高频电子线路(莫怀忠)(二版) 莫怀忠 9787122084354 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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莫怀忠 著

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出版社： 化学工业出版社

ISBN：9787122084354

商品编码：29228212295

包装：平装

出版时间：2010-08-01

基本信息

书名：高频电子线路(莫怀忠)(二版)

定价：24.00元

作者：莫怀忠

出版社：化学工业出版社

出版日期：2010-08-01

ISBN：9787122084354

字数：

页码：

版次：2

装帧：平装

开本：16开

商品重量：0.322kg

编辑推荐

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内容提要

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本书为教育部高职高专规划教材。全书由无线电通信系统组成的基本原理，高频小信号放大器，高频功率放大器，正弦波振荡器，频率变换与集成模拟乘法器，调幅、检波与混频电路，调角与解调，反馈控制电路，实验与实训等章节组成。
本书根据高职高专学生的特点，重点放在讲清基本电路的物理本质和分析方法上，注意培养学生对电路基本工作原理的理解及分析能力。在附录部分指导学生利用Multisim 8电路仿真软件对各章节相应的电路进行性能分析和结论验证，并给出了两种方案的实训课题。
本书可作为高职高专院校电子信息工程、通信工程等专业的教材，也可供电子类相关专业的学生使用和相关专业的工程技术人员参考。

目录

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绪论
章　高频小信号放大器
　节　晶体管高频等效电路
　第二节　宽带放大器的特点和分析方法
　第三节　扩展放大器通频带的方法
　第四节　小信号谐振放大器的分类和主要性能指标
　第五节　单调谐放大器
　第六节　影响放大器的稳定性及其解决方法
　第七节　集成中频放大器
　本章小结
　习题一
第二章　高频功率放大器
　节　概述
　第二节　丙类谐振功率放大器的工作原理
　第三节　丙类谐振功率放大器的性能分析
　第四节　丙类谐振功率放大器电路
　第五节　宽带高频功率放大器
　第六节　丙类谐振倍频器
　本章小结
　习题二
第三章　正弦波振荡器
　节　概述
　第二节　反馈式正弦波振荡器的工作原理
　第三节　LC正弦波振荡器
　第四节　石英晶体振荡器
　第五节　RC振荡器
　本章小结
　习题三
第四章　频率变换与集成模拟乘法器
　节　概述
　第二节　利用非线性器件进行频率变换
　第三节　模拟乘法器及其应用
　本章小结
　习题四
第五章　调幅、检波与混频电路
　节　调制概述
　第二节　调幅波的性质
　第三节　调幅电路
　第四节　检波器
　第五节　混频电路
　本章小结
　习题五
第六章　调角与解调
　节　概述
　第二节　调频电路
　第三节　鉴频器
　本章小结
　习题六
第七章　反馈控制电路
　节　概述
　第二节　自动增益控制(AGC)电路
　第三节　自动频率控制(AFC)电路
　第四节　锁相环路(PLL)
　本章小结
　习题七
附录　实验与实训
　部分实验
　第二部分实训
参考文献

