可構(gòu)成超小型化手機(jī)。高頻集成芯片發(fā)展迅速，但是基本概念 、基本原理是不會(huì)變化的。而且由于工作頻率甚高，電路的結(jié)構(gòu)參數(shù)，即分布電容、雜散電 容 、引線(xiàn)電感、分布電感、電磁輻射、互耦等對(duì)電路性能影響嚴(yán)重。集成高頻芯片的外圍元件 設(shè)計(jì)與裝配調(diào)試還要遵循射頻模擬電路的一般規(guī)則，否則集成芯片不能正常工作。 ?
射頻模擬電路包含的內(nèi)容愈來(lái)愈多，但受限于新的教學(xué)大綱，該門(mén)課的授課學(xué)時(shí)越來(lái)越少 。在此前提下，要編寫(xiě)一本具有新的特色，面向21世紀(jì)學(xué)生的教材困難是很大的 。作者分析了國(guó)外的一些特色教材，結(jié)合自己的教學(xué)體會(huì)及該領(lǐng)域的科研實(shí)踐，力求在教材 中體現(xiàn)以下特色：?
1?面向?qū)W生。不管信息技術(shù)如何發(fā)展，基本概念、基本原理是不會(huì)變化的 。教材始終強(qiáng)調(diào)基本概念、基本原理、基本電路、基本測(cè)試方法；即使加入新內(nèi)容，如 第2章的線(xiàn)性功率放大器，也是以打基礎(chǔ)為宗旨。?
2?刪除了陳舊的內(nèi)容，增加了新的內(nèi)容。例如，增加了第2章“線(xiàn)性功率放大 器”、第6章“射頻電子系統(tǒng)”、第7章“射頻電路集成芯片”；第3章“波形發(fā)生與變換電 路”中增加了有關(guān)信號(hào)源頻譜純 度的基本概念和基本定義的內(nèi)容?？梢赃@樣說(shuō)，整個(gè)教材中有三分之一的內(nèi)容是以往的老教 材中沒(méi)有 反映或者說(shuō)是全新的。作者認(rèn)為，這些全新的內(nèi)容中有些是必須講的，有些是可以讓學(xué)生 自學(xué)的。例如，第2章及第3章增加的內(nèi)容應(yīng)全講，第6章可講可不講，第7章則可以不講
。?
3?教材內(nèi)容作了大量的調(diào)整。把這門(mén)課稱(chēng)為“非線(xiàn)性電路”或“射頻電子線(xiàn)路” 都有其局限性。本教材不以線(xiàn)性、非線(xiàn)性區(qū)分電路，而是以電路的內(nèi)容來(lái)區(qū)分。因此， 第 1章“選頻放大器”中，既包含小信號(hào)電路——射頻小信號(hào)放大器，也包含非線(xiàn)性電路—— 諧振 高頻功率放大器。第1章中的“耦合諧振回路”屬選講內(nèi)容，可講可不講。本教材刪除了寬 帶高頻 功率放大器的內(nèi)容。第3章的“非正弦波產(chǎn)生電路”可不講。第4章“頻譜搬移電路”應(yīng)突出 模擬乘法器的作用。第5章“角度調(diào)制與解調(diào)”完全刪除了比例鑒頻器的內(nèi)容。?
4?第6章“射頻電子系統(tǒng)”除“放大器中的噪聲”內(nèi)容外，其他都是根據(jù)作者 多年的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出來(lái)的，不足之處希望同行專(zhuān)家指導(dǎo)、批評(píng)。這部分內(nèi)容主要是系統(tǒng)的 概念。如何正確地設(shè)計(jì)射頻電子系統(tǒng)不是一件很容易的事情，它需要多方面的綜合知識(shí) 。?
5?對(duì)于第7章“射頻電路集成芯片”，由于射頻集成芯片發(fā)展太迅速，教材中僅列出極少一 部分。這 部分內(nèi)容完全可不講。國(guó)外有一本教材叫做“集成射頻電路”，它以砷化鎵場(chǎng)效應(yīng)管電路 為主講述了各類(lèi)射頻電路，包含集成電路，如小信號(hào)放大器、混頻器、振蕩器、功率 放大器等，有興趣的讀者可參閱該教材。?
