高頻電子綫路(莫懷忠)(二版) 莫懷忠 9787122084354 pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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莫懷忠 著

圖書標籤:

• 電子綫路
• 高頻電路
• 射頻電路
• 模擬電路
• 電路分析
• 微波技術
• 通信工程
• 電子工程
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齣版社： 化學工業齣版社

ISBN：9787122084354

商品編碼：29228212295

包裝：平裝

齣版時間：2010-08-01

基本信息

書名：高頻電子綫路(莫懷忠)(二版)

定價：24.00元

作者：莫懷忠

齣版社：化學工業齣版社

齣版日期：2010-08-01

ISBN：9787122084354

字數：

頁碼：

版次：2

裝幀：平裝

開本：16開

商品重量：0.322kg

編輯推薦

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內容提要

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本書為教育部高職高專規劃教材。全書由無綫電通信係統組成的基本原理，高頻小信號放大器，高頻功率放大器，正弦波振蕩器，頻率變換與集成模擬乘法器，調幅、檢波與混頻電路，調角與解調，反饋控製電路，實驗與實訓等章節組成。
本書根據高職高專學生的特點，重點放在講清基本電路的物理本質和分析方法上，注意培養學生對電路基本工作原理的理解及分析能力。在附錄部分指導學生利用Multisim 8電路仿真軟件對各章節相應的電路進行性能分析和結論驗證，並給齣瞭兩種方案的實訓課題。
本書可作為高職高專院校電子信息工程、通信工程等專業的教材，也可供電子類相關專業的學生使用和相關專業的工程技術人員參考。

目錄

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緒論
章　高頻小信號放大器
　節　晶體管高頻等效電路
　第二節　寬帶放大器的特點和分析方法
　第三節　擴展放大器通頻帶的方法
　第四節　小信號諧振放大器的分類和主要性能指標
　第五節　單調諧放大器
　第六節　影響放大器的穩定性及其解決方法
　第七節　集成中頻放大器
　本章小結
　習題一
第二章　高頻功率放大器
　節　概述
　第二節　丙類諧振功率放大器的工作原理
　第三節　丙類諧振功率放大器的性能分析
　第四節　丙類諧振功率放大器電路
　第五節　寬帶高頻功率放大器
　第六節　丙類諧振倍頻器
　本章小結
　習題二
第三章　正弦波振蕩器
　節　概述
　第二節　反饋式正弦波振蕩器的工作原理
　第三節　LC正弦波振蕩器
　第四節　石英晶體振蕩器
　第五節　RC振蕩器
　本章小結
　習題三
第四章　頻率變換與集成模擬乘法器
　節　概述
　第二節　利用非綫性器件進行頻率變換
　第三節　模擬乘法器及其應用
　本章小結
　習題四
第五章　調幅、檢波與混頻電路
　節　調製概述
　第二節　調幅波的性質
　第三節　調幅電路
　第四節　檢波器
　第五節　混頻電路
　本章小結
　習題五
第六章　調角與解調
　節　概述
　第二節　調頻電路
　第三節　鑒頻器
　本章小結
　習題六
第七章　反饋控製電路
　節　概述
　第二節　自動增益控製(AGC)電路
　第三節　自動頻率控製(AFC)電路
　第四節　鎖相環路(PLL)
　本章小結
　習題七
附錄　實驗與實訓
　部分實驗
　第二部分實訓
參考文獻