作者介绍

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文摘

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序言

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高频电子线路 第一章 绪论 1.1 高频电子线路概述 本章将深入探讨高频电子线路在现代电子技术中的地位与作用，阐述其基本概念、特点以及与其他电子线路的区别。我们将从微波、无线通信、雷达、导航、以及现代电子信息系统中高频电路所扮演的关键角色出发，分析其在信号传输、处理、发射和接收等方面不可替代的功能。内容将涵盖高频信号的传播特性，例如趋肤效应、邻近效应，以及其对电路设计的影响。同时，我们将初步介绍高频电路设计所面临的挑战，如寄生参数的影响、阻抗匹配的重要性、以及信号完整性问题。 1.2 高频电子线路发展简史与趋势 追溯高频电子线路的发展历程，从早期无线电技术的萌芽，到真空管时代的辉煌，再到晶体管和集成电路的革命性突破，直至今日大规模集成电路和微电子机械系统（MEMS）在高频领域的应用，本章将勾勒出一幅波澜壮阔的技术演进图景。我们将重点关注每一次技术飞跃如何改变了高频电路的设计理念和实现手段，例如从分立元件到集成器件的转变，从粗略设计到精确建模的提升。此外，还将展望高频电子线路的未来发展趋势，包括更高频率（毫米波、太赫兹）、更小尺寸、更低功耗、更高集成度、以及智能化的设计与应用方向，如5G/6G通信、物联网（IoT）、自动驾驶、以及高性能计算等领域的需求如何驱动着高频技术的持续创新。 1.3 高频电子线路的基本概念 本章将系统梳理构成高频电子线路的基础概念。我们将详细解释“高频”的定义及其与工作频率的关系，并区分低频、射频（RF）和微波等不同频段的特点。核心内容将围绕高频电路设计中至关重要的参数展开，包括： 阻抗（Impedance）： 详细阐述电阻、电容、电感在高频下的复阻抗特性，以及为什么低频的纯阻性电路在高频下会呈现出电抗特性。我们将介绍复数阻抗表示法（Z = R + jX）以及其在电路分析中的应用。 增益（Gain）： 定义电压增益、电流增益、功率增益，并探讨在高频下如何准确衡量和优化增益，避免增益下降或振荡。 噪声（Noise）： 分析热噪声、散弹噪声、闪烁噪声等在高频电路中的产生机制和影响，以及低噪声放大器（LNA）的设计原则。 带宽（Bandwidth）： 阐释带宽的定义及其在高频通信和信号处理中的重要性，包括 -3dB 带宽的概念，以及如何设计具有特定带宽的滤波器。 稳定性（Stability）： 解释在高频放大电路中可能出现的自激振荡现象，介绍稳定性判据（如 |S21|² / |S11|² < 1），以及提高电路稳定性的方法，如串联负阻抗、增加负反馈等。 非线性（Nonlinearity）： 探讨高频器件（如晶体管）在高输入信号下的非线性效应，如谐波失真、互调失真，以及这些对信号质量的影响，并介绍线性化技术。 1.4 高频电路的构成与分类 本章将对高频电子线路的典型构成和常见分类进行系统介绍。 组成单元： 详细阐述构成高频电路的基本器件，包括高频晶体管（BJT, MOSFET, HEMT, HBT 等）的结构特点、在高频下的参数（如 fT, fmax）及其选择原则；高频电感、电容、电阻的选型与限制；以及其他关键元件如变压器、耦合器、功率分配器/合成器等。 电路类型： 振荡器（Oscillators）： 介绍产生高频信号的原理，包括LC振荡器、RC振荡器、石英晶体振荡器、压控振荡器（VCO）等，并重点分析其频率稳定性、相位噪声等关键指标。 放大器（Amplifiers）： 细分为低噪声放大器（LNA）、功率放大器（PA）、中频放大器（IF Amplifier）等，讲解不同类型放大器的设计目标、电路结构（如单级、多级、反馈式、前馈式）以及性能优化。 滤波器（Filters）： 介绍各种高频滤波器（低通、高通、带通、带阻）的类型（如巴特沃斯、切比雪夫、椭圆函数滤波器）、设计方法（如集总参数滤波器、分布式参数滤波器），以及其在信号选择和干扰抑制中的作用。 混频器（Mixers）： 阐述混频器实现频率变换的原理，介绍不同类型的混频器（如二极管混频器、场效应管混频器、平衡式混频器）及其性能指标（如变频损耗、本振泄漏）。 倍频器/分频器（Multipliers/Dividers）： 介绍实现频率倍增和分频功能的电路，以及其在频率综合器中的应用。 开关与调制器（Switches and Modulators）： 讲解高频开关电路（如SPDT, SPDT）以及实现幅度、频率、相位调制的电路。 耦合器与分配/合成器（Couplers and Power Dividers/Combiners）： 介绍用于信号分离、合并、方向耦合等功能的高频无源元件。 系统框图： 结合实际应用，展示典型的通信接收机和发射机的系统框图，分析各个高频功能模块是如何协同工作的。 第二章 高频晶体管特性与模型 2.1 双极型晶体管（BJT）在高频下的特性 本章将深入剖析双极型晶体管（BJT）在高频工作状态下的关键特性，以及这些特性如何影响其在高频电路中的应用。 结电容的影响： 详细阐述基极-发射极结电容（Cbe）和基极-集电极结电容（Cbc）在高频下的作用。分析Cbe如何影响晶体管的截止频率（fT），以及Cbc（米勒电容）如何在高频时引起反馈，放大输入电容，导致增益下降和稳定性问题。 载流子传输延迟： 解释载流子（电子或空穴）从发射区传输到集电区的过程所需的时间，以及这个延迟在高频下对晶体管开关速度和频率响应的影响。 高频参数： 重点介绍fT（特征频率）和fmax（最大振荡频率）这两个衡量BJT高频性能的关键参数。详细解释它们的物理意义、计算方法，以及影响它们的因素（如基极电流密度、掺杂浓度、结面积等）。 小信号模型： 介绍用于分析BJT在高频下线性工作的各种小信号等效电路模型。从经典的混合-π模型入手，详细解释每个参数（如gm, rπ, Cbe, Cbc, rce, ro）的物理含义，以及它们如何随频率和工作点变化。在此基础上，介绍更精细的模型，如包含寄生电阻和电感的模型，以更准确地描述器件在高频下的行为。 非线性特性： 简要回顾BJT的I-V特性曲线，并分析在高频大信号输入时，上述特性可能导致的非线性现象，为后续章节的非线性电路分析奠定基础。 2.2 场效应晶体管（FET）在高频下的特性 与BJT类似，本章也将详细分析场效应晶体管（FET），包括MOSFET和JFET，在高频工作时的独特性质。 栅极电容的影响： 重点分析栅极-源极电容（Cgs）和栅极-漏极电容（Cgd）对FET高频性能的影响。讨论Cgd（同样存在米勒效应）如何影响增益和稳定性，以及Cgs如何影响跨导（gm）的频率响应。 沟道长度调制与迁移率饱和： 解释在微小尺寸MOSFET中，由于沟道长度调制效应和载流子迁移率饱和现象，会对电流增益和跨导在高频下的行为产生怎样的影响。 高频参数： 介绍FET的fT（特征频率）和fmax（最大振荡频率），并分析它们与器件几何尺寸、栅极长度、掺杂浓度、以及材料性质之间的关系。 小信号模型： 介绍FET在高频下的各种小信号等效电路模型。从基本的跨导模型出发，逐步加入栅极漏电、栅漏电容、源极寄生电阻等参数，构成更完整的模型，用于精确的电路分析。特别关注MOSFET中的结电容和氧化层电容。 噪声特性： FET在高频应用中一个显著的优势是其低噪声性能。本章将初步探讨FET的噪声源，如热噪声、陷阱噪声等，以及它们如何影响低噪声放大器（LNA）的设计。 2.3 特殊高频器件介绍 (HEMT, HBT等) 为了满足更高频率、更高性能的需求，新型高频半导体器件应运而生。本章将对这些特殊器件进行介绍。 高电子迁移率晶体管（HEMT）： 重点介绍HEMT的工作原理，即利用不同半导体材料的能带不匹配形成二维电子气（2DEG），从而实现极高的电子迁移率。分析HEMT在高频下的优势，如极高的fT和fmax，较低的噪声系数，以及其在微波、毫米波通信和雷达系统中的广泛应用。 异质结双极晶体管（HBT）： 介绍HBT的结构，即在发射结和/或集电结区域使用两种不同的半导体材料，以提高晶体管的增益和频率响应。分析HBT在高频下的性能特点，如高增益、高输出功率，以及其在功率放大器等领域的应用。 其他新兴器件： 简要提及如SiGe BiCMOS、GaN（氮化镓）等材料在制备高性能高频器件中的重要性，以及它们为高频电子线路带来的新机遇。 2.4 高频器件模型与S参数 本章将深入讲解如何使用数学模型来精确描述高频器件的行为，并介绍在实际高频设计中至关重要的S参数。 S参数（Scattering Parameters）： 详细阐释S参数的定义、物理意义以及其在高频电路分析中的绝对重要性。讲解S参数是如何衡量信号在器件输入输出端口的散射情况，包括输入反射系数（S11）、输出反射系数（S22）、正向传输系数（S21）、反向传输系数（S12）。 S参数的测量与计算： 介绍S参数可以通过矢量网络分析仪（VNA）进行精确测量。同时，讲解如何基于器件的物理模型，通过计算得到S参数，以及如何在电路设计软件中使用S参数模型进行仿真。 S参数矩阵： 介绍如何将多端口器件的S参数表示成矩阵形式，并讲解如何利用S参数矩阵进行级联电路的分析，以及如何计算级联网络的整体S参数。 稳定性分析（K因子、Δ）： 基于S参数，深入讲解如何进行电路的稳定性分析。介绍K因子（K = (1-|S11|²-|S22|²+ |Δ|²)/(2|S12S21|)）和Δ（Δ = S11S22 - S12S21）等判据，并解释如何通过这些参数来判断电路是否会发生自激振荡。 增益与噪声系数（NF）： 讲解如何利用S参数计算电路的稳定增益（MAG, Gmax）以及如何在S参数模型中引入噪声参数，用于计算和优化电路的噪声系数。 Y参数、Z参数、H参数与S参数的转换： 简要介绍其他常用的电路参数（Y、Z、H参数），并给出它们与S参数之间的转换关系，以便在需要时进行不同模型的切换。 第三章 高频电路的匹配与传输线理论 3.1 阻抗匹配的概念与重要性 本章将深入阐述阻抗匹配在高频电子线路设计中的核心地位，以及为何精确的匹配是保证电路性能的关键。 最大功率传输定理： 回顾并详细讲解最大功率传输定理，即当负载阻抗与电源内阻共轭匹配时，电源能够向负载传输最大的功率。在高频电路中，这不仅意味着能量传输效率最高，也意味着信号能够最有效地被接收或传输。 反射系数与驻波比（VSWR）： 引入阻抗失配会导致信号反射的概念。定义反射系数（Γ），解释其幅度和相位如何表征反射的程度。进而定义驻波比（VSWR），阐述VSWR如何量化传输线上的电压（或电流）最大值与最小值之比，高VSWR表明存在严重的阻抗失配和能量损耗。 S参数与匹配： 重新审视S参数中的S11（输入反射系数）和S22（输出反射系数），它们直接反映了器件在特定端口的阻抗匹配情况。设计目标之一就是使S11和S22接近于零（即完美的匹配），从而最小化信号反射。 匹配网络的设计目标： 明确阻抗匹配的目标不仅仅是最大功率传输，还包括： 最小化信号反射： 确保信号能量有效地传输到下一级或负载。 最小化插入损耗： 匹配网络本身不应引入过多的信号衰减。 优化噪声性能： 在某些应用中，匹配网络的设计还需要考虑噪声系数的最优化。 提高稳定性： 良好的匹配有助于提高电路的稳定性，防止振荡。 