射频电路理论与设计（第2版）

　　《射频电路理论与设计（第2版）/21世纪高等院校信息与通信工程规划教材·精品系列》从传输线理论和射频网络的观点出发，系统地介绍了射频电路的基本理论及设计方法，同时将史密斯圆图的图解方法应用到射频电路的设计之中。
　　《射频电路理论与设计（第2版）/21世纪高等院校信息与通信工程规划教材·精品系列》共12章，第1章为引言；第2～4章为传输线理论、史密斯圆图和射频网络基础，系统地介绍了射频电路的基本概念、基本参数、图解工具和基本研究方法；第5～11章为谐振电路、匹配网络、滤波器、放大器、振荡器、混频器和检波器的设计，这些电路设计可以构成完整的射频电路解决方案；第12章为ADS射频电路仿真设计简介，目的是架起射频电路理论与ADS射频仿真设计的桥梁。书中不仅列举了大量具有实用价值的例题，并且以较大的篇幅详细地给出了设计求解过程。书中每章都配有小结、思考题和练习题，并在书末附有思考题和练习题的答案。本书有配套的ADS射频电路仿真教材，分别为《ADS射频电路设计基础与典型应用》和《ADS射频电路仿真与实例详解》。
　　《射频电路理论与设计（第2版）/21世纪高等院校信息与通信工程规划教材·精品系列》可作为高等学校电子工程、通信工程、自动控制、微电子学、仪器仪表及相关专业本科生的教材，也可作为射频、微波及相关专业技术人员的参考书。

第2版前言
第1章 引言
1.1 射频概念
1.1.1 频谱划分
1.1.2 射频和微波
1.1.3 射频通信系统的工作频率
1.1.4 射频的基本特性
1.2 射频电路的特点
1.2.1 频率与波长
1.2.2 低频电路理论是射频电路理论的特例
1.2.3 射频电路的分布参数
1.2.4 射频电路的集肤效应
1.3 射频系统
1.3.1 射频系统举例
1.3.2 收发信机
1.3.3 ADS射频仿真设计
1.4 本书安排
本章小结
思考题和练习题
第2章 传输线理论
2.1 传输线结构
2.1.1 传输线的构成
2.1.2 几种常用的TEM传输线
2.2 传输线等效电路表示法
2.2.1 长线
2.2.2 传输线的分布参数
2.2.3 传输线的等效电路
2.3 传输线方程及其解
2.3.1 均匀传输线方程
2.3.2 均匀传输线方程的解
2.3.3 行波
2.3.4 传输线的二种边界条件
2.4 传输线的基本特性参数
2.4.1 特性阻抗
2.4.2 反射系数
2.4.3 输入阻抗
2.4.4 传播常数
2.4.5 传输功率
2.5 均匀无耗传输线工作状态分析
2.5.1 行波工作状态
2.5.2 驻波工作状态
2.5.3 行驻波工作状态
2.5.4 λ/4阻抗变换器
2.6 信号源的功率输出和有载传输线
2.6.1 包含信号源与终端负载的传输线
2.6.2 传输线的功率
2.6.3 信号源的共轭匹配
2.6.4 回波损耗和插入损耗
2.7 微带线
2.7.1 微带线的有效介电常数和特性阻抗
2.7.2 微带线的传输特性
2.7.3 微带线的损耗与衰减
本章小结
思考题和练习题
第3章 史密斯圆图
3.1 复平面上反射系数的表示方法
3.1.1 反射系数复平面
3.1.2 等反射系数圆和电刻度圆
3.2 史密斯阻抗圆图
3.2.1 归一化阻抗
3.2.2 等电阻圆和等电抗圆
3.2.3 史密斯阻抗圆图
3.2.4 史密斯阻抗圆图的应用
3.3 史密斯导纳圆图
3.3.1 归一化导纳
3.3.2 史密斯导纳圆图
3.3.3 史密斯阻抗-导纳圆图
3.4 史密斯圆图在集总参数元件电路中的应用
3.4.1 含串联集总参数元件时电路的输入阻抗
3.4.2 含并联集总参数元件时电路的输入导纳
3.4.3 含一个集总电抗元件时电路的输入阻抗
3.4.4 含多个集总电抗元件时电路的输入阻抗
本章小结
思考题和练习题
第4章 射频网络基础
4.1 二端口低频网络参量
4.1.1 阻抗参量
4.1.2 导纳参量
4.1.3 混合参量
4.1.4 转移参量
4.2 二端口射频网络参量
4.2.1 散射参量
4.2.2 传输参量
4.3 二端口网络的参量特性
4.3.1 互易网络
4.3.2 对称网络
4.3.3 无耗网络
4.4 二端口网络的参量互换