作者介紹

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文摘

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序言

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高頻電子綫路 第一章 緒論 1.1 高頻電子綫路概述 本章將深入探討高頻電子綫路在現代電子技術中的地位與作用，闡述其基本概念、特點以及與其他電子綫路的區彆。我們將從微波、無綫通信、雷達、導航、以及現代電子信息係統中高頻電路所扮演的關鍵角色齣發，分析其在信號傳輸、處理、發射和接收等方麵不可替代的功能。內容將涵蓋高頻信號的傳播特性，例如趨膚效應、鄰近效應，以及其對電路設計的影響。同時，我們將初步介紹高頻電路設計所麵臨的挑戰，如寄生參數的影響、阻抗匹配的重要性、以及信號完整性問題。 1.2 高頻電子綫路發展簡史與趨勢 追溯高頻電子綫路的發展曆程，從早期無綫電技術的萌芽，到真空管時代的輝煌，再到晶體管和集成電路的革命性突破，直至今日大規模集成電路和微電子機械係統（MEMS）在高頻領域的應用，本章將勾勒齣一幅波瀾壯闊的技術演進圖景。我們將重點關注每一次技術飛躍如何改變瞭高頻電路的設計理念和實現手段，例如從分立元件到集成器件的轉變，從粗略設計到精確建模的提升。此外，還將展望高頻電子綫路的未來發展趨勢，包括更高頻率（毫米波、太赫茲）、更小尺寸、更低功耗、更高集成度、以及智能化的設計與應用方嚮，如5G/6G通信、物聯網（IoT）、自動駕駛、以及高性能計算等領域的需求如何驅動著高頻技術的持續創新。 1.3 高頻電子綫路的基本概念 本章將係統梳理構成高頻電子綫路的基礎概念。我們將詳細解釋“高頻”的定義及其與工作頻率的關係，並區分低頻、射頻（RF）和微波等不同頻段的特點。核心內容將圍繞高頻電路設計中至關重要的參數展開，包括： 阻抗（Impedance）： 詳細闡述電阻、電容、電感在高頻下的復阻抗特性，以及為什麼低頻的純阻性電路在高頻下會呈現齣電抗特性。我們將介紹復數阻抗錶示法（Z = R + jX）以及其在電路分析中的應用。 增益（Gain）： 定義電壓增益、電流增益、功率增益，並探討在高頻下如何準確衡量和優化增益，避免增益下降或振蕩。 噪聲（Noise）： 分析熱噪聲、散彈噪聲、閃爍噪聲等在高頻電路中的産生機製和影響，以及低噪聲放大器（LNA）的設計原則。 帶寬（Bandwidth）： 闡釋帶寬的定義及其在高頻通信和信號處理中的重要性，包括 -3dB 帶寬的概念，以及如何設計具有特定帶寬的濾波器。 穩定性（Stability）： 解釋在高頻放大電路中可能齣現的自激振蕩現象，介紹穩定性判據（如 |S21|² / |S11|² < 1），以及提高電路穩定性的方法，如串聯負阻抗、增加負反饋等。 非綫性（Nonlinearity）： 探討高頻器件（如晶體管）在高輸入信號下的非綫性效應，如諧波失真、互調失真，以及這些對信號質量的影響，並介紹綫性化技術。 1.4 高頻電路的構成與分類 本章將對高頻電子綫路的典型構成和常見分類進行係統介紹。 組成單元： 詳細闡述構成高頻電路的基本器件，包括高頻晶體管（BJT, MOSFET, HEMT, HBT 等）的結構特點、在高頻下的參數（如 fT, fmax）及其選擇原則；高頻電感、電容、電阻的選型與限製；以及其他關鍵元件如變壓器、耦閤器、功率分配器/閤成器等。 電路類型： 振蕩器（Oscillators）： 介紹産生高頻信號的原理，包括LC振蕩器、RC振蕩器、石英晶體振蕩器、壓控振蕩器（VCO）等，並重點分析其頻率穩定性、相位噪聲等關鍵指標。 放大器（Amplifiers）： 細分為低噪聲放大器（LNA）、功率放大器（PA）、中頻放大器（IF Amplifier）等，講解不同類型放大器的設計目標、電路結構（如單級、多級、反饋式、前饋式）以及性能優化。 濾波器（Filters）： 介紹各種高頻濾波器（低通、高通、帶通、帶阻）的類型（如巴特沃斯、切比雪夫、橢圓函數濾波器）、設計方法（如集總參數濾波器、分布式參數濾波器），以及其在信號選擇和乾擾抑製中的作用。 混頻器（Mixers）： 闡述混頻器實現頻率變換的原理，介紹不同類型的混頻器（如二極管混頻器、場效應管混頻器、平衡式混頻器）及其性能指標（如變頻損耗、本振泄漏）。 倍頻器/分頻器（Multipliers/Dividers）： 介紹實現頻率倍增和分頻功能的電路，以及其在頻率綜閤器中的應用。 開關與調製器（Switches and Modulators）： 講解高頻開關電路（如SPDT, SPDT）以及實現幅度、頻率、相位調製的電路。 耦閤器與分配/閤成器（Couplers and Power Dividers/Combiners）： 介紹用於信號分離、閤並、方嚮耦閤等功能的高頻無源元件。 係統框圖： 結閤實際應用，展示典型的通信接收機和發射機的係統框圖，分析各個高頻功能模塊是如何協同工作的。 第二章 高頻晶體管特性與模型 2.1 雙極型晶體管（BJT）在高頻下的特性 本章將深入剖析雙極型晶體管（BJT）在高頻工作狀態下的關鍵特性，以及這些特性如何影響其在高頻電路中的應用。 結電容的影響： 詳細闡述基極-發射極結電容（Cbe）和基極-集電極結電容（Cbc）在高頻下的作用。分析Cbe如何影響晶體管的截止頻率（fT），以及Cbc（米勒電容）如何在高頻時引起反饋，放大輸入電容，導緻增益下降和穩定性問題。 載流子傳輸延遲： 解釋載流子（電子或空穴）從發射區傳輸到集電區的過程所需的時間，以及這個延遲在高頻下對晶體管開關速度和頻率響應的影響。 高頻參數： 重點介紹fT（特徵頻率）和fmax（最大振蕩頻率）這兩個衡量BJT高頻性能的關鍵參數。詳細解釋它們的物理意義、計算方法，以及影響它們的因素（如基極電流密度、摻雜濃度、結麵積等）。 小信號模型： 介紹用於分析BJT在高頻下綫性工作的各種小信號等效電路模型。從經典的混閤-π模型入手，詳細解釋每個參數（如gm, rπ, Cbe, Cbc, rce, ro）的物理含義，以及它們如何隨頻率和工作點變化。在此基礎上，介紹更精細的模型，如包含寄生電阻和電感的模型，以更準確地描述器件在高頻下的行為。 非綫性特性： 簡要迴顧BJT的I-V特性麯綫，並分析在高頻大信號輸入時，上述特性可能導緻的非綫性現象，為後續章節的非綫性電路分析奠定基礎。 2.2 場效應晶體管（FET）在高頻下的特性 與BJT類似，本章也將詳細分析場效應晶體管（FET），包括MOSFET和JFET，在高頻工作時的獨特性質。 柵極電容的影響： 重點分析柵極-源極電容（Cgs）和柵極-漏極電容（Cgd）對FET高頻性能的影響。討論Cgd（同樣存在米勒效應）如何影響增益和穩定性，以及Cgs如何影響跨導（gm）的頻率響應。 溝道長度調製與遷移率飽和： 解釋在微小尺寸MOSFET中，由於溝道長度調製效應和載流子遷移率飽和現象，會對電流增益和跨導在高頻下的行為産生怎樣的影響。 高頻參數： 介紹FET的fT（特徵頻率）和fmax（最大振蕩頻率），並分析它們與器件幾何尺寸、柵極長度、摻雜濃度、以及材料性質之間的關係。 小信號模型： 介紹FET在高頻下的各種小信號等效電路模型。從基本的跨導模型齣發，逐步加入柵極漏電、柵漏電容、源極寄生電阻等參數，構成更完整的模型，用於精確的電路分析。特彆關注MOSFET中的結電容和氧化層電容。 噪聲特性： FET在高頻應用中一個顯著的優勢是其低噪聲性能。本章將初步探討FET的噪聲源，如熱噪聲、陷阱噪聲等，以及它們如何影響低噪聲放大器（LNA）的設計。 2.3 特殊高頻器件介紹 (HEMT, HBT等) 為瞭滿足更高頻率、更高性能的需求，新型高頻半導體器件應運而生。本章將對這些特殊器件進行介紹。 高電子遷移率晶體管（HEMT）： 重點介紹HEMT的工作原理，即利用不同半導體材料的能帶不匹配形成二維電子氣（2DEG），從而實現極高的電子遷移率。分析HEMT在高頻下的優勢，如極高的fT和fmax，較低的噪聲係數，以及其在微波、毫米波通信和雷達係統中的廣泛應用。 異質結雙極晶體管（HBT）： 介紹HBT的結構，即在發射結和/或集電結區域使用兩種不同的半導體材料，以提高晶體管的增益和頻率響應。分析HBT在高頻下的性能特點，如高增益、高輸齣功率，以及其在功率放大器等領域的應用。 其他新興器件： 簡要提及如SiGe BiCMOS、GaN（氮化鎵）等材料在製備高性能高頻器件中的重要性，以及它們為高頻電子綫路帶來的新機遇。 2.4 高頻器件模型與S參數 本章將深入講解如何使用數學模型來精確描述高頻器件的行為，並介紹在實際高頻設計中至關重要的S參數。 S參數（Scattering Parameters）： 詳細闡釋S參數的定義、物理意義以及其在高頻電路分析中的絕對重要性。講解S參數是如何衡量信號在器件輸入輸齣端口的散射情況，包括輸入反射係數（S11）、輸齣反射係數（S22）、正嚮傳輸係數（S21）、反嚮傳輸係數（S12）。 S參數的測量與計算： 介紹S參數可以通過矢量網絡分析儀（VNA）進行精確測量。同時，講解如何基於器件的物理模型，通過計算得到S參數，以及如何在電路設計軟件中使用S參數模型進行仿真。 S參數矩陣： 介紹如何將多端口器件的S參數錶示成矩陣形式，並講解如何利用S參數矩陣進行級聯電路的分析，以及如何計算級聯網絡的整體S參數。 穩定性分析（K因子、Δ）： 基於S參數，深入講解如何進行電路的穩定性分析。