3.2 史密斯圆图（Smith Chart）的应用 史密斯圆图是高频电路设计中不可或缺的图形化工具。本章将详细介绍其构造、使用方法以及在匹配设计中的强大功能。 史密斯圆图的构造： 讲解史密斯圆图的原理，它如何将复数阻抗（或导纳）映射到一个单位圆上。介绍圆图上的各个组成部分，如归一化电阻圆、归一化电抗圆（感性电抗和容性电抗）、中心点（代表匹配阻抗）、外圈（代表反射系数）。 在史密斯圆图上进行阻抗/导纳的表示： 演示如何将给定的阻抗（Z = R + jX）或导纳（Y = G + jB）在高频下进行归一化，并在圆图上找到对应的点。 反射系数的表示与计算： 讲解如何在史密斯圆图上表示和读取反射系数（Γ），以及如何通过 Γ = (Zl - Z0) / (Zl + Z0) （其中 Zl 为负载阻抗，Z0 为特性阻抗）的公式将其与阻抗联系起来。 在史密斯圆图上进行串联/并联计算： 演示如何利用史密斯圆图上的移动（如沿着传输线长度移动，或沿着电抗/电纳圆弧移动）来模拟串联或并联元件（电感、电容）对阻抗的影响。 匹配网络的构建： 这是史密斯圆图最重要的应用。我们将详细演示如何利用史密斯圆图来设计单节匹配网络（如使用L型匹配网络）和双节匹配网络（如使用π型或T型匹配网络），以实现从任意阻抗到目标阻抗（如50Ω）的匹配。将逐步讲解匹配设计中的步骤，包括选择匹配元件类型、确定匹配点、以及读取元件值。 VSWR的读取： 演示如何在史密斯圆图上直接读取驻波比（VSWR）。 3.3 传输线理论基础 在探讨高频电路时，将导线视为理想的集总元件不再可行。传输线理论成为理解信号传播和阻抗特性的关键。 集总元件模型与分布参数模型： 对比低频电路中的集总元件模型和高频电路中的分布参数模型。解释当电路尺寸与信号波长相当时，必须采用分布参数模型来描述信号的传播。 均匀传输线模型： 介绍均匀传输线的等效电路模型，包括其分布的电阻（R）、电感（L）、电导（G）和电容（C）。讲解这些参数如何影响信号的传播速度、衰减和特性阻抗。 特性阻抗（Characteristic Impedance, Z0）： 详细解释特性阻抗的定义，即在无限长传输线上，电压与电流的比值。推导其与传输线分布参数（Z0 = sqrt((R+jωL)/(G+jωC))）之间的关系。在高频集总参数电路中，通常会忽略R和G，此时Z0 ≈ sqrt(L/C)。重点强调Z0的意义，它与传输线的几何尺寸和介质材料相关，是信号传播的“固有属性”。 传播常数（Propagation Constant, γ）： 介绍传播常数 γ = α + jβ，其中α是衰减常数（单位长度的信号衰减），β是相位常数（单位长度的信号相位变化）。讲解它们与分布参数之间的关系。 行波与反射： 详细分析当传输线终端存在阻抗失配时，会产生反射波。区分正向行波和反向行波，并解释它们的叠加形成了驻波。 传输线方程： 介绍传输线方程（如 Telegrapher's Equations），以及如何通过求解这些方程来分析传输线上任意点的电压和电流。 3.4 常见的传输线类型及其应用 本章将介绍几种典型的高频传输线结构，及其在实际高频电路中的应用。 微带线（Microstrip Line）： 介绍微带线的结构（导体、介质、地平面），分析其特性阻抗的计算方法（依赖于导体宽度、介质厚度、介电常数），以及其在高频PCB（印刷电路板）设计中的应用。 带状线（Stripline）： 介绍带状线的结构（导体夹在两个地平面之间），分析其与微带线的区别，以及其在需要更好屏蔽和更可控阻抗的场合的应用。 同轴线（Coaxial Cable）： 介绍同轴线的结构（内导体、绝缘层、外导体），分析其低损耗、高阻抗（通常为50Ω或75Ω）和良好的屏蔽性能，及其在射频连接、天线馈线等方面的应用。 波导（Waveguide）： 介绍波导作为一种高频（通常是微波及以上）信号传输的空腔结构，解释其工作原理，以及其在大功率传输和高频仪器中的应用。 传输线作为匹配元件： 阐述如何利用有限长度的传输线（如短截线Stub、四分之一波长变换器 Quarter-wave Transformer）来构建匹配网络，特别是在高频应用中，有时使用传输线匹配比使用集总元件更方便、损耗更低。 第四章 高频放大器设计 4.1 放大器的分类与性能指标 本章将对高频放大器的基本类型进行划分，并深入剖析衡量其性能的关键指标。 按工作频率划分： 低噪声放大器（Low Noise Amplifier, LNA）： 专注于在信号的最前端，以最小的噪声来放大微弱信号，对噪声系数（NF）要求极高。 中频放大器（Intermediate Frequency Amplifier, IFA）： 工作在通信接收机的中频段，主要负责信号的放大和滤波，通常需要较高的增益和良好的线性度。 功率放大器（Power Amplifier, PA）： 负责将信号放大到足以驱动天线发射的功率水平，对输出功率、效率和线性度有严格要求。 按电路结构划分： 单级放大器： 结构简单，增益有限，但设计相对容易。 多级放大器： 通过级联多个放大级来提高总增益，需要考虑级间匹配和稳定性。 宽带放大器： 设计目标是覆盖较宽的频率范围，通常采用分布式放大器或Traveling-wave Amplifier等结构。 窄带放大器： 专注于特定频率或窄带宽信号的放大，结构可能更简单，但性能更优。 关键性能指标： 增益（Gain）： 包括电压增益、功率增益。在高频下，关注的是稳定增益（MAG）和最大可用增益（Gmax）。 噪声系数（Noise Figure, NF）： 衡量放大器引入的额外噪声与输入信号噪声之比，是LNA设计中最重要的指标。 线性度（Linearity）： 衡量放大器输出信号失真程度的指标，与输出功率的非线性行为有关。主要指标包括： 1dB压缩点（P1dB）： 输出功率下降1dB时的输入功率点，是衡量线性度的常用指标。 三阶互调失真截点（IP3）： 衡量两个强信号同时输入时，产生的三阶谐波产物相对于原始信号的功率水平。 稳定性（Stability）： 放大器能否在工作频率内不产生自激振荡，与器件参数和匹配网络设计密切相关。 效率（Efficiency）： 尤其对于功率放大器，指输出功率与直流电源消耗功率的比值，是衡量功率传输效率和散热设计的重要指标。 带宽（Bandwidth）： 放大器能够有效工作的频率范围。 4.2 单级放大器的设计 本章将从最基本的单级放大器入手，讲解其设计原理和步骤。 单管放大器结构： 以BJT或FET为基础，介绍经典的单管放大器电路结构，如共射、共集、共基（BJT），共源、共漏、共栅（FET）。分析不同结构在高频下的优缺点。 偏置电路设计： 讲解如何根据器件特性和所需工作点，设计合适的偏置电路，以保证器件在高频下的稳定工作。 输入/输出匹配网络设计： 这是单级放大器设计的核心。我们将详细介绍如何利用史密斯圆图或S参数，根据器件的S参数或h参数，设计输入匹配网络，以实现输入端与信号源（通常为50Ω）的最佳匹配（例如，使S11最小化），从而获得最大增益或最小噪声。同样，设计输出匹配网络，以实现输出端与负载（通常为50Ω）的最佳匹配。 噪声匹配与功率匹配： 区分LNA设计中的噪声匹配（目标是最小化噪声系数）和功率放大器设计中的功率匹配（目标是最大化输出功率）。解释在史密斯圆图上如何找到噪声最优匹配和功率最优匹配的点。 稳定性考虑： 在进行匹配设计时，必须同时考虑电路的稳定性。介绍如何通过调整匹配网络来改善器件的稳定性，例如利用串联电感或电阻。 4.3 多级放大器设计 当单级放大器的增益不足以满足要求时，需要采用多级放大器。 级联的基本原理： 介绍多级放大器的总增益是各级增益的乘积，总噪声系数是各级噪声系数的加权平均（第一级LNA的噪声对总噪声系数影响最大）。 级间匹配： 详细讨论相邻两级放大器之间的匹配问题。理想情况下，前一级的输出应与后一级的输入完全匹配。然而，实际设计中，需要在增益、噪声、稳定性和带宽之间进行权衡。 多级放大器的稳定性设计： 随着级数的增加，电路的整体稳定性问题变得更加复杂。需要考虑级联后的S参数，并进行整体的稳定性分析。 常见的级联结构： 串联反馈放大器： 利用串联反馈来提高输入阻抗和稳定性，但可能会降低增益。 并联反馈放大器： 利用并联反馈来降低输出阻抗和提高线性度，但可能会降低增益。 分布式放大器（Distributed Amplifier）： 一种特殊的宽带放大器结构，利用传输线将多个有源器件的输入和输出端连接起来，实现了宽带宽和高增益。 宽带放大器设计： 探讨宽带放大器设计的挑战，如如何实现整个宽频带内的良好匹配和稳定性。介绍一些宽带放大器的结构，如基于传输线特性的放大器。 4.4 功率放大器（PA）设计 功率放大器是实现无线通信发射功能的核心。 功率放大器的类型： A类、B类、AB类、C类功率放大器： 讲解不同类别的PA的导通角、工作特点、线性度和效率之间的权衡。A类效率最低但线性最好，C类效率最高但线性最差。AB类是常见的折衷方案。 D类、E类、F类（开关模式）功率放大器： 介绍这些高效率的开关模式PA，它们通过将有源器件当作开关来工作，大大提高了效率。 功率匹配： 功率放大器设计最关键的是功率匹配。目标是最大化输出功率，通常需要将晶体管的输出阻抗与负载阻抗进行匹配。 线性度问题与补偿技术： PA的非线性会产生谐波失真和互调失真，严重影响通信质量。本章将探讨这些非线性现象，并介绍一些线性化技术，如预失真（Pre-distortion）、后失真（Post-distortion）、反馈补偿等。 器件选择： 讨论不同类型功率器件（如LDMOS, GaAs HEMT, GaN HEMT）在高频大功率应用中的优劣势。 效率优化： 讲解如何通过选择合适的器件、优化偏置和匹配网络来提高PA的效率，减少功耗和散热需求。 第五章 高频振荡器设计 5.1 振荡器的工作原理 本章将深入剖析高频振荡器产生稳定信号的物理机制。 正反馈与振荡条件： 核心原理是引入正反馈。当一个有源电路（如放大器）的输出信号通过一个反馈网络，再送回到其输入端，并且满足一定的条件时，电路就会产生自激振荡。 Barkhausen准则： 详细介绍Barkhausen准则，即振荡器要稳定工作，必须满足两个条件： 1. 幅度条件： 环路增益的幅度等于1（|Aβ| = 1），其中A是有源器件的增益，β是反馈网络的传输系数。 2. 相位条件： 环路相移等于2πn（n为整数），即信号经过有源器件和反馈网络后，相位变化为整数倍的360度，从而形成正反馈。 有源器件与谐振回路： 解释振荡器通常由一个有源放大器件（如晶体管）和一个无源谐振回路（如LC回路、RC回路、晶体谐振器）组成。有源器件提供能量和增益，谐振回路决定振荡频率和提供相位反馈。 5.2 振荡器的类型与电路结构 本章将介绍几种常见的高频振荡器类型及其电路实现。 LC振荡器： Hartley振荡器： 利用电感分压原理实现反馈，谐振回路由两个串联电感和一个电容组成。 Colpitts振荡器： 利用电容分压原理实现反馈，谐振回路由两个串联电容和一个电感组成。 Clapp振荡器： 是Colpitts振荡器的一种改进，增加了一个串联电容以提高频率稳定性。 经济型振荡器（Common-emitter/Common-source Oscillators）： 利用放大器的寄生电容或额外的电容/电感实现反馈。 RC振荡器： 相移振荡器： 通过RC串并联网络提供180度相移，结合反相放大器实现正反馈。 