6?“射頻模擬電路”是一門(mén)工程性質(zhì)的課程，是“模擬電路基礎(chǔ)”的后續(xù)課程，還涉 及非線(xiàn)性電路的內(nèi)容。學(xué)生普遍反映難學(xué)難懂，原因如下：(1)這門(mén)課所學(xué)單元 電路都是從工程實(shí)踐電路中抽象出來(lái)的，有些就是實(shí)際電路。絕大部分學(xué)生并沒(méi)有真正接 觸到實(shí)際電路，學(xué)起來(lái)很空洞。(2)這門(mén)課大部分內(nèi)容屬非線(xiàn)性電路，涉及到的分析方法 有泰勒級(jí)數(shù)法、折線(xiàn)法、開(kāi)關(guān)函數(shù)法、線(xiàn)性時(shí)變分析法。同一電路不同的工作狀態(tài)可以要采 用 不同的分析方法。(3)射頻電路中，電感、電容的作用各異。大電感為什么可作為射頻扼流 圈?大電容 為什么可作為隔直電容、旁路電容?究竟在什么頻率范圍，電感、電容大到什么程度才可作 為射頻扼流圈與隔直電容?射頻電路中為什么要加入“去耦”電路?這些問(wèn)題對(duì)電路工作者而 言是非常簡(jiǎn)單的，對(duì)學(xué)生則不然。如何在教材中解決學(xué)生的這些困惑不是一 件很容易的事，只有采用多次重復(fù)、反復(fù)強(qiáng)調(diào)，電路中盡可能不要省略“去耦”電路等 方法來(lái)解決。(4)“射頻模擬電路”各章節(jié)之間的內(nèi)容缺乏關(guān)聯(lián)性，實(shí)際電路的關(guān)聯(lián)性是 靠射頻電子系統(tǒng)來(lái)完成的(這也是要增加第6章的理由之一)，學(xué)生很難理解 。?
7?電路圖是電子工程師的“語(yǔ)言”，如何讀圖、設(shè)計(jì)電路圖是這門(mén)課需培 養(yǎng)的能力。本教材力圖在“培養(yǎng)”上下功夫，希望學(xué)生完成這門(mén)課程后，應(yīng)初步具備這方面 的 能力。?
8?射頻模擬電路的CAD軟件已推出了很多，但每種軟件價(jià)格昂貴，特別是包含電磁兼 容特性仿真的軟件價(jià)格更為昂貴。每種軟件總存在局限性，這是由于軟件是由人編寫(xiě)的， 每個(gè)人對(duì)知識(shí)的理解與掌握有局限性。射頻模擬電路中，由于器件的多樣性， 電路種類(lèi)、形式的多樣性，電路結(jié)構(gòu)、印刷電路板結(jié)構(gòu)、電磁兼容特性的多樣性等等，要推 出一種萬(wàn)能的包羅萬(wàn)象的CAD軟件是極其困難的。本教材沒(méi)有反映這方面的內(nèi)容，不能不 說(shuō)是一種遺憾。?
9?非線(xiàn)性電路的分析方法有新的發(fā)展，如諧波平衡法。這部分內(nèi)容本教材沒(méi)有反映 。?
10?由于編寫(xiě)時(shí)間緊迫，習(xí)題編寫(xiě)沒(méi)有給予足夠的重視，僅編寫(xiě)了要求學(xué)生完成的習(xí)題 。這些習(xí)題大部分不同于老教材的習(xí)題，這完全是精選的結(jié)果。?
11?本教材力求精練，易于閱讀，重要結(jié)論和基本概念一目了然。?
12?根據(jù)工程實(shí)際應(yīng)用的需要，本教材增加了附錄“傳輸線(xiàn)變壓器的原理及 應(yīng)用”。這是朱維樂(lè)教授在20世紀(jì)70年代作了大量研究工作后 寫(xiě) 成的。筆者認(rèn)為這部分內(nèi)容對(duì)高頻寬帶匹配、網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)具有現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)意義及工程應(yīng)用價(jià)值 ，故收錄于教材附錄之中。?
限于作者水平，書(shū)中不妥之處，敬請(qǐng)批評(píng)指正。?