介紹K因子（K = (1-|S11|²-|S22|²+ |Δ|²)/(2|S12S21|)）和Δ（Δ = S11S22 - S12S21）等判據，並解釋如何通過這些參數來判斷電路是否會發生自激振蕩。 增益與噪聲係數（NF）： 講解如何利用S參數計算電路的穩定增益（MAG, Gmax）以及如何在S參數模型中引入噪聲參數，用於計算和優化電路的噪聲係數。 Y參數、Z參數、H參數與S參數的轉換： 簡要介紹其他常用的電路參數（Y、Z、H參數），並給齣它們與S參數之間的轉換關係，以便在需要時進行不同模型的切換。 第三章 高頻電路的匹配與傳輸綫理論 3.1 阻抗匹配的概念與重要性 本章將深入闡述阻抗匹配在高頻電子綫路設計中的核心地位，以及為何精確的匹配是保證電路性能的關鍵。 最大功率傳輸定理： 迴顧並詳細講解最大功率傳輸定理，即當負載阻抗與電源內阻共軛匹配時，電源能夠嚮負載傳輸最大的功率。在高頻電路中，這不僅意味著能量傳輸效率最高，也意味著信號能夠最有效地被接收或傳輸。 反射係數與駐波比（VSWR）： 引入阻抗失配會導緻信號反射的概念。定義反射係數（Γ），解釋其幅度和相位如何錶徵反射的程度。進而定義駐波比（VSWR），闡述VSWR如何量化傳輸綫上的電壓（或電流）最大值與最小值之比，高VSWR錶明存在嚴重的阻抗失配和能量損耗。 S參數與匹配： 重新審視S參數中的S11（輸入反射係數）和S22（輸齣反射係數），它們直接反映瞭器件在特定端口的阻抗匹配情況。設計目標之一就是使S11和S22接近於零（即完美的匹配），從而最小化信號反射。 匹配網絡的設計目標： 明確阻抗匹配的目標不僅僅是最大功率傳輸，還包括： 最小化信號反射： 確保信號能量有效地傳輸到下一級或負載。 最小化插入損耗： 匹配網絡本身不應引入過多的信號衰減。 優化噪聲性能： 在某些應用中，匹配網絡的設計還需要考慮噪聲係數的最優化。 提高穩定性： 良好的匹配有助於提高電路的穩定性，防止振蕩。 3.2 史密斯圓圖（Smith Chart）的應用 史密斯圓圖是高頻電路設計中不可或缺的圖形化工具。本章將詳細介紹其構造、使用方法以及在匹配設計中的強大功能。 史密斯圓圖的構造： 講解史密斯圓圖的原理，它如何將復數阻抗（或導納）映射到一個單位圓上。介紹圓圖上的各個組成部分，如歸一化電阻圓、歸一化電抗圓（感性電抗和容性電抗）、中心點（代錶匹配阻抗）、外圈（代錶反射係數）。 在史密斯圓圖上進行阻抗/導納的錶示： 演示如何將給定的阻抗（Z = R + jX）或導納（Y = G + jB）在高頻下進行歸一化，並在圓圖上找到對應的點。 反射係數的錶示與計算： 講解如何在史密斯圓圖上錶示和讀取反射係數（Γ），以及如何通過 Γ = (Zl - Z0) / (Zl + Z0) （其中 Zl 為負載阻抗，Z0 為特性阻抗）的公式將其與阻抗聯係起來。 在史密斯圓圖上進行串聯/並聯計算： 演示如何利用史密斯圓圖上的移動（如沿著傳輸綫長度移動，或沿著電抗/電納圓弧移動）來模擬串聯或並聯元件（電感、電容）對阻抗的影響。 匹配網絡的構建： 這是史密斯圓圖最重要的應用。我們將詳細演示如何利用史密斯圓圖來設計單節匹配網絡（如使用L型匹配網絡）和雙節匹配網絡（如使用π型或T型匹配網絡），以實現從任意阻抗到目標阻抗（如50Ω）的匹配。將逐步講解匹配設計中的步驟，包括選擇匹配元件類型、確定匹配點、以及讀取元件值。 VSWR的讀取： 演示如何在史密斯圓圖上直接讀取駐波比（VSWR）。 3.3 傳輸綫理論基礎 在探討高頻電路時，將導綫視為理想的集總元件不再可行。傳輸綫理論成為理解信號傳播和阻抗特性的關鍵。 集總元件模型與分布參數模型： 對比低頻電路中的集總元件模型和高頻電路中的分布參數模型。解釋當電路尺寸與信號波長相當時，必須采用分布參數模型來描述信號的傳播。 均勻傳輸綫模型： 介紹均勻傳輸綫的等效電路模型，包括其分布的電阻（R）、電感（L）、電導（G）和電容（C）。講解這些參數如何影響信號的傳播速度、衰減和特性阻抗。 特性阻抗（Characteristic Impedance, Z0）： 詳細解釋特性阻抗的定義，即在無限長傳輸綫上，電壓與電流的比值。推導其與傳輸綫分布參數（Z0 = sqrt((R+jωL)/(G+jωC))）之間的關係。在高頻集總參數電路中，通常會忽略R和G，此時Z0 ≈ sqrt(L/C)。重點強調Z0的意義，它與傳輸綫的幾何尺寸和介質材料相關，是信號傳播的“固有屬性”。 傳播常數（Propagation Constant, γ）： 介紹傳播常數 γ = α + jβ，其中α是衰減常數（單位長度的信號衰減），β是相位常數（單位長度的信號相位變化）。講解它們與分布參數之間的關係。 行波與反射： 詳細分析當傳輸綫終端存在阻抗失配時，會産生反射波。區分正嚮行波和反嚮行波，並解釋它們的疊加形成瞭駐波。 傳輸綫方程： 介紹傳輸綫方程（如 Telegrapher's Equations），以及如何通過求解這些方程來分析傳輸綫上任意點的電壓和電流。 3.4 常見的傳輸綫類型及其應用 本章將介紹幾種典型的高頻傳輸綫結構，及其在實際高頻電路中的應用。 微帶綫（Microstrip Line）： 介紹微帶綫的結構（導體、介質、地平麵），分析其特性阻抗的計算方法（依賴於導體寬度、介質厚度、介電常數），以及其在高頻PCB（印刷電路闆）設計中的應用。 帶狀綫（Stripline）： 介紹帶狀綫的結構（導體夾在兩個地平麵之間），分析其與微帶綫的區彆，以及其在需要更好屏蔽和更可控阻抗的場閤的應用。 同軸綫（Coaxial Cable）： 介紹同軸綫的結構（內導體、絕緣層、外導體），分析其低損耗、高阻抗（通常為50Ω或75Ω）和良好的屏蔽性能，及其在射頻連接、天綫饋綫等方麵的應用。 波導（Waveguide）： 介紹波導作為一種高頻（通常是微波及以上）信號傳輸的空腔結構，解釋其工作原理，以及其在大功率傳輸和高頻儀器中的應用。 傳輸綫作為匹配元件： 闡述如何利用有限長度的傳輸綫（如短截綫Stub、四分之一波長變換器 Quarter-wave Transformer）來構建匹配網絡，特彆是在高頻應用中，有時使用傳輸綫匹配比使用集總元件更方便、損耗更低。 第四章 高頻放大器設計 4.1 放大器的分類與性能指標 本章將對高頻放大器的基本類型進行劃分，並深入剖析衡量其性能的關鍵指標。 按工作頻率劃分： 低噪聲放大器（Low Noise Amplifier, LNA）： 專注於在信號的最前端，以最小的噪聲來放大微弱信號，對噪聲係數（NF）要求極高。 中頻放大器（Intermediate Frequency Amplifier, IFA）： 工作在通信接收機的中頻段，主要負責信號的放大和濾波，通常需要較高的增益和良好的綫性度。 功率放大器（Power Amplifier, PA）： 負責將信號放大到足以驅動天綫發射的功率水平，對輸齣功率、效率和綫性度有嚴格要求。 按電路結構劃分： 單級放大器： 結構簡單，增益有限，但設計相對容易。 多級放大器： 通過級聯多個放大級來提高總增益，需要考慮級間匹配和穩定性。 寬帶放大器： 設計目標是覆蓋較寬的頻率範圍，通常采用分布式放大器或Traveling-wave Amplifier等結構。 窄帶放大器： 專注於特定頻率或窄帶寬信號的放大，結構可能更簡單，但性能更優。 關鍵性能指標： 增益（Gain）： 包括電壓增益、功率增益。在高頻下，關注的是穩定增益（MAG）和最大可用增益（Gmax）。 噪聲係數（Noise Figure, NF）： 衡量放大器引入的額外噪聲與輸入信號噪聲之比，是LNA設計中最重要的指標。 綫性度（Linearity）： 衡量放大器輸齣信號失真程度的指標，與輸齣功率的非綫性行為有關。主要指標包括： 1dB壓縮點（P1dB）： 輸齣功率下降1dB時的輸入功率點，是衡量綫性度的常用指標。 三階互調失真截點（IP3）： 衡量兩個強信號同時輸入時，産生的三階諧波産物相對於原始信號的功率水平。 穩定性（Stability）： 放大器能否在工作頻率內不産生自激振蕩，與器件參數和匹配網絡設計密切相關。 效率（Efficiency）： 尤其對於功率放大器，指輸齣功率與直流電源消耗功率的比值，是衡量功率傳輸效率和散熱設計的重要指標。 帶寬（Bandwidth）： 放大器能夠有效工作的頻率範圍。 4.2 單級放大器的設計 本章將從最基本的單級放大器入手，講解其設計原理和步驟。 單管放大器結構： 以BJT或FET為基礎，介紹經典的單管放大器電路結構，如共射、共集、共基（BJT），共源、共漏、共柵（FET）。分析不同結構在高頻下的優缺點。 偏置電路設計： 講解如何根據器件特性和所需工作點，設計閤適的偏置電路，以保證器件在高頻下的穩定工作。 輸入/輸齣匹配網絡設計： 這是單級放大器設計的核心。我們將詳細介紹如何利用史密斯圓圖或S參數，根據器件的S參數或h參數，設計輸入匹配網絡，以實現輸入端與信號源（通常為50Ω）的最佳匹配（例如，使S11最小化），從而獲得最大增益或最小噪聲。同樣，設計輸齣匹配網絡，以實現輸齣端與負載（通常為50Ω）的最佳匹配。 噪聲匹配與功率匹配： 區分LNA設計中的噪聲匹配（目標是最小化噪聲係數）和功率放大器設計中的功率匹配（目標是最大化輸齣功率）。解釋在史密斯圓圖上如何找到噪聲最優匹配和功率最優匹配的點。 穩定性考慮： 在進行匹配設計時，必須同時考慮電路的穩定性。介紹如何通過調整匹配網絡來改善器件的穩定性，例如利用串聯電感或電阻。 4.3 多級放大器設計 當單級放大器的增益不足以滿足要求時，需要采用多級放大器。 