Wien桥振荡器： 利用串联和并联的RC网络，在特定频率提供零相移和最大增益，适合于低频应用。 晶体振荡器（Crystal Oscillators）： 介绍石英晶体的压电效应，以及其作为高Q值谐振器的优越性。详细讨论晶体管与晶体构成的振荡器电路，以及其出色的频率稳定度，广泛应用于时钟信号和频率参考。 压控振荡器（Voltage-Controlled Oscillator, VCO）： 介绍VCO的工作原理，即通过改变控制电压来改变振荡频率。重点介绍电压可变电容（如变容二极管）或电感在LC振荡器中的应用，以及其在锁相环（PLL）和频率合成器中的关键作用。 微波振荡器： 简要介绍用于微波频段的振荡器，如微波介质谐振器振荡器、 Gunn二极管振荡器等。 5.3 振荡器的性能指标与优化 本章将聚焦于如何评估振荡器的性能，并讨论优化策略。 频率稳定度（Frequency Stability）： 短期稳定度： 描述振荡器输出频率随时间快速随机波动的情况，主要表现为相位噪声。 长期稳定度： 描述振荡器输出频率随时间缓慢漂移的现象，受温度、老化等因素影响。 相位噪声（Phase Noise）： 这是高频振荡器最关键的性能指标之一。详细解释相位噪声的定义（在载波频率附近，单位带宽内的噪声功率谱密度），以及它对通信系统（如信号调制解调）和雷达系统（如距离和速度测量精度）的严重影响。 调谐范围（Tuning Range）： 对于VCO，指其可调谐的频率范围。 输出功率（Output Power）： 振荡器输出信号的功率大小。 杂散输出（Spurious Outputs）： 指除基波频率外，振荡器输出的非期望频率的信号，会干扰其他信道。 优化策略： 提高Q值： 提高谐振回路的Q值是稳定频率和降低相位噪声的关键。 选择高稳定性器件： 使用高Q值的谐振器（如晶体、陶瓷谐振器、介质谐振器）和低噪声有源器件。 设计低噪声偏置电路： 减少偏置电路引入的噪声。 使用负阻抗匹配： 利用负阻抗匹配技术来补偿谐振回路的损耗，提高Q值。 环境控制： 对温度、湿度等环境因素进行控制，以提高长期频率稳定性。 第六章 高频滤波器的设计 6.1 滤波器的基本概念与类型 本章将从滤波器的基本原理出发，介绍其在高频电路中的作用和分类。 滤波器的作用： 滤波器的核心功能是允许特定频率范围的信号通过，同时衰减或阻挡其他频率的信号。在高频电路中，滤波器用于： 信号选择： 在通信接收机中，选择目标频道的信号，抑制邻道干扰。 噪声抑制： 滤除高频噪声，改善信号质量。 谐波抑制： 在功率放大器输出端，滤除由非线性引起的谐波分量。 频率变换： 在混频器中，滤波用于分离所需的中间频率信号。 理想滤波器与实际滤波器： 对比理想滤波器（具有陡峭的截止频率，无过渡带）和实际滤波器（存在过渡带，有插入损耗和阻带衰减）。 滤波器类型： 低通滤波器（Low-Pass Filter, LPF）： 允许低频信号通过，衰减高频信号。 高通滤波器（High-Pass Filter, HPF）： 允许高频信号通过，衰减低频信号。 带通滤波器（Band-Pass Filter, BPF）： 允许一个特定频带内的信号通过，衰减该频带外的信号。 带阻滤波器（Band-Stop Filter, BSF / Notch Filter）： 允许该频带外的信号通过，衰减该频带内的信号。 滤波器性能指标： 通带（Passband）： 允许信号通过的频率范围。 阻带（Stopband）： 阻止信号通过的频率范围。 截止频率（Cutoff Frequency）： 通带与阻带的分界点，通常定义为功率下降3dB时的频率。 插入损耗（Insertion Loss, IL）： 滤波器引入的信号衰减，定义为在通带内，未滤波信号功率与滤波后信号功率的比值。 回波损耗（Return Loss）： 反映了滤波器在特定频率下的匹配情况，回波损耗越高，匹配越好，反射越少。 选择性（Selectivity）： 衡量滤波器区分相邻信道的能力，取决于过渡带的陡峭程度。 阻带衰减（Stopband Attenuation）： 在阻带内，滤波器对信号的衰减程度。 6.2 集总参数滤波器设计 集总参数滤波器使用电感（L）和电容（C）等集总元件构建。 Lumped Element Filters vs. Distributed Element Filters： 解释集总参数滤波器适用于频率相对较低（通常低于几GHz）且对尺寸要求不严格的场合。当频率升高时，元件尺寸可能与波长相当，此时分布式参数滤波器更合适。 Butterworth滤波器： 介绍Butterworth滤波器的特性，其特点是在通带内具有最平坦的频率响应，过渡带相对较缓。 Chebyshev滤波器（Type I & Type II）： 介绍Chebyshev滤波器的特性。Type I Chebyshev滤波器在通带内有等幅波纹，过渡带比Butterworth滤波器更陡峭。Type II Chebyshev滤波器在阻带内有等幅波纹，通带内平坦。 Elliptic Filter（Cauer Filter）： 介绍Elliptic滤波器的特性，它在通带和阻带内都有等幅波纹，具有最陡峭的过渡带，但设计和分析相对复杂。 设计方法： 讲解如何根据滤波器类型、通带/阻带带宽、截止频率、以及允许的插入损耗等要求，查阅滤波器设计手册或使用设计软件，来确定滤波器各级L、C元件的数值。 低通到高通/带通/带阻的变换： 介绍如何通过低通原型滤波器，再经过频率变换，得到其他类型的滤波器。 6.3 分布式参数滤波器设计 当工作频率较高，集总元件不再适用时，就需要使用分布式参数滤波器。 基本原理： 分布式参数滤波器的基本构成单元是短的传输线，它们的长度通常是信号波长的一定比例（如四分之一波长、八分之一波长）。这些传输线的串联或并联组合，以及终端的加载，可以实现滤波功能。 短截线（Stub）滤波器： 开路短截线（Open-circuited Stub）： 行为上类似并联电容，其阻抗随频率变化。 短路短截线（Short-circuited Stub）： 行为上类似串联电感，其阻抗随频率变化。 设计思路： 通过合理设计短截线的长度和连接方式，可以构建带通、带阻等滤波器。 四分之一波长变换器（Quarter-wave Transformer）： 工作原理： 利用一个长度为四分之一波长的传输线，可以实现阻抗的变换。例如，一个Z0特性的四分之一波长传输线，其两端连接的阻抗Z1和Z2满足 Z1 = Z0²/Z2 。 应用： 常用于构建匹配网络，也可用于设计滤波器的极点/零点。 耦合线滤波器（Coupled-line Filters）： 利用平行耦合的传输线结构，可以实现高效的带通滤波功能，在微波电路中应用广泛。 谐振腔滤波器（Resonant Cavity Filters）： 对于更高的频率（毫米波等），可以使用微波谐振腔来实现滤波功能，具有高Q值和高功率处理能力。 设计软件应用： 现代分布式参数滤波器设计高度依赖于电磁仿真软件（如ADS, CST, HFSS），这些软件能够精确模拟传输线的电磁行为，并协助完成设计。 第七章 高频混合器设计 7.1 混合器的工作原理与应用 本章将深入探讨混合器作为频率变换核心元件的作用。 频率变换： 混合器的主要功能是将两个输入信号（通常称为本振信号 LO, Local Oscillator 和射频信号 RF, Radio Frequency）相乘，从而产生包含这两个信号的 sum 和 difference 频率分量，以及它们的谐波。 RF ± LO = IF (Intermediate Frequency) nRF ± mLO (where n, m are integers) 应用： 混合器是几乎所有现代通信接收机和发射机中的关键组成部分。 接收机： 将高频射频信号下变频（down-conversion）到一个较低的中频（IF），以方便后续的放大、滤波和解调。 发射机： 将中频信号上变频（up-conversion）到一个高频射频信号，以供天线发射。 频率合成器： 作为频率合成器的一部分，实现频率的灵活生成。 理想混合器与实际混合器： 理想混合器只产生目标IF分量，而实际混合器会产生多种不需要的频率分量，并引入损耗和噪声。 7.2 混合器的类型与电路结构 本章将介绍几种常见的混合器类型及其电路实现。 二极管混合器： 单平衡混频器（Single-Balanced Mixer）： 利用两个二极管，可以抑制本振信号（LO）的输出，但不能完全抑制射频信号（RF）的输出。 双平衡混频器（Double-Balanced Mixer）： 利用四个二极管（或肖特基二极管），可以同时抑制LO和RF信号的输出，并且通常具有更好的线性度和隔离度。这是最常用的一种结构。 工作原理： 二极管在LO信号的驱动下，交替地导通和截止，从而实现对RF信号的开关调制。 场效应管（FET）混合器： 工作原理： FET具有较高的跨导，其非线性特性（如平方律或平方律+立方律）可以用于混合。FET混合器通常比二极管混合器具有更好的线性度和更低的LO驱动功率。 常见结构： 如FET单端混频器、FET平衡混频器等。 其他类型混合器： 倍加平衡混频器（Image Rejection Mixer）： 能够同时抑制镜像频率（Image Frequency）的响应，简化了接收机前端的设计。 Lo/RF开关混合器（Lo/RF Switch Mixer）： 具有高隔离度，适用于需要严格LO/RF隔离的应用。 LO驱动功率： 讨论LO信号的驱动功率对混合器性能的影响，如LO驱动功率不足会导致性能下降，过高则会增加功耗和非线性。 7.3 混合器的性能指标与设计考虑 本章将聚焦于如何评估混合器的性能，并讨论设计过程中的关键因素。 变频损耗（Conversion Loss, CL）： 衡量混合器将RF信号转换为IF信号时的能量损耗。定义为IF输出功率与RF输入功率之比（dB）。 LO-IF 隔离度（LO-IF Isolation）： 衡量本振信号（LO）泄漏到中频输出（IF）端口的程度。隔离度越高越好。 RF-IF 隔离度（RF-IF Isolation）： 衡量射频信号（RF）泄漏到中频输出（IF）端口的程度。 LO-RF 隔离度（LO-RF Isolation）： 衡量本振信号（LO）泄漏到射频输入（RF）端口的程度。 三阶互调失真（Third-Order Intermodulation Distortion, IMD3）： 衡量两个强RF信号混合时产生的非线性产物，对于接收机的动态范围和邻道选择性至关重要。通常用IP3（三阶截点）来衡量。 噪声系数（Noise Figure, NF）： 尽管混合器本身并不放大信号，但它也会引入噪声。特别是对于LNA之后的混合器，其噪声对整体接收机性能有影响。 镜像频率抑制（Image Frequency Rejection）： 衡量混合器对镜像频率信号的抑制能力。 设计考虑： 器件选择： 根据应用需求选择合适的二极管、FET或IC混频器。 匹配设计： RF、LO和IF端口的匹配对混合器的性能至关重要，需要考虑在不同频率下的匹配。 LO驱动功率优化： 找到最佳的LO驱动功率，以平衡性能和功耗。 滤波器的应用： 在混合器输出端通常需要滤波器来滤除不需要的频率分量。 第八章 高频集成电路（MMIC）基础 8.1 MMIC概述与优势 本章将介绍微波集成电路（MMIC）这一高频电子技术的关键发展方向。 