4.4.1 网络参量[Z]、[Y]、[h]、[ABCD ]之间的相互转换
4.4.2 网络参量[S ]和[T ]之间的相互转换
4.4.3 网络参量[Z]、[Y]、[h]、[ABCD ]与[S]之间的相互转换
4.5 多端口网络的散射参量
4.5.1 多端口网络散射参量的定义
4.5.2 常见的多端口射频网络
4.6 信号流图
4.6.1 信号流图的构成
4.6.2 信号流图的化简规则
本章小结
思考题和练习题
第5章 谐振电路
5.1 串联谐振电路
5.1.1 谐振频率
5.1.2 品质因数
5.1.3 输入阻抗
5.1.4 带宽
5.1.5 有载品质因数
5.2 并联谐振电路
5.2.1 谐振频率
5.2.2 品质因数
5.2.3 输入导纳
5.2.4 带宽
5.2.5 有载品质因数
5.3 传输线谐振器
5.3.1 终端短路λ/2传输线
5.3.2 终端短路λ/4传输线
5.3.3 终端开路λ/2传输线
5.3.4 终端开路λ/4传输线
5.4 介质谐振器
本章小结
思考题和练习题
第6章 匹配网络
6.1 匹配网络的目的及选择方法
6.2 集总参数元件电路的匹配网络设计
6.2.1 传输线与负载间L形匹配网络
6.2.2 信源与负载间L形共轭匹配网络
6.2.3 L形匹配网络的带宽
6.2.4 T形匹配网络和π形匹配网络
6.3 分布参数元件电路的匹配网络设计
6.3.1 负载与传输线的阻抗匹配
6.3.2 信源与负载的共轭匹配
6.4 混合参数元件电路的匹配网络设计
本章小结
思考题和练习题
第7章 滤波器的设计
7.1 滤波器的类型
7.2 用插入损耗法设计低通滤波器原型
7.2.1 巴特沃斯低通滤波器原型
7.2.2 切比雪夫低通滤波器原型
7.2.3 椭圆函数低通滤波器原型
7.2.4 线性相位低通滤波器原型
7.3 滤波器的变换
7.3.1 阻抗变换
7.3.2 频率变换
7.4 短截线滤波器
7.4.1 理查德变换
7.4.2 科洛达规则
7.4.3 低通滤波器设计举例
7.4.4 带阻滤波器设计举例
7.5 阶梯阻抗低通滤波器
7.5.1 短传输线段的近似等效电路
7.5.2 滤波器设计举例
7.6 平行耦合微带线滤波器
7.6.1 奇模和偶模
7.6.2 平行耦合微带线的滤波特性
7.6.3 带通滤波器设计举例
本章小结
思考题和练习题
第8章 放大器的稳定性、增益和噪声
8.1 放大器的稳定性
8.1.1 稳定准则
8.1.2 稳定性判别的图解法
8.1.3 绝对稳定判别的解析法
8.1.4 放大器稳定措施
8.2 放大器的增益
8.2.1 功率增益的定义和计算公式
8.2.2 最大功率增益
8.2.3 晶体管单向情况
8.2.4 晶体管双向情况
8.3 输入输出电压驻波比
8.3.1 失配因子
8.3.2 输入、输出驻波分析
8.4 放大器的噪声
8.4.1 等效噪声温度和噪声系数
8.4.2 级连网络的等效噪声温度和噪声系数
8.4.3 等噪声系数圆
本章小结
思考题和练习题
第9章 放大器的设计
9.1 放大器的工作状态和分类
9.1.1 基于静态工作点的放大器分类
9.1.2 基于信号大小的放大器分类
9.2 放大器的偏置网络
9.2.1 偏置电路与射频电路之间的连接
9.2.2 偏置电路的设计
9.3 小信号放大器的设计
9.3.1 小信号放大器的设计步骤
9.3.2 最大增益放大器的设计
9.3.3 固定增益放大器的设计
9.3.4 最小噪声放大器的设计
9.3.5 低噪声放大器的设计
9.3.6 宽带放大器的设计
9.4 功率放大器的设计
9.4.1 A类放大器的设计
9.4.2 交调失真
9.5 多级放大器的设计
本章小结
习题
第10章 振荡器的设计
10.1 振荡电路的形成
10.1.1 振荡器的基本模型
10.1.2 振荡器的有源器件
10.1.3 振荡器与放大器的比较
10.2 微波振荡器
10.2.1 振荡条件
10.2.2 晶体管振荡器
10.2.3 二极管振荡器
10.2.4 介质谐振器振荡器
10.2.5 压控振荡器
10.3 振荡电路的一般分析
10.3.1 晶体管振荡器的一般电路
10.3.2 考毕兹（Colpitts）振荡器