級聯的基本原理： 介紹多級放大器的總增益是各級增益的乘積，總噪聲係數是各級噪聲係數的加權平均（第一級LNA的噪聲對總噪聲係數影響最大）。 級間匹配： 詳細討論相鄰兩級放大器之間的匹配問題。理想情況下，前一級的輸齣應與後一級的輸入完全匹配。然而，實際設計中，需要在增益、噪聲、穩定性和帶寬之間進行權衡。 多級放大器的穩定性設計： 隨著級數的增加，電路的整體穩定性問題變得更加復雜。需要考慮級聯後的S參數，並進行整體的穩定性分析。 常見的級聯結構： 串聯反饋放大器： 利用串聯反饋來提高輸入阻抗和穩定性，但可能會降低增益。 並聯反饋放大器： 利用並聯反饋來降低輸齣阻抗和提高綫性度，但可能會降低增益。 分布式放大器（Distributed Amplifier）： 一種特殊的寬帶放大器結構，利用傳輸綫將多個有源器件的輸入和輸齣端連接起來，實現瞭寬帶寬和高增益。 寬帶放大器設計： 探討寬帶放大器設計的挑戰，如如何實現整個寬頻帶內的良好匹配和穩定性。介紹一些寬帶放大器的結構，如基於傳輸綫特性的放大器。 4.4 功率放大器（PA）設計 功率放大器是實現無綫通信發射功能的核心。 功率放大器的類型： A類、B類、AB類、C類功率放大器： 講解不同類彆的PA的導通角、工作特點、綫性度和效率之間的權衡。A類效率最低但綫性最好，C類效率最高但綫性最差。AB類是常見的摺衷方案。 D類、E類、F類（開關模式）功率放大器： 介紹這些高效率的開關模式PA，它們通過將有源器件當作開關來工作，大大提高瞭效率。 功率匹配： 功率放大器設計最關鍵的是功率匹配。目標是最大化輸齣功率，通常需要將晶體管的輸齣阻抗與負載阻抗進行匹配。 綫性度問題與補償技術： PA的非綫性會産生諧波失真和互調失真，嚴重影響通信質量。本章將探討這些非綫性現象，並介紹一些綫性化技術，如預失真（Pre-distortion）、後失真（Post-distortion）、反饋補償等。 器件選擇： 討論不同類型功率器件（如LDMOS, GaAs HEMT, GaN HEMT）在高頻大功率應用中的優劣勢。 效率優化： 講解如何通過選擇閤適的器件、優化偏置和匹配網絡來提高PA的效率，減少功耗和散熱需求。 第五章 高頻振蕩器設計 5.1 振蕩器的工作原理 本章將深入剖析高頻振蕩器産生穩定信號的物理機製。 正反饋與振蕩條件： 核心原理是引入正反饋。當一個有源電路（如放大器）的輸齣信號通過一個反饋網絡，再送迴到其輸入端，並且滿足一定的條件時，電路就會産生自激振蕩。 Barkhausen準則： 詳細介紹Barkhausen準則，即振蕩器要穩定工作，必須滿足兩個條件： 1. 幅度條件： 環路增益的幅度等於1（|Aβ| = 1），其中A是有源器件的增益，β是反饋網絡的傳輸係數。 2. 相位條件： 環路相移等於2πn（n為整數），即信號經過有源器件和反饋網絡後，相位變化為整數倍的360度，從而形成正反饋。 有源器件與諧振迴路： 解釋振蕩器通常由一個有源放大器件（如晶體管）和一個無源諧振迴路（如LC迴路、RC迴路、晶體諧振器）組成。有源器件提供能量和增益，諧振迴路決定振蕩頻率和提供相位反饋。 5.2 振蕩器的類型與電路結構 本章將介紹幾種常見的高頻振蕩器類型及其電路實現。 LC振蕩器： Hartley振蕩器： 利用電感分壓原理實現反饋，諧振迴路由兩個串聯電感和一個電容組成。 Colpitts振蕩器： 利用電容分壓原理實現反饋，諧振迴路由兩個串聯電容和一個電感組成。 Clapp振蕩器： 是Colpitts振蕩器的一種改進，增加瞭一個串聯電容以提高頻率穩定性。 經濟型振蕩器（Common-emitter/Common-source Oscillators）： 利用放大器的寄生電容或額外的電容/電感實現反饋。 RC振蕩器： 相移振蕩器： 通過RC串並聯網絡提供180度相移，結閤反相放大器實現正反饋。 Wien橋振蕩器： 利用串聯和並聯的RC網絡，在特定頻率提供零相移和最大增益，適閤於低頻應用。 晶體振蕩器（Crystal Oscillators）： 介紹石英晶體的壓電效應，以及其作為高Q值諧振器的優越性。詳細討論晶體管與晶體構成的振蕩器電路，以及其齣色的頻率穩定度，廣泛應用於時鍾信號和頻率參考。 壓控振蕩器（Voltage-Controlled Oscillator, VCO）： 介紹VCO的工作原理，即通過改變控製電壓來改變振蕩頻率。重點介紹電壓可變電容（如變容二極管）或電感在LC振蕩器中的應用，以及其在鎖相環（PLL）和頻率閤成器中的關鍵作用。 微波振蕩器： 簡要介紹用於微波頻段的振蕩器，如微波介質諧振器振蕩器、 Gunn二極管振蕩器等。 5.3 振蕩器的性能指標與優化 本章將聚焦於如何評估振蕩器的性能，並討論優化策略。 頻率穩定度（Frequency Stability）： 短期穩定度： 描述振蕩器輸齣頻率隨時間快速隨機波動的情況，主要錶現為相位噪聲。 長期穩定度： 描述振蕩器輸齣頻率隨時間緩慢漂移的現象，受溫度、老化等因素影響。 相位噪聲（Phase Noise）： 這是高頻振蕩器最關鍵的性能指標之一。詳細解釋相位噪聲的定義（在載波頻率附近，單位帶寬內的噪聲功率譜密度），以及它對通信係統（如信號調製解調）和雷達係統（如距離和速度測量精度）的嚴重影響。 調諧範圍（Tuning Range）： 對於VCO，指其可調諧的頻率範圍。 輸齣功率（Output Power）： 振蕩器輸齣信號的功率大小。 雜散輸齣（Spurious Outputs）： 指除基波頻率外，振蕩器輸齣的非期望頻率的信號，會乾擾其他信道。 優化策略： 提高Q值： 提高諧振迴路的Q值是穩定頻率和降低相位噪聲的關鍵。 選擇高穩定性器件： 使用高Q值的諧振器（如晶體、陶瓷諧振器、介質諧振器）和低噪聲有源器件。 設計低噪聲偏置電路： 減少偏置電路引入的噪聲。 使用負阻抗匹配： 利用負阻抗匹配技術來補償諧振迴路的損耗，提高Q值。 環境控製： 對溫度、濕度等環境因素進行控製，以提高長期頻率穩定性。 第六章 高頻濾波器的設計 6.1 濾波器的基本概念與類型 本章將從濾波器的基本原理齣發，介紹其在高頻電路中的作用和分類。 濾波器的作用： 濾波器的核心功能是允許特定頻率範圍的信號通過，同時衰減或阻擋其他頻率的信號。在高頻電路中，濾波器用於： 信號選擇： 在通信接收機中，選擇目標頻道的信號，抑製鄰道乾擾。 噪聲抑製： 濾除高頻噪聲，改善信號質量。 諧波抑製： 在功率放大器輸齣端，濾除由非綫性引起的諧波分量。 頻率變換： 在混頻器中，濾波用於分離所需的中間頻率信號。 理想濾波器與實際濾波器： 對比理想濾波器（具有陡峭的截止頻率，無過渡帶）和實際濾波器（存在過渡帶，有插入損耗和阻帶衰減）。 濾波器類型： 低通濾波器（Low-Pass Filter, LPF）： 允許低頻信號通過，衰減高頻信號。 高通濾波器（High-Pass Filter, HPF）： 允許高頻信號通過，衰減低頻信號。 帶通濾波器（Band-Pass Filter, BPF）： 允許一個特定頻帶內的信號通過，衰減該頻帶外的信號。 帶阻濾波器（Band-Stop Filter, BSF / Notch Filter）： 允許該頻帶外的信號通過，衰減該頻帶內的信號。 濾波器性能指標： 通帶（Passband）： 允許信號通過的頻率範圍。 阻帶（Stopband）： 阻止信號通過的頻率範圍。 截止頻率（Cutoff Frequency）： 通帶與阻帶的分界點，通常定義為功率下降3dB時的頻率。 插入損耗（Insertion Loss, IL）： 濾波器引入的信號衰減，定義為在通帶內，未濾波信號功率與濾波後信號功率的比值。 迴波損耗（Return Loss）： 反映瞭濾波器在特定頻率下的匹配情況，迴波損耗越高，匹配越好，反射越少。 選擇性（Selectivity）： 衡量濾波器區分相鄰信道的能力，取決於過渡帶的陡峭程度。 阻帶衰減（Stopband Attenuation）： 在阻帶內，濾波器對信號的衰減程度。 6.2 集總參數濾波器設計 集總參數濾波器使用電感（L）和電容（C）等集總元件構建。 Lumped Element Filters vs. Distributed Element Filters： 解釋集總參數濾波器適用於頻率相對較低（通常低於幾GHz）且對尺寸要求不嚴格的場閤。當頻率升高時，元件尺寸可能與波長相當，此時分布式參數濾波器更閤適。 Butterworth濾波器： 介紹Butterworth濾波器的特性，其特點是在通帶內具有最平坦的頻率響應，過渡帶相對較緩。 Chebyshev濾波器（Type I & Type II）： 介紹Chebyshev濾波器的特性。Type I Chebyshev濾波器在通帶內有等幅波紋，過渡帶比Butterworth濾波器更陡峭。Type II Chebyshev濾波器在阻帶內有等幅波紋，通帶內平坦。 Elliptic Filter（Cauer Filter）： 介紹Elliptic濾波器的特性，它在通帶和阻帶內都有等幅波紋，具有最陡峭的過渡帶，但設計和分析相對復雜。 設計方法： 講解如何根據濾波器類型、通帶/阻帶帶寬、截止頻率、以及允許的插入損耗等要求，查閱濾波器設計手冊或使用設計軟件，來確定濾波器各級L、C元件的數值。 低通到高通/帶通/帶阻的變換： 介紹如何通過低通原型濾波器，再經過頻率變換，得到其他類型的濾波器。 6.3 分布式參數濾波器設計 當工作頻率較高，集總元件不再適用時，就需要使用分布式參數濾波器。 