MMIC的定义： MMIC是将微波和毫米波频率范围内的各种电子元器件（如晶体管、电阻、电容、电感、传输线、匹配网络等）高度集成在一个单块半导体基片（如GaAs, InP, SiGe, GaN）上的电路。 MMIC的优势： 小型化与轻量化： 相较于分立元件电路，MMIC尺寸大大减小，有利于设备的小型化和便携性。 高性能： 集成度高，寄生参数极小，使得器件在高频下的性能更优异，信号损耗更低。 可靠性与一致性： 采用标准化的半导体工艺制造，保证了产品的一致性和可靠性，避免了分立元件装配引入的变量。 低功耗： 优化的设计和工艺可以实现较低的功耗。 批量生产成本效益： 虽然初期研发成本高，但一旦量产，单位成本较低。 MMIC的应用领域： 广泛应用于移动通信（手机、基站）、卫星通信、雷达、导航、电子战、高频测试仪器等各个领域。 8.2 MMIC的组成与设计流程 本章将阐述MMIC是如何被构建的，以及其设计过程。 常用半导体材料： 砷化镓（GaAs）： 电子迁移率高，适合制作高速、低噪声的微波器件，是MMIC常用的材料。 磷化铟（InP）： 电子迁移率更高，适用于更高频率（毫米波、太赫兹）的应用。 硅锗（SiGe）： 结合了硅工艺的成熟性和锗的优良高频特性，适用于高性能射频集成。 氮化镓（GaN）： 具有高击穿电压和高功率密度，非常适合制作高功率射频器件。 MMIC中的基本构成单元： 有源器件： HEMT、HBT、MESFET、MOSFET等。 无源器件： 集成电阻、电容、电感（通常是片上集成，但性能受限），以及利用传输线构建的匹配网络、耦合器等。 互连线： 导线、微带线、带状线等，它们本身具有寄生参数，需要仔细设计。 MMIC设计流程： 1. 系统需求分析： 明确电路的功能、性能指标（频率、增益、噪声、功率、线性度等）。 2. 电路拓扑设计： 选择合适的电路结构和有源器件。 3. 器件模型提取： 使用电磁仿真软件或测量获得精确的器件S参数模型。 4. 电路仿真与优化： 使用电路仿真软件（如ADS, Cadence）对整体电路进行仿真，并根据结果调整元件值和拓扑结构，以满足性能要求。 5. 版图设计（Layout）： 将电路图转化为物理版图，仔细考虑元件布局、互连线走向、屏蔽、接地等因素，以减小寄生效应和提高性能。 6. 电磁（EM）仿真： 对最终版图进行电磁仿真，以验证电路在物理实现后的性能，并发现和修正寄生效应带来的问题。 7. 流片与测试： 将设计文件提交给晶圆厂进行生产，并在收到芯片后进行严格的性能测试。 8. 回调/修改： 根据测试结果，进行必要的修改并重新设计（如果需要）。 8.3 MMIC设计中的挑战与考虑 本章将深入探讨MMIC设计过程中面临的独特挑战。 寄生效应： 即使在集成电路中，导线、过孔、元件之间的耦合等都会引入寄生电感和电容，在高频下影响电路性能，必须进行精确的电磁建模。 接地： 良好的接地是高频电路成功的关键。MMIC设计中需要采用多层接地、过孔接地等技术来保证信号完整性。 热设计： 功率器件在高功率工作时会产生大量热量，需要考虑散热问题，避免器件过热影响性能和寿命。 成本与工艺限制： MMIC的设计必须考虑所采用的半导体工艺的限制，如电感、电容等无源元件的精度和值域，以及器件的功耗。 建模的精度： MMIC的设计高度依赖于精确的器件模型和电磁仿真。模型的误差会直接影响最终芯片的性能。 集成度与功能： 如何在高密度集成的前提下，实现复杂的功能（如多通道、多功能集成）是设计的一个重要挑战。 第九章 高频系统设计基础 9.1 通信系统的基本框图与功能模块 本章将从宏观层面，介绍现代通信系统（如手机、基站、雷达）的典型框图，以及其中高频电路所扮演的关键角色。 接收机（Receiver）框图： 天线（Antenna）： 接收电磁波信号。 低噪声放大器（LNA）： 放大微弱接收信号，且噪声系数最低。 滤波器（Filter）： 抑制带外干扰。 混频器（Mixer）： 将接收信号下变频到中频（IF）或基带。 中频放大器（IFA）： 放大中频信号。 解调器（Demodulator）： 从IF信号中提取基带信息。 基带处理（Baseband Processing）： 对解调出的数字信号进行处理。 发射机（Transmitter）框图： 基带处理（Baseband Processing）： 生成数字信号。 调制器（Modulator）： 将基带信号调制到IF信号。 混频器（Mixer）： 将IF信号上变频到射频（RF）信号。 功率放大器（PA）： 将RF信号放大到足以驱动天线发射的功率。 滤波器（Filter）： 抑制PA产生的谐波和带外杂散信号。 天线（Antenna）： 发射电磁波信号。 频率综合器（Frequency Synthesizer）： 介绍频率综合器如何利用锁相环（PLL）技术，通过一个高精度参考振荡器，生成多个稳定、精确的射频信号（如LO信号），其在通信系统中至关重要。 9.2 系统设计中的关键问题 在设计一个完整的高频系统时，会遇到诸多相互关联的问题。 噪声系数（Noise Figure, NF）： 接收机的总噪声系数由各级器件的噪声系数加权决定（第一级LNA影响最大），需要在整个链路上进行优化。 动态范围（Dynamic Range）： 指接收机能够处理的最大信号功率与最小可检测信号功率之比。动态范围不足会导致强信号引起过载（失真），弱信号被噪声淹没。 线性度： 发射机PA的非线性会产生谐波和互调失真，影响信号质量和频谱效率。接收机混频器和放大器的非线性也会引入失真。 隔离度（Isolation）： 在发射机和接收机共存的系统中，需要考虑发射信号对接收机的干扰，即发射-接收隔离度。同时，LO信号与RF/IF信号之间的隔离度也很重要。 功耗与散热： 高频器件（尤其是PA）功耗较大，需要仔细设计电源管理和散热方案。 成本与体积： 在满足性能要求的前提下，需要考虑系统的成本和体积限制，这往往驱动着向MMIC等集成化方向发展。 信号完整性（Signal Integrity）： 在高速、高频信号传输过程中，需要考虑信号的波形失真、串扰、反射等问题，确保信号能够准确可靠地传输。 9.3 系统级仿真与调试 本章将介绍如何利用仿真工具和实际测试来验证和优化高频系统。 系统级仿真工具： 介绍一些常用的系统级仿真软件（如MATLAB, Simulink, Keysight ADS SystemVue），它们可以用来模拟整个通信链路的性能，包括信号的传输、调制、解调、噪声、失真等。 电路级仿真与版图后仿真： 在设计具体的MMIC或PCB时，会用到电路仿真软件（如ADS, Cadence Virtuoso），并且在完成版图后，还会进行电磁仿真（如CST, HFSS）来考虑寄生效应。 实际系统调试： 矢量网络分析仪（VNA）： 用于测量S参数，评估匹配、增益、隔离度等。 频谱分析仪（Spectrum Analyzer）： 用于测量信号的频谱特性，如频率、功率、带宽、谐波、杂散信号等。 信号发生器（Signal Generator）： 用于产生各种测试信号。 示波器（Oscilloscope）： 用于观察信号的时域波形。 噪声系数测量仪（Noise Figure Meter）： 用于测量电路的噪声系数。 迭代优化过程： 系统设计通常是一个迭代过程，通过仿真和测试发现问题，然后进行电路或版图的修改，再重新仿真和测试，直到满足设计要求。 第十章 高频电磁场与电磁兼容（EMC） 10.1 高频电磁场的基本概念 本章将介绍高频电磁场的基本理论，为理解高频信号的传播和辐射提供基础。 麦克斯韦方程组： 简要回顾并解释麦克斯韦方程组在高频电磁场中的核心作用，它描述了电场和磁场如何相互作用并随时间变化。 电磁波的产生与传播： 阐述变化的电场产生磁场，变化的磁场产生电场，这种相互激发的过程形成了电磁波，并能在空间中以光速传播。 电磁波的性质： 介绍电磁波的横波特性、能量传输特性、以及其在不同介质中的传播速度。 频率与波长关系： 强调波长（λ）与频率（f）的关系：λ = c/f，其中c为光速。解释当电路尺寸与波长相当时，必须考虑电磁场效应。 电场强度（E）、磁场强度（H）、电磁场能量密度： 定义这些基本量，以及它们在高频环境下的表现。 10.2 辐射与耦合 本章将深入探讨在高频电路设计中，电磁辐射和耦合是必须重视的问题。 电磁辐射（Electromagnetic Radiation）： 辐射源： 任何非理想的（例如，有阻抗失配的）高频电路，特别是高速变化的电流和电压，都可能成为电磁辐射源。常见的辐射源包括天线、互连线、PCB上的走线、器件引脚等。 辐射的危害： 辐射可能干扰其他电子设备，导致其工作失常，甚至造成数据错误。 辐射方向图： 描述了辐射源在不同方向上的辐射强度分布。 电磁耦合（Electromagnetic Coupling）： 互感与互容耦合： 两个或多个靠近的导体（如PCB上的走线、电缆）之间，会通过磁场（互感）和电场（互容）发生能量的传递，这种现象称为电磁耦合。 串扰（Crosstalk）： 是电磁耦合的一种表现，指一个信号传输线上的信号耦合到另一个信号传输线，导致目标信号受到干扰。 影响： 串扰会降低信号质量，可能导致时序错误和数据损坏。 电磁屏蔽（Electromagnetic Shielding）： 目的： 通过使用导电材料（如金属外壳、屏蔽罩、屏蔽层）来阻挡电磁波的传播，以防止辐射的产生或外部电磁场的干扰。 屏蔽的原理： 利用导体的反射和吸收作用来衰减电磁波。 屏蔽的类型： 如金属外壳、屏蔽电缆、PCB上的接地层和屏蔽走线等。 10.3 电磁兼容（EMC）设计原则 电磁兼容（EMC）是指电子设备在电磁环境中正常工作的能力，不受电磁干扰（EMI）影响，也不对周围环境产生过多的电磁干扰。 EMI（Electromagnetic Interference）： 电子设备产生的电磁干扰。 EMS（Electromagnetic Susceptibility）： 电子设备对电磁干扰的敏感度。 EMC设计的目标： 降低设备的EMI，提高其EMS。 EMI/EMC问题的根源： 不佳的接地： 差的接地是导致EMI和EMC问题的常见原因。 高速信号： 高速信号的上升/下降沿产生丰富的谐波，更容易辐射。 阻抗失配： 导致信号反射和能量损耗。 电缆耦合： 电缆容易成为天线，辐射和接收干扰。 不良的布局： 不合理的元器件布局和走线容易产生串扰和辐射。 EMC设计实践： PCB布局与布线： 良好的接地： 使用大面积的接地层，尽量减少接地回路。 信号层与接地层交替： 保证信号完整性，减小串扰。 紧耦合： 将高速信号线与参考平面（接地层）紧密耦合。 避免平行走线： 减少串扰。 短走线： 尽量缩短高速信号的走线长度。 滤波： 在电源线、信号线入口处使用滤波器，滤除干扰信号。 屏蔽： 对敏感电路或潜在辐射源进行屏蔽。 接地策略： 统一接地，避免地弹。 选择合适的元器件： 如使用低寄生参数的电容、电感。 电源去耦： 在每个集成电路电源引脚附近放置去耦电容，提供稳定的电源。 10.4 电磁场仿真在EMC设计中的应用 随着计算能力的提升，电磁场仿真已成为EMC设计的重要工具。 仿真软件： 如CST Studio Suite, Ansys HFSS, Keysight EMPro等。 仿真目的： 预测辐射发射： 模拟电路或设备的电磁辐射强度，判断是否符合标准。 评估敏感度： 模拟设备对外部电磁场的响应，判断其抗干扰能力。 