10.3.3 哈特莱（Hartley）振荡器
10.3.4 皮尔斯（Pierce）晶体振荡器
10.4 振荡器的技术指标
本章小结
思考题与练习题
第11章 混频器和检波器的设计
11.1 混频器
11.1.1 混频器的特性
11.1.2 混频器的种类
11.1.3 混频器主要技术指标
11.1.4 单端二极管混频器
11.1.5 单平衡混频器
11.2 检波器
11.2.1 整流器与检波器
11.2.2 二极管检波器
11.2.3 检波器的灵敏度
本章小结
思考题与练习题
第12章 ADS 射频电路仿真设计简介
12.1 美国安捷伦（Agilent）公司与ADS 软件
12.2 ADS 的设计功能
12.3 ADS 的仿真功能
12.4 ADS 的4 种主要工作视窗
12.4.1 主视窗
12.4.2 原理图视窗
12.4.3 数据显示视窗
12.4.4 版图视窗
本章小结
思考题与练习题
附录A 国际单位制（SI）词头
附录B 电学、磁学和光学的量和单位
附录C 某些材料的电导率
附录D 某些材料的相对介电常数和损耗角正切
附录E 常用同轴射频电缆特性参数
思考题和练习题答案
参考文献

　　射频电路理论与设计》自2008年10月出版以来，已重印多次。为适应当前射频电路理论与设计的发展和教学要求，编者对第1版进行了修订。第2版在保留第1版主要内容的同时，本着“打好基础、面向应用”的原则，重新编写了第1章“引言”、第10章“振荡器的设计”、第11章“混频器和检波器的设计”和第12章“ADS射频电路仿真设计简介”。第2版在每章最后增加了小结，将第1版的“习题”修改为第2版的“思考题和练习题”，并在书末给出了答案。本次修订对全书文字、公式、插图、设计做了全面的修改和校对，力求概念准确、设计详细、内容流畅、图文并茂。
　　随着科学技术的不断进步，无线通信系统的工作频率不断提高，目前应用日趋广泛的移动通信、全球定位、无线局域网和射频识别等，工作频率都在几百 MHz 到 GHz，这使得在此频率范围内的射频电路应用日趋广泛。此外，新型半导体器件也使高速数字系统不断发展，对计算机来说，CPU的时钟频率已经达到GHz，同样需要考虑在此频率下射频电路的设计问题。可以看出，射频技术在各个领域都越来越显示出其重要性。
　　在电子通信系统中，只有使用更高的载波频率，才能获得更宽的带宽，才能更有效地传输信息；无线通信需要采用天线发射和接收信号，工作频率越高，天线尺寸越小，这迎合了现代通信对尺寸小型化的要求。正是由于上述技术原因，越来越多的电子通信系统使用了频率较高的射频频段，带来了射频应用的繁荣，并推动了射频技术的进一步发展。
　　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没有遇到过，因此需要建立射频电路的理论体系。射频电路理论是电磁场理论与传统电子学的融合，它将电磁场的波动理论引入电子学，形成了射频电路的理论体系和设计方法。电磁场理论的方法涵盖了微波传输线的知识，却没有触及放大器、振荡器和混频器等有源电路的内容；传统电子学涵盖了基本电路的理论，但没有涉及电压和电流的波动性质，这些波的反射和传输是影响射频电路特性的重要因素。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，低频电路理论与射频电路理论显著不同。
　　射频电路主要应用在无线通信领域，在一个射频系统里需要处理收、发2个过程，其中涉及很多射频电路的设计，包括滤波器、放大器、振荡器、混频器和检波器的设计等，这些电路设计构成了射频电路的基本组成部分。本书涵盖了射频电路的基本理论和基本设计方法。基本理论包括第2章传输线理论、第3章史密斯圆图、第4章射频网络基础，系统地介绍了射频电路的基本概念、基本参数、图解工具和基本研究方法。基本设计包括第5章谐振电路、第6章匹配网络、第7章滤波器的设计、第8章放大器的稳定性增益和噪声、第9章放大器的设计、第10章振荡器的设计、第11章混频器和检波器的设计，这些设计方法可以构成完整的射频电路解决方案。