基本原理： 分布式參數濾波器的基本構成單元是短的傳輸綫，它們的長度通常是信號波長的一定比例（如四分之一波長、八分之一波長）。這些傳輸綫的串聯或並聯組閤，以及終端的加載，可以實現濾波功能。 短截綫（Stub）濾波器： 開路短截綫（Open-circuited Stub）： 行為上類似並聯電容，其阻抗隨頻率變化。 短路短截綫（Short-circuited Stub）： 行為上類似串聯電感，其阻抗隨頻率變化。 設計思路： 通過閤理設計短截綫的長度和連接方式，可以構建帶通、帶阻等濾波器。 四分之一波長變換器（Quarter-wave Transformer）： 工作原理： 利用一個長度為四分之一波長的傳輸綫，可以實現阻抗的變換。例如，一個Z0特性的四分之一波長傳輸綫，其兩端連接的阻抗Z1和Z2滿足 Z1 = Z0²/Z2 。 應用： 常用於構建匹配網絡，也可用於設計濾波器的極點/零點。 耦閤綫濾波器（Coupled-line Filters）： 利用平行耦閤的傳輸綫結構，可以實現高效的帶通濾波功能，在微波電路中應用廣泛。 諧振腔濾波器（Resonant Cavity Filters）： 對於更高的頻率（毫米波等），可以使用微波諧振腔來實現濾波功能，具有高Q值和高功率處理能力。 設計軟件應用： 現代分布式參數濾波器設計高度依賴於電磁仿真軟件（如ADS, CST, HFSS），這些軟件能夠精確模擬傳輸綫的電磁行為，並協助完成設計。 第七章 高頻混閤器設計 7.1 混閤器的工作原理與應用 本章將深入探討混閤器作為頻率變換核心元件的作用。 頻率變換： 混閤器的主要功能是將兩個輸入信號（通常稱為本振信號 LO, Local Oscillator 和射頻信號 RF, Radio Frequency）相乘，從而産生包含這兩個信號的 sum 和 difference 頻率分量，以及它們的諧波。 RF ± LO = IF (Intermediate Frequency) nRF ± mLO (where n, m are integers) 應用： 混閤器是幾乎所有現代通信接收機和發射機中的關鍵組成部分。 接收機： 將高頻射頻信號下變頻（down-conversion）到一個較低的中頻（IF），以方便後續的放大、濾波和解調。 發射機： 將中頻信號上變頻（up-conversion）到一個高頻射頻信號，以供天綫發射。 頻率閤成器： 作為頻率閤成器的一部分，實現頻率的靈活生成。 理想混閤器與實際混閤器： 理想混閤器隻産生目標IF分量，而實際混閤器會産生多種不需要的頻率分量，並引入損耗和噪聲。 7.2 混閤器的類型與電路結構 本章將介紹幾種常見的混閤器類型及其電路實現。 二極管混閤器： 單平衡混頻器（Single-Balanced Mixer）： 利用兩個二極管，可以抑製本振信號（LO）的輸齣，但不能完全抑製射頻信號（RF）的輸齣。 雙平衡混頻器（Double-Balanced Mixer）： 利用四個二極管（或肖特基二極管），可以同時抑製LO和RF信號的輸齣，並且通常具有更好的綫性度和隔離度。這是最常用的一種結構。 工作原理： 二極管在LO信號的驅動下，交替地導通和截止，從而實現對RF信號的開關調製。 場效應管（FET）混閤器： 工作原理： FET具有較高的跨導，其非綫性特性（如平方律或平方律+立方律）可以用於混閤。FET混閤器通常比二極管混閤器具有更好的綫性度和更低的LO驅動功率。 常見結構： 如FET單端混頻器、FET平衡混頻器等。 其他類型混閤器： 倍加平衡混頻器（Image Rejection Mixer）： 能夠同時抑製鏡像頻率（Image Frequency）的響應，簡化瞭接收機前端的設計。 Lo/RF開關混閤器（Lo/RF Switch Mixer）： 具有高隔離度，適用於需要嚴格LO/RF隔離的應用。 LO驅動功率： 討論LO信號的驅動功率對混閤器性能的影響，如LO驅動功率不足會導緻性能下降，過高則會增加功耗和非綫性。 7.3 混閤器的性能指標與設計考慮 本章將聚焦於如何評估混閤器的性能，並討論設計過程中的關鍵因素。 變頻損耗（Conversion Loss, CL）： 衡量混閤器將RF信號轉換為IF信號時的能量損耗。定義為IF輸齣功率與RF輸入功率之比（dB）。 LO-IF 隔離度（LO-IF Isolation）： 衡量本振信號（LO）泄漏到中頻輸齣（IF）端口的程度。隔離度越高越好。 RF-IF 隔離度（RF-IF Isolation）： 衡量射頻信號（RF）泄漏到中頻輸齣（IF）端口的程度。 LO-RF 隔離度（LO-RF Isolation）： 衡量本振信號（LO）泄漏到射頻輸入（RF）端口的程度。 三階互調失真（Third-Order Intermodulation Distortion, IMD3）： 衡量兩個強RF信號混閤時産生的非綫性産物，對於接收機的動態範圍和鄰道選擇性至關重要。通常用IP3（三階截點）來衡量。 噪聲係數（Noise Figure, NF）： 盡管混閤器本身並不放大信號，但它也會引入噪聲。特彆是對於LNA之後的混閤器，其噪聲對整體接收機性能有影響。 鏡像頻率抑製（Image Frequency Rejection）： 衡量混閤器對鏡像頻率信號的抑製能力。 設計考慮： 器件選擇： 根據應用需求選擇閤適的二極管、FET或IC混頻器。 匹配設計： RF、LO和IF端口的匹配對混閤器的性能至關重要，需要考慮在不同頻率下的匹配。 LO驅動功率優化： 找到最佳的LO驅動功率，以平衡性能和功耗。 濾波器的應用： 在混閤器輸齣端通常需要濾波器來濾除不需要的頻率分量。 第八章 高頻集成電路（MMIC）基礎 8.1 MMIC概述與優勢 本章將介紹微波集成電路（MMIC）這一高頻電子技術的關鍵發展方嚮。 MMIC的定義： MMIC是將微波和毫米波頻率範圍內的各種電子元器件（如晶體管、電阻、電容、電感、傳輸綫、匹配網絡等）高度集成在一個單塊半導體基片（如GaAs, InP, SiGe, GaN）上的電路。 MMIC的優勢： 小型化與輕量化： 相較於分立元件電路，MMIC尺寸大大減小，有利於設備的小型化和便攜性。 高性能： 集成度高，寄生參數極小，使得器件在高頻下的性能更優異，信號損耗更低。 可靠性與一緻性： 采用標準化的半導體工藝製造，保證瞭産品的一緻性和可靠性，避免瞭分立元件裝配引入的變量。 低功耗： 優化的設計和工藝可以實現較低的功耗。 批量生産成本效益： 雖然初期研發成本高，但一旦量産，單位成本較低。 MMIC的應用領域： 廣泛應用於移動通信（手機、基站）、衛星通信、雷達、導航、電子戰、高頻測試儀器等各個領域。 8.2 MMIC的組成與設計流程 本章將闡述MMIC是如何被構建的，以及其設計過程。 常用半導體材料： 砷化鎵（GaAs）： 電子遷移率高，適閤製作高速、低噪聲的微波器件，是MMIC常用的材料。 磷化銦（InP）： 電子遷移率更高，適用於更高頻率（毫米波、太赫茲）的應用。 矽鍺（SiGe）： 結閤瞭矽工藝的成熟性和鍺的優良高頻特性，適用於高性能射頻集成。 氮化鎵（GaN）： 具有高擊穿電壓和高功率密度，非常適閤製作高功率射頻器件。 MMIC中的基本構成單元： 有源器件： HEMT、HBT、MESFET、MOSFET等。 無源器件： 集成電阻、電容、電感（通常是片上集成，但性能受限），以及利用傳輸綫構建的匹配網絡、耦閤器等。 互連綫： 導綫、微帶綫、帶狀綫等，它們本身具有寄生參數，需要仔細設計。 MMIC設計流程： 1. 係統需求分析： 明確電路的功能、性能指標（頻率、增益、噪聲、功率、綫性度等）。 2. 電路拓撲設計： 選擇閤適的電路結構和有源器件。 3. 器件模型提取： 使用電磁仿真軟件或測量獲得精確的器件S參數模型。 4. 電路仿真與優化： 使用電路仿真軟件（如ADS, Cadence）對整體電路進行仿真，並根據結果調整元件值和拓撲結構，以滿足性能要求。 5. 版圖設計（Layout）： 將電路圖轉化為物理版圖，仔細考慮元件布局、互連綫走嚮、屏蔽、接地等因素，以減小寄生效應和提高性能。 6. 電磁（EM）仿真： 對最終版圖進行電磁仿真，以驗證電路在物理實現後的性能，並發現和修正寄生效應帶來的問題。 7. 流片與測試： 將設計文件提交給晶圓廠進行生産，並在收到芯片後進行嚴格的性能測試。 8. 迴調/修改： 根據測試結果，進行必要的修改並重新設計（如果需要）。 8.3 MMIC設計中的挑戰與考慮 本章將深入探討MMIC設計過程中麵臨的獨特挑戰。 寄生效應： 即使在集成電路中，導綫、過孔、元件之間的耦閤等都會引入寄生電感和電容，在高頻下影響電路性能，必須進行精確的電磁建模。 接地： 良好的接地是高頻電路成功的關鍵。MMIC設計中需要采用多層接地、過孔接地等技術來保證信號完整性。 熱設計： 功率器件在高功率工作時會産生大量熱量，需要考慮散熱問題，避免器件過熱影響性能和壽命。 成本與工藝限製： MMIC的設計必須考慮所采用的半導體工藝的限製，如電感、電容等無源元件的精度和值域，以及器件的功耗。 建模的精度： MMIC的設計高度依賴於精確的器件模型和電磁仿真。模型的誤差會直接影響最終芯片的性能。 集成度與功能： 如何在高密度集成的前提下，實現復雜的功能（如多通道、多功能集成）是設計的一個重要挑戰。 第九章 高頻係統設計基礎 9.1 通信係統的基本框圖與功能模塊 本章將從宏觀層麵，介紹現代通信係統（如手機、基站、雷達）的典型框圖，以及其中高頻電路所扮演的關鍵角色。 接收機（Receiver）框圖： 天綫（Antenna）： 接收電磁波信號。 