定位干扰源： 通过仿真分析，找出电路中的潜在辐射源和耦合路径。 验证屏蔽和滤波效果： 评估屏蔽罩、滤波器等EMC措施的有效性。 优化设计： 在设计早期进行仿真，可以及时发现和解决EMC问题，避免后期昂贵的修改。 仿真流程： 建立电路模型（包括PCB版图、元器件、外壳等），设置仿真参数，运行仿真，分析仿真结果（如场分布、端口S参数、辐射方向图等）。 第十一章 高频电子线路的应用实例 11.1 无线通信系统中的高频电路 本章将结合实际应用，展示高频电子线路在现代无线通信系统中的重要作用。 手机（移动终端）： 射频前端（RF Front-end）： 包括LNA、PA、滤波器、开关、混频器等，负责信号的接收和发射。 基带与射频之间的接口： 混频器将射频信号下变频到中频或基带，调制器将基带信号调制到射频。 天线开关： 实现天线在发射和接收模式间的切换。 功耗管理： PA的功耗是手机耗电的主要部分，对PA的效率要求极高。 基站（Base Station）： 复杂的接收机和发射机链： 需要处理大量的信道和高功率发射。 高性能滤波器： 用于抑制大量的邻道干扰，确保信号质量。 高功率PA： 需要将信号放大到足够大的功率。 频率合成器： 生成多个精确的LO信号。 大量的MMIC应用： 为了实现小型化、高性能和低成本，基站大量使用MMIC。 Wi-Fi与蓝牙设备： 高频振荡器： 提供稳定的载波频率。 低功耗LNA和PA： 兼顾性能和电池续航。 RF开关： 实现多天线、多频段的切换。 11.2 雷达系统中的高频电路 雷达是另一个高频电子技术高度集中的应用领域。 发射机： 高功率振荡器/放大器： 如固态PA、TWT（行波管）等，产生强大的脉冲射频信号。 脉冲形成电路： 控制发射脉冲的宽度和间隔。 接收机： 高灵敏度LNA： 接收反射回来的微弱回波信号。 混频器： 将回波信号下变频到中频。 脉冲压缩技术： 利用特殊的调制和滤波技术，提高雷达的分辨率和探测距离。 信号处理： 高频ADC/DAC： 对接收到的模拟信号进行数字化，对发射信号进行数模转换。 数字信号处理器（DSP）： 对数字化的雷达信号进行处理，提取目标信息（距离、速度、角度）。 频率捷变： 通过快速改变发射频率，提高雷达的抗干扰能力和性能。 11.3 卫星通信与导航系统中的高频电路 卫星通信： 上/下变频器： 完成频率的转换，适应卫星链路的传输。 大功率PA： 用于卫星发射信号，克服传输损耗。 低噪声放大器（LNA）： 接收卫星发来的微弱信号。 天线波束形成网络： 通过控制多个天线单元的激励，实现对特定方向的信号聚焦。 全球定位系统（GPS/GNSS）： 低功耗接收机： 接收来自多颗卫星的微弱信号。 高精度振荡器： 提供精确的时间基准。 射频前端： 包括LNA、混频器、滤波器，用于处理卫星信号。 11.4 其他高频电子线路应用 射频识别（RFID）系统： 芯片天线： 集成在标签中。 低功耗RF收发器： 用于标签和读写器之间的数据通信。 医疗诊断设备： 超声成像： 利用高频超声波进行成像。 MRI（磁共振成像）： 利用射频脉冲激发人体原子核。 科学仪器： 网络分析仪、频谱分析仪等测试仪器。 高频实验设备。 第十二章 高频电子线路设计软件与仿真工具 12.1 常用电路仿真软件介绍 本章将介绍目前在高频电子线路设计领域广泛使用的仿真软件。 Keysight ADS (Advanced Design System)： 功能： 一款功能强大的射频和微波电路设计仿真软件，涵盖了从原理图输入、版图设计、电磁仿真到系统级仿真的全过程。 优势： 拥有丰富的模型库（包括器件模型、S参数模型）、强大的仿真器（如Harmonic Balance, Transient, S-parameter），以及与EMC仿真工具的良好集成。广泛应用于MMIC、PCB、射频模块等的设计。 Cadence Virtuoso & SpectreRF： 功能： Cadence是集成电路设计领域的领导者，其Virtuoso平台提供了完整的IC设计流程，SpectreRF是其射频仿真引擎。 优势： 特别擅长于复杂IC的设计，与布局（Layout）工具紧密结合，适用于MMIC和RFIC的设计。 NI Multisim / LabVIEW： 功能： Multisim是一款电路仿真软件，LabVIEW则是一种图形化编程语言，常用于测试测量系统的开发和控制。 优势： Multisim适合基础的电路教学和验证，LabVIEW可以与高频测试仪器联动，进行系统级的仿真和实时控制。 S PICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis)： 功能： 最早的电路仿真器之一，虽然原生SPICE对高频应用支持有限，但其变种和商业化版本（如LTspice）在模拟电路仿真中仍然非常流行。 优势： 免费，易于上手，适合对集总参数电路进行瞬态和直流分析。 12.2 电磁场（EM）仿真软件介绍 对于高频电路，尤其是MMIC和PCB设计，电磁场仿真对于考虑寄生效应和预测真实性能至关重要。 CST Studio Suite (Computer Simulation Technology)： 功能： 一款全面的电磁场仿真软件套件，提供多种仿真方法（如时域有限差分法 TDFD, 有限元法 FEM, 积分方程法 IE），适用于天线设计、PCB分析、EMC/EMI分析、高频器件建模等。 优势： 仿真精度高，适应性广，能够处理复杂的几何结构。 Ansys HFSS (High Frequency Structure Simulator)： 功能： 以有限元法（FEM）为核心的电磁场仿真软件，广泛应用于微波器件、天线、PCB、连接器、EMC等领域。 优势： 在处理复杂三维结构和高频问题方面表现出色，结果精度高。 Keysight EMPro： 功能： Keysight提供的三维电磁场仿真平台，可以与ADS等电路仿真软件无缝集成，进行版图后仿真，验证电路的EM性能。 优势： 与Keysight的电路仿真工具协同工作，方便了射频和微波电路的设计流程。 12.3 仿真工具的应用流程与技巧 本章将指导读者如何有效地利用仿真工具来完成高频电子线路的设计。 建立模型： 原理图输入： 在电路仿真软件中，使用元件库搭建电路原理图。 版图绘制： 在版图编辑器中，根据电路设计绘制物理版图，包括元器件位置、互连线、过孔、接地层等。 几何模型创建： 在EM仿真软件中，创建电路的三维几何模型，精确表示PCB、金属走线、封装等结构。 导入S参数模型： 对于无法精确仿真的复杂器件（如MMIC芯片），可以直接使用厂家提供的S参数文件进行电路级仿真。 设置仿真参数： 仿真类型： 选择瞬态仿真、S参数仿真、谐波平衡仿真、瞬态EM仿真、频域EM仿真等。 频率范围： 根据电路工作频率设定仿真频率范围。 网格划分（EM仿真）： 根据几何结构和仿真要求，合理划分网格，以平衡精度和计算时间。 运行仿真与分析结果： 查看S参数图： 分析输入/输出回波损耗（S11, S22），增益（S21），隔离度（S12）。 查看瞬态波形： 分析信号的时域行为，如上升/下降时间、过冲、振铃。 查看谐波平衡结果： 分析非线性电路的输出功率、谐波成分、互调产物。 查看EM仿真结果： 分析电场、磁场分布，计算辐射强度，找出潜在的EMI源。 设计迭代与优化： 根据仿真结果，调整电路参数、版图布局、接地方式等，重新仿真，直至满足设计要求。 后仿真（Post-Layout Simulation）： 在完成版图设计后，进行电磁仿真，并将仿真结果（如寄生参数）导入到电路仿真中，以更准确地预测实际性能。 技巧： 从简单模型开始： 先用集总元件模型仿真，验证基本功能，再逐步加入分布参数效应。 利用参数扫描： 扫描关键参数，研究其对电路性能的影响。 一致的测量和仿真： 努力使测量结果与仿真结果尽可能一致，以验证模型的准确性。 了解仿真方法的局限性： 知道不同仿真方法（如时域、频域）的适用范围和精度。 第十三章 新兴高频电子技术与未来展望 13.1 毫米波与太赫兹技术 本章将介绍当前最前沿的高频技术领域。 毫米波（Millimeter-wave, mmWave）： 工作频率在30 GHz到300 GHz之间。 应用： 5G/6G通信（高带宽、低时延）、雷达（高分辨率、小尺寸）、成像（安检、医疗）、高速数据传输。 挑战： 信号衰减大（大气吸收、雨衰）、传播距离短、元件损耗高、设计和制造难度大。 关键技术： 高性能MMIC（GaN, InP HEMT）、先进的封装技术、新型天线设计（如相控阵天线）、低损耗传输线和连接器。 太赫兹（Terahertz, THz）： 工作频率在0.1 THz到10 THz之间。 应用： 安全成像（穿透衣物、包装）、物质成分分析（光谱学）、高速通信（极高带宽）、天文学观测。 挑战： 器件和系统制造极其困难，信号衰减剧烈，产生和探测效率低。 关键技术： 新型THz源（如自由电子激光器、量子级联激光器）、THz探测器、THz材料科学、THz波导和光学器件。 13.2 软件定义无线电（SDR）与可重构高频电路 SDR概念： 将传统的硬件模拟电路功能（如调制、解调、滤波）通过软件来实现，提高系统的灵活性和可升级性。 在高频领域的SDR： ADC/DAC性能提升： 随着高速、高分辨率ADC/DAC的发展，越来越多的信号处理可以在数字域完成。 FPGA与ASIC在RF前端的应用： 利用FPGA实现数字基带信号处理，并与RF前端的ADC/DAC配合。 可重构射频电路： 利用可变电容、可编程滤波器等实现射频电路的重构，适应不同的通信标准和环境。 优势： 快速部署新标准、升级现有设备、适应复杂的通信环境。 13.3 5G/6G通信技术中的高频应用 5G NR（New Radio）： 引入了新的频段，包括Sub-6 GHz和毫米波（FR1和FR2）。 毫米波的应用： 解决5G网络容量和速度的瓶颈，需要大量高频MMIC、相控阵天线和波束赋形技术。 6G展望： 更高频段： 可能向毫米波更高频段，甚至太赫兹频段探索。 天地一体化通信： 整合地面、卫星、无人机等通信网络。 AI赋能的通信： 利用人工智能优化高频信号的传输、处理和资源分配。 全息通信、感知通信等新应用。 13.4 高频电子线路未来的发展趋势 更高集成度： 推动RFCMOS、SiGe BiCMOS等工艺的发展，实现更多功能在单个芯片上的集成，降低成本，提高性能。 更高的频率： 持续向毫米波、太赫兹频段拓展，以满足对带宽和数据速率的无止境需求。 更低的功耗： 随着物联网（IoT）、可穿戴设备的发展，对低功耗高频电路的需求日益增长。 智能化的设计与优化： 利用机器学习和人工智能技术，辅助高频电路的设计、仿真和优化，提高设计效率和性能。 新材料与新器件： 如二维材料（石墨烯）、拓扑材料等在未来高频器件中的应用潜力。 宽带隙半导体（GaN, SiC）： 在高功率、高频率应用中继续发挥重要作用。 总结 高频电子线路是现代电子信息技术的核心支撑，其应用遍及通信、雷达、导航、测试测量等众多领域。从理解器件在高频下的特性，到掌握传输线理论和匹配技术，再到学习放大器、振荡器、混频器、滤波器等关键功能模块的设计，直至掌握MMIC的设计流程和EMC原则，本书力求为读者提供一个系统、深入的学习路径。随着技术的不断进步，特别是毫米波、太赫兹以及智能技术的融合，高频电子线路的未来充满了无限可能，将继续驱动着信息时代的飞速发展。