　　鉴于目前国内科研院所、大型IT公司和高校都推广使用ADS软件设计射频电路，本书第 12 章对 ADS 射频电路仿真设计进行了简单介绍，目的是架起射频电路理论与 ADS射频仿真设计间的桥梁。使用软件工具已经成为射频和微波电路设计的趋势，在深入理解射频电路理论的基础上，结合ADS软件工具进行设计，是通向射频电路和射频系统设计成功的最佳路线。
　　本书每章都有小结，便于读者总结和复习。本书每章配有较多例题，均详细给出了设计求解过程。本书每章附有思考题和练习题，并在书末给出了答案。本书有配套的 ADS射频电路教材，分别为《ADS射频电路设计基础与典型应用》和《ADS射频电路仿真与实例详解》。本书附录中给出了国际单位制（SI）词头、电磁学和光学的量和单位、常用材料的电导率、常用材料的相对介电常数和损耗角正切、常用同轴射频电缆特性参数，供读者参考。
　　本书由黄玉兰编写。中国科学院西安光学精密机械研究所的研究生夏璞协助完成了本书的插图和习题校对工作，在此表示感谢。
　　由于作者水平有限，书中难免会有缺点和错误，敬请广大读者予以指正。电子邮件：huangyulan10@sina.com。
　　编者
　　2013年5月
　　于西安邮电大学

　　传输线是用以从一处至另一处传输电磁能量的装置。射频电路与低频电路不仅基本理论有显著的不同，而且采用的传输线装置也不同，射频传输线采用了同轴线、平行双导线、带状线和微带线等不同于低频导线的特殊结构。本章从电路的观点出发，以平行双导线为例讲述传输线理论。
　　传输线理论是分布参数电路理论。随着工作频率的升高，工作波长不断减小，当工作波长可以与电路的几何尺寸相比拟时，传输线上的电压和电流分布将随空间位置变化，电压和电流呈现出波动性，这一点与低频电路完全不同。传输线理论用来分析传输线上电压和电流的分布状况，以及传输线上阻抗的变化规律。在射频频段，低频电路的基尔霍夫定律不再适用，必须采用传输线理论取代低频电路理论。
　　从本章分析的结果可以看出，传输线理论在基本电路理论和电磁场理论之间架起了桥梁。传输线理论是基本电路理论与电磁场波动理论的融合，传输线理论可以认为是电路理论的扩展，也可以认为是波动方程的解。传输线上信号的传输方式与空间平面电磁波的传播方式是一致的，电压和电流出现了入射和反射的波动性质，并产生了行波与驻波现象。
　　本章首先介绍传输线的结构；其次给出传输线分布参数等效电路及传输线方程；然后引入传输线的基本特性参数；随后对无耗传输线的工作状态及信号源的功率输出进行分析；最后讨论微带线。
　　2.1 传输线结构
　　2.1.1 传输线的构成
　　传输线主要从两个方面考虑其构成，一个是电性能的考虑，有传输模式、色散、工作频带、功率容量、损耗等几个指标；另一个是机械性能的考虑，有尺寸、制作难易度、集成难易度等几个指标。
　　1．传输线的电性能
　　从传输模式上看，传输线上传输的电磁波分为3种类型。
　　（1）TEM波（横电磁波）：电场和磁场都与电磁波传播方向相垂直。
　　（2）TE波（横电波）：电场与电磁波传播方向相垂直，传播方向上有磁场分量。
　　（3）TM波（横磁波）：磁场与电磁波传播方向相垂直，传播方向上有电场分量。
　　本书讨论的射频电路，传输线上传输TEM波或准TEM波。当传输线上传输TEM波或准 TEM 波时，可以用电压和电流取代电场和磁场描述传输线上的工作状态，本书中的射频电路只涉及TEM传输线。当传输线上传输TE波或TM波时，必须用电场和磁场描述工作状态，这是微波电路中关于金属波导的内容，超出了本书的范围，本书不予讨论。
　　TEM传输线（即传输TEM波的传输线）无色散。色散是指电磁波的传播速度与工作频率有关。TEM传输线上电磁波的传播速度与工作频率无关，所以相速度vp即为速度v。相速度为
　　式（2.1）中，ε、μ、εr和μr分别是TEM传输线导体间介质的介电常数、磁导率、相对介电常数和相对磁导率；ε0和μ0是自由空间的介电常数和磁导率；c是自由空间光速。
　　TEM传输线的工作频带较宽。TEM传输线工作频率的范围可以由直流（0Hz）到吉赫兹（GHz）。
　　TEM传输线的功率容量和损耗应能满足设计要求。
　　2．传输线的机械性能
　　传输线的机械性能包括物理尺寸、制作难易度、与其他元器件集成的难易度等几个指标。出于上述机械性能的考虑，传输线有平面化的趋势。