低噪聲放大器（LNA）： 放大微弱接收信號，且噪聲係數最低。 濾波器（Filter）： 抑製帶外乾擾。 混頻器（Mixer）： 將接收信號下變頻到中頻（IF）或基帶。 中頻放大器（IFA）： 放大中頻信號。 解調器（Demodulator）： 從IF信號中提取基帶信息。 基帶處理（Baseband Processing）： 對解調齣的數字信號進行處理。 發射機（Transmitter）框圖： 基帶處理（Baseband Processing）： 生成數字信號。 調製器（Modulator）： 將基帶信號調製到IF信號。 混頻器（Mixer）： 將IF信號上變頻到射頻（RF）信號。 功率放大器（PA）： 將RF信號放大到足以驅動天綫發射的功率。 濾波器（Filter）： 抑製PA産生的諧波和帶外雜散信號。 天綫（Antenna）： 發射電磁波信號。 頻率綜閤器（Frequency Synthesizer）： 介紹頻率綜閤器如何利用鎖相環（PLL）技術，通過一個高精度參考振蕩器，生成多個穩定、精確的射頻信號（如LO信號），其在通信係統中至關重要。 9.2 係統設計中的關鍵問題 在設計一個完整的高頻係統時，會遇到諸多相互關聯的問題。 噪聲係數（Noise Figure, NF）： 接收機的總噪聲係數由各級器件的噪聲係數加權決定（第一級LNA影響最大），需要在整個鏈路上進行優化。 動態範圍（Dynamic Range）： 指接收機能夠處理的最大信號功率與最小可檢測信號功率之比。動態範圍不足會導緻強信號引起過載（失真），弱信號被噪聲淹沒。 綫性度： 發射機PA的非綫性會産生諧波和互調失真，影響信號質量和頻譜效率。接收機混頻器和放大器的非綫性也會引入失真。 隔離度（Isolation）： 在發射機和接收機共存的係統中，需要考慮發射信號對接收機的乾擾，即發射-接收隔離度。同時，LO信號與RF/IF信號之間的隔離度也很重要。 功耗與散熱： 高頻器件（尤其是PA）功耗較大，需要仔細設計電源管理和散熱方案。 成本與體積： 在滿足性能要求的前提下，需要考慮係統的成本和體積限製，這往往驅動著嚮MMIC等集成化方嚮發展。 信號完整性（Signal Integrity）： 在高速、高頻信號傳輸過程中，需要考慮信號的波形失真、串擾、反射等問題，確保信號能夠準確可靠地傳輸。 9.3 係統級仿真與調試 本章將介紹如何利用仿真工具和實際測試來驗證和優化高頻係統。 係統級仿真工具： 介紹一些常用的係統級仿真軟件（如MATLAB, Simulink, Keysight ADS SystemVue），它們可以用來模擬整個通信鏈路的性能，包括信號的傳輸、調製、解調、噪聲、失真等。 電路級仿真與版圖後仿真： 在設計具體的MMIC或PCB時，會用到電路仿真軟件（如ADS, Cadence Virtuoso），並且在完成版圖後，還會進行電磁仿真（如CST, HFSS）來考慮寄生效應。 實際係統調試： 矢量網絡分析儀（VNA）： 用於測量S參數，評估匹配、增益、隔離度等。 頻譜分析儀（Spectrum Analyzer）： 用於測量信號的頻譜特性，如頻率、功率、帶寬、諧波、雜散信號等。 信號發生器（Signal Generator）： 用於産生各種測試信號。 示波器（Oscilloscope）： 用於觀察信號的時域波形。 噪聲係數測量儀（Noise Figure Meter）： 用於測量電路的噪聲係數。 迭代優化過程： 係統設計通常是一個迭代過程，通過仿真和測試發現問題，然後進行電路或版圖的修改，再重新仿真和測試，直到滿足設計要求。 第十章 高頻電磁場與電磁兼容（EMC） 10.1 高頻電磁場的基本概念 本章將介紹高頻電磁場的基本理論，為理解高頻信號的傳播和輻射提供基礎。 麥剋斯韋方程組： 簡要迴顧並解釋麥剋斯韋方程組在高頻電磁場中的核心作用，它描述瞭電場和磁場如何相互作用並隨時間變化。 電磁波的産生與傳播： 闡述變化的電場産生磁場，變化的磁場産生電場，這種相互激發的過程形成瞭電磁波，並能在空間中以光速傳播。 電磁波的性質： 介紹電磁波的橫波特性、能量傳輸特性、以及其在不同介質中的傳播速度。 頻率與波長關係： 強調波長（λ）與頻率（f）的關係：λ = c/f，其中c為光速。解釋當電路尺寸與波長相當時，必須考慮電磁場效應。 電場強度（E）、磁場強度（H）、電磁場能量密度： 定義這些基本量，以及它們在高頻環境下的錶現。 10.2 輻射與耦閤 本章將深入探討在高頻電路設計中，電磁輻射和耦閤是必須重視的問題。 電磁輻射（Electromagnetic Radiation）： 輻射源： 任何非理想的（例如，有阻抗失配的）高頻電路，特彆是高速變化的電流和電壓，都可能成為電磁輻射源。常見的輻射源包括天綫、互連綫、PCB上的走綫、器件引腳等。 輻射的危害： 輻射可能乾擾其他電子設備，導緻其工作失常，甚至造成數據錯誤。 輻射方嚮圖： 描述瞭輻射源在不同方嚮上的輻射強度分布。 電磁耦閤（Electromagnetic Coupling）： 互感與互容耦閤： 兩個或多個靠近的導體（如PCB上的走綫、電纜）之間，會通過磁場（互感）和電場（互容）發生能量的傳遞，這種現象稱為電磁耦閤。 串擾（Crosstalk）： 是電磁耦閤的一種錶現，指一個信號傳輸綫上的信號耦閤到另一個信號傳輸綫，導緻目標信號受到乾擾。 影響： 串擾會降低信號質量，可能導緻時序錯誤和數據損壞。 電磁屏蔽（Electromagnetic Shielding）： 目的： 通過使用導電材料（如金屬外殼、屏蔽罩、屏蔽層）來阻擋電磁波的傳播，以防止輻射的産生或外部電磁場的乾擾。 屏蔽的原理： 利用導體的反射和吸收作用來衰減電磁波。 屏蔽的類型： 如金屬外殼、屏蔽電纜、PCB上的接地層和屏蔽走綫等。 10.3 電磁兼容（EMC）設計原則 電磁兼容（EMC）是指電子設備在電磁環境中正常工作的能力，不受電磁乾擾（EMI）影響，也不對周圍環境産生過多的電磁乾擾。 EMI（Electromagnetic Interference）： 電子設備産生的電磁乾擾。 EMS（Electromagnetic Susceptibility）： 電子設備對電磁乾擾的敏感度。 EMC設計的目標： 降低設備的EMI，提高其EMS。 EMI/EMC問題的根源： 不佳的接地： 差的接地是導緻EMI和EMC問題的常見原因。 高速信號： 高速信號的上升/下降沿産生豐富的諧波，更容易輻射。 阻抗失配： 導緻信號反射和能量損耗。 電纜耦閤： 電纜容易成為天綫，輻射和接收乾擾。 不良的布局： 不閤理的元器件布局和走綫容易産生串擾和輻射。 EMC設計實踐： PCB布局與布綫： 良好的接地： 使用大麵積的接地層，盡量減少接地迴路。 信號層與接地層交替： 保證信號完整性，減小串擾。 緊耦閤： 將高速信號綫與參考平麵（接地層）緊密耦閤。 避免平行走綫： 減少串擾。 短走綫： 盡量縮短高速信號的走綫長度。 濾波： 在電源綫、信號綫入口處使用濾波器，濾除乾擾信號。 屏蔽： 對敏感電路或潛在輻射源進行屏蔽。 接地策略： 統一接地，避免地彈。 選擇閤適的元器件： 如使用低寄生參數的電容、電感。 電源去耦： 在每個集成電路電源引腳附近放置去耦電容，提供穩定的電源。 10.4 電磁場仿真在EMC設計中的應用 隨著計算能力的提升，電磁場仿真已成為EMC設計的重要工具。 仿真軟件： 如CST Studio Suite, Ansys HFSS, Keysight EMPro等。 仿真目的： 預測輻射發射： 模擬電路或設備的電磁輻射強度，判斷是否符閤標準。 評估敏感度： 模擬設備對外部電磁場的響應，判斷其抗乾擾能力。 定位乾擾源： 通過仿真分析，找齣電路中的潛在輻射源和耦閤路徑。 驗證屏蔽和濾波效果： 評估屏蔽罩、濾波器等EMC措施的有效性。 優化設計： 在設計早期進行仿真，可以及時發現和解決EMC問題，避免後期昂貴的修改。 仿真流程： 建立電路模型（包括PCB版圖、元器件、外殼等），設置仿真參數，運行仿真，分析仿真結果（如場分布、端口S參數、輻射方嚮圖等）。 第十一章 高頻電子綫路的應用實例 11.1 無綫通信係統中的高頻電路 本章將結閤實際應用，展示高頻電子綫路在現代無綫通信係統中的重要作用。 手機（移動終端）： 射頻前端（RF Front-end）： 包括LNA、PA、濾波器、開關、混頻器等，負責信號的接收和發射。 基帶與射頻之間的接口： 混頻器將射頻信號下變頻到中頻或基帶，調製器將基帶信號調製到射頻。 天綫開關： 實現天綫在發射和接收模式間的切換。 功耗管理： PA的功耗是手機耗電的主要部分，對PA的效率要求極高。 基站（Base Station）： 復雜的接收機和發射機鏈： 需要處理大量的信道和高功率發射。 高性能濾波器： 用於抑製大量的鄰道乾擾，確保信號質量。 高功率PA： 需要將信號放大到足夠大的功率。 頻率閤成器： 生成多個精確的LO信號。 大量的MMIC應用： 為瞭實現小型化、高性能和低成本，基站大量使用MMIC。 Wi-Fi與藍牙設備： 高頻振蕩器： 提供穩定的載波頻率。 低功耗LNA和PA： 兼顧性能和電池續航。 RF開關： 實現多天綫、多頻段的切換。 11.2 雷達係統中的高頻電路 雷達是另一個高頻電子技術高度集中的應用領域。 發射機： 高功率振蕩器/放大器： 如固態PA、TWT（行波管）等，産生強大的脈衝射頻信號。 脈衝形成電路： 控製發射脈衝的寬度和間隔。 接收機： 高靈敏度LNA： 接收反射迴來的微弱迴波信號。 混頻器： 將迴波信號下變頻到中頻。 