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这本《高频电子线路》（莫怀忠，第二版）的封面设计非常吸引人，采用了一种沉稳而专业的蓝色调，搭配白色的字体，简洁大方，给人一种严谨可靠的学术书籍的质感。纸张的触感也相当不错，厚实而略带哑光，翻阅时不会产生刺眼的反光，长时间阅读也不会感到疲劳。书脊的装订非常牢固，即使经常翻阅，也不必担心书页脱落，这对于一本会经常被查阅的专业书籍来说，是至关重要的。内容排版也十分清晰，章节划分合理，公式和图表的标注清晰易懂，每一个细节都体现了出版方对这本书的用心。我迫不及待地想深入其中，去探索高频电子线路的奥秘，相信它会为我的学习和研究提供坚实的基础和宝贵的参考。

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这本书的章节结构安排得非常巧妙，循序渐进，非常适合我这样需要系统学习高频电子线路知识的读者。刚开始的部分，从高频下电阻、电感、电容的寄生效应以及场效应管、双极型晶体管在高频下的模型分析入手，为后续更复杂的电路分析打下了坚实的基础。然后逐步过渡到高频放大器的设计，包括各种反馈组态在高频应用下的选择和分析，以及稳定性问题。接着是振荡器的原理和设计，各种振荡器类型，如LC振荡器、RC振荡器、晶体振荡器等，都进行了详细的阐述。最后，对于现代通信系统至关重要的滤波器设计和传输线理论，也进行了深入的探讨。这种逻辑清晰、层层递进的编排方式，让我在学习过程中，能够逐步建立起完整的知识体系，理解各个概念之间的内在联系，而不是孤立地记忆。

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说实话，拿到这本书的时候，我有点被它厚实的体量给震撼到了。莫怀忠教授的这本《高频电子线路》第二版，内容可谓是相当充实。从目录上看，涵盖了高频电路设计中几乎所有重要的环节，从基本的元器件在高频下的特性分析，到复杂的放大器、振荡器、滤波器设计，再到现代通信系统中必不可少的高频传输线理论和阻抗匹配技术，几乎面面俱到。其中关于微带线和带状线等结构在高频信号传输中的行为分析，以及如何利用史密斯圆图进行精确的阻抗匹配，这些内容对我来说尤其具有吸引力，因为这些是实际工程设计中经常会遇到的难点。这本书的理论深度和广度都让我感到满意，它不仅仅是理论的堆砌，更注重与实际应用的结合，这正是我们这些学习者所期盼的。

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我一直对高频电子线路这个领域充满好奇，但总觉得理论知识过于抽象，难以与实际联系起来。莫怀忠教授的这本《高频电子线路》（第二版）恰恰弥补了这一点。书中大量的实例分析和图示，让那些复杂的理论公式和概念变得生动起来。例如，在讲解阻抗匹配时，书中不仅给出了理论推导，还结合实际的PCB板走线、射频连接器等器件，分析了在高频电路中阻抗不匹配可能带来的损耗和信号失真，并提供了具体的解决方案。我尤其喜欢书中使用史密斯圆图来解决阻抗匹配问题的部分，通过清晰的图例和步骤，即使是初学者也能很快掌握这项重要的技能。这样的讲解方式，极大地降低了学习的门槛，也让我在理论学习的同时，能够感受到实际工程的魅力。