脈衝壓縮技術： 利用特殊的調製和濾波技術，提高雷達的分辨率和探測距離。 信號處理： 高頻ADC/DAC： 對接收到的模擬信號進行數字化，對發射信號進行數模轉換。 數字信號處理器（DSP）： 對數字化的雷達信號進行處理，提取目標信息（距離、速度、角度）。 頻率捷變： 通過快速改變發射頻率，提高雷達的抗乾擾能力和性能。 11.3 衛星通信與導航係統中的高頻電路 衛星通信： 上/下變頻器： 完成頻率的轉換，適應衛星鏈路的傳輸。 大功率PA： 用於衛星發射信號，剋服傳輸損耗。 低噪聲放大器（LNA）： 接收衛星發來的微弱信號。 天綫波束形成網絡： 通過控製多個天綫單元的激勵，實現對特定方嚮的信號聚焦。 全球定位係統（GPS/GNSS）： 低功耗接收機： 接收來自多顆衛星的微弱信號。 高精度振蕩器： 提供精確的時間基準。 射頻前端： 包括LNA、混頻器、濾波器，用於處理衛星信號。 11.4 其他高頻電子綫路應用 射頻識彆（RFID）係統： 芯片天綫： 集成在標簽中。 低功耗RF收發器： 用於標簽和讀寫器之間的數據通信。 醫療診斷設備： 超聲成像： 利用高頻超聲波進行成像。 MRI（磁共振成像）： 利用射頻脈衝激發人體原子核。 科學儀器： 網絡分析儀、頻譜分析儀等測試儀器。 高頻實驗設備。 第十二章 高頻電子綫路設計軟件與仿真工具 12.1 常用電路仿真軟件介紹 本章將介紹目前在高頻電子綫路設計領域廣泛使用的仿真軟件。 Keysight ADS (Advanced Design System)： 功能： 一款功能強大的射頻和微波電路設計仿真軟件，涵蓋瞭從原理圖輸入、版圖設計、電磁仿真到係統級仿真的全過程。 優勢： 擁有豐富的模型庫（包括器件模型、S參數模型）、強大的仿真器（如Harmonic Balance, Transient, S-parameter），以及與EMC仿真工具的良好集成。廣泛應用於MMIC、PCB、射頻模塊等的設計。 Cadence Virtuoso & SpectreRF： 功能： Cadence是集成電路設計領域的領導者，其Virtuoso平颱提供瞭完整的IC設計流程，SpectreRF是其射頻仿真引擎。 優勢： 特彆擅長於復雜IC的設計，與布局（Layout）工具緊密結閤，適用於MMIC和RFIC的設計。 NI Multisim / LabVIEW： 功能： Multisim是一款電路仿真軟件，LabVIEW則是一種圖形化編程語言，常用於測試測量係統的開發和控製。 優勢： Multisim適閤基礎的電路教學和驗證，LabVIEW可以與高頻測試儀器聯動，進行係統級的仿真和實時控製。 S PICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis)： 功能： 最早的電路仿真器之一，雖然原生SPICE對高頻應用支持有限，但其變種和商業化版本（如LTspice）在模擬電路仿真中仍然非常流行。 優勢： 免費，易於上手，適閤對集總參數電路進行瞬態和直流分析。 12.2 電磁場（EM）仿真軟件介紹 對於高頻電路，尤其是MMIC和PCB設計，電磁場仿真對於考慮寄生效應和預測真實性能至關重要。 CST Studio Suite (Computer Simulation Technology)： 功能： 一款全麵的電磁場仿真軟件套件，提供多種仿真方法（如時域有限差分法 TDFD, 有限元法 FEM, 積分方程法 IE），適用於天綫設計、PCB分析、EMC/EMI分析、高頻器件建模等。 優勢： 仿真精度高，適應性廣，能夠處理復雜的幾何結構。 Ansys HFSS (High Frequency Structure Simulator)： 功能： 以有限元法（FEM）為核心的電磁場仿真軟件，廣泛應用於微波器件、天綫、PCB、連接器、EMC等領域。 優勢： 在處理復雜三維結構和高頻問題方麵錶現齣色，結果精度高。 Keysight EMPro： 功能： Keysight提供的三維電磁場仿真平颱，可以與ADS等電路仿真軟件無縫集成，進行版圖後仿真，驗證電路的EM性能。 優勢： 與Keysight的電路仿真工具協同工作，方便瞭射頻和微波電路的設計流程。 12.3 仿真工具的應用流程與技巧 本章將指導讀者如何有效地利用仿真工具來完成高頻電子綫路的設計。 建立模型： 原理圖輸入： 在電路仿真軟件中，使用元件庫搭建電路原理圖。 版圖繪製： 在版圖編輯器中，根據電路設計繪製物理版圖，包括元器件位置、互連綫、過孔、接地層等。 幾何模型創建： 在EM仿真軟件中，創建電路的三維幾何模型，精確錶示PCB、金屬走綫、封裝等結構。 導入S參數模型： 對於無法精確仿真的復雜器件（如MMIC芯片），可以直接使用廠傢提供的S參數文件進行電路級仿真。 設置仿真參數： 仿真類型： 選擇瞬態仿真、S參數仿真、諧波平衡仿真、瞬態EM仿真、頻域EM仿真等。 頻率範圍： 根據電路工作頻率設定仿真頻率範圍。 網格劃分（EM仿真）： 根據幾何結構和仿真要求，閤理劃分網格，以平衡精度和計算時間。 運行仿真與分析結果： 查看S參數圖： 分析輸入/輸齣迴波損耗（S11, S22），增益（S21），隔離度（S12）。 查看瞬態波形： 分析信號的時域行為，如上升/下降時間、過衝、振鈴。 查看諧波平衡結果： 分析非綫性電路的輸齣功率、諧波成分、互調産物。 查看EM仿真結果： 分析電場、磁場分布，計算輻射強度，找齣潛在的EMI源。 設計迭代與優化： 根據仿真結果，調整電路參數、版圖布局、接地方式等，重新仿真，直至滿足設計要求。 後仿真（Post-Layout Simulation）： 在完成版圖設計後，進行電磁仿真，並將仿真結果（如寄生參數）導入到電路仿真中，以更準確地預測實際性能。 技巧： 從簡單模型開始： 先用集總元件模型仿真，驗證基本功能，再逐步加入分布參數效應。 利用參數掃描： 掃描關鍵參數，研究其對電路性能的影響。 一緻的測量和仿真： 努力使測量結果與仿真結果盡可能一緻，以驗證模型的準確性。 瞭解仿真方法的局限性： 知道不同仿真方法（如時域、頻域）的適用範圍和精度。 第十三章 新興高頻電子技術與未來展望 13.1 毫米波與太赫茲技術 本章將介紹當前最前沿的高頻技術領域。 毫米波（Millimeter-wave, mmWave）： 工作頻率在30 GHz到300 GHz之間。 應用： 5G/6G通信（高帶寬、低時延）、雷達（高分辨率、小尺寸）、成像（安檢、醫療）、高速數據傳輸。 挑戰： 信號衰減大（大氣吸收、雨衰）、傳播距離短、元件損耗高、設計和製造難度大。 關鍵技術： 高性能MMIC（GaN, InP HEMT）、先進的封裝技術、新型天綫設計（如相控陣天綫）、低損耗傳輸綫和連接器。 太赫茲（Terahertz, THz）： 工作頻率在0.1 THz到10 THz之間。 應用： 安全成像（穿透衣物、包裝）、物質成分分析（光譜學）、高速通信（極高帶寬）、天文學觀測。 挑戰： 器件和係統製造極其睏難，信號衰減劇烈，産生和探測效率低。 關鍵技術： 新型THz源（如自由電子激光器、量子級聯激光器）、THz探測器、THz材料科學、THz波導和光學器件。 13.2 軟件定義無綫電（SDR）與可重構高頻電路 SDR概念： 將傳統的硬件模擬電路功能（如調製、解調、濾波）通過軟件來實現，提高係統的靈活性和可升級性。 在高頻領域的SDR： ADC/DAC性能提升： 隨著高速、高分辨率ADC/DAC的發展，越來越多的信號處理可以在數字域完成。 FPGA與ASIC在RF前端的應用： 利用FPGA實現數字基帶信號處理，並與RF前端的ADC/DAC配閤。 可重構射頻電路： 利用可變電容、可編程濾波器等實現射頻電路的重構，適應不同的通信標準和環境。 優勢： 快速部署新標準、升級現有設備、適應復雜的通信環境。 13.3 5G/6G通信技術中的高頻應用 5G NR（New Radio）： 引入瞭新的頻段，包括Sub-6 GHz和毫米波（FR1和FR2）。 毫米波的應用： 解決5G網絡容量和速度的瓶頸，需要大量高頻MMIC、相控陣天綫和波束賦形技術。 6G展望： 更高頻段： 可能嚮毫米波更高頻段，甚至太赫茲頻段探索。 天地一體化通信： 整閤地麵、衛星、無人機等通信網絡。 AI賦能的通信： 利用人工智能優化高頻信號的傳輸、處理和資源分配。 全息通信、感知通信等新應用。 13.4 高頻電子綫路未來的發展趨勢 更高集成度： 推動RFCMOS、SiGe BiCMOS等工藝的發展，實現更多功能在單個芯片上的集成，降低成本，提高性能。 更高的頻率： 持續嚮毫米波、太赫茲頻段拓展，以滿足對帶寬和數據速率的無止境需求。 更低的功耗： 隨著物聯網（IoT）、可穿戴設備的發展，對低功耗高頻電路的需求日益增長。 智能化的設計與優化： 利用機器學習和人工智能技術，輔助高頻電路的設計、仿真和優化，提高設計效率和性能。 新材料與新器件： 如二維材料（石墨烯）、拓撲材料等在未來高頻器件中的應用潛力。 寬帶隙半導體（GaN, SiC）： 在高功率、高頻率應用中繼續發揮重要作用。 總結 高頻電子綫路是現代電子信息技術的核心支撐，其應用遍及通信、雷達、導航、測試測量等眾多領域。從理解器件在高頻下的特性，到掌握傳輸綫理論和匹配技術，再到學習放大器、振蕩器、混頻器、濾波器等關鍵功能模塊的設計，直至掌握MMIC的設計流程和EMC原則，本書力求為讀者提供一個係統、深入的學習路徑。隨著技術的不斷進步，特彆是毫米波、太赫茲以及智能技術的融閤，高頻電子綫路的未來充滿瞭無限可能，將繼續驅動著信息時代的飛速發展。

評分☆☆☆☆☆

說實話，拿到這本書的時候，我有點被它厚實的體量給震撼到瞭。莫懷忠教授的這本《高頻電子綫路》第二版，內容可謂是相當充實。從目錄上看，涵蓋瞭高頻電路設計中幾乎所有重要的環節，從基本的元器件在高頻下的特性分析，到復雜的放大器、振蕩器、濾波器設計，再到現代通信係統中必不可少的高頻傳輸綫理論和阻抗匹配技術，幾乎麵麵俱到。其中關於微帶綫和帶狀綫等結構在高頻信號傳輸中的行為分析，以及如何利用史密斯圓圖進行精確的阻抗匹配，這些內容對我來說尤其具有吸引力，因為這些是實際工程設計中經常會遇到的難點。這本書的理論深度和廣度都讓我感到滿意，它不僅僅是理論的堆砌，更注重與實際應用的結閤，這正是我們這些學習者所期盼的。

評分☆☆☆☆☆

我一直對高頻電子綫路這個領域充滿好奇，但總覺得理論知識過於抽象，難以與實際聯係起來。莫懷忠教授的這本《高頻電子綫路》（第二版）恰恰彌補瞭這一點。書中大量的實例分析和圖示，讓那些復雜的理論公式和概念變得生動起來。例如，在講解阻抗匹配時，書中不僅給齣瞭理論推導，還結閤實際的PCB闆走綫、射頻連接器等器件，分析瞭在高頻電路中阻抗不匹配可能帶來的損耗和信號失真，並提供瞭具體的解決方案。我尤其喜歡書中使用史密斯圓圖來解決阻抗匹配問題的部分，通過清晰的圖例和步驟，即使是初學者也能很快掌握這項重要的技能。這樣的講解方式，極大地降低瞭學習的門檻，也讓我在理論學習的同時，能夠感受到實際工程的魅力。

評分☆☆☆☆☆

這本書的章節結構安排得非常巧妙，循序漸進，非常適閤我這樣需要係統學習高頻電子綫路知識的讀者。剛開始的部分，從高頻下電阻、電感、電容的寄生效應以及場效應管、雙極型晶體管在高頻下的模型分析入手，為後續更復雜的電路分析打下瞭堅實的基礎。然後逐步過渡到高頻放大器的設計，包括各種反饋組態在高頻應用下的選擇和分析，以及穩定性問題。接著是振蕩器的原理和設計，各種振蕩器類型，如LC振蕩器、RC振蕩器、晶體振蕩器等，都進行瞭詳細的闡述。最後，對於現代通信係統至關重要的濾波器設計和傳輸綫理論，也進行瞭深入的探討。這種邏輯清晰、層層遞進的編排方式，讓我在學習過程中，能夠逐步建立起完整的知識體係，理解各個概念之間的內在聯係，而不是孤立地記憶。

評分☆☆☆☆☆

收到這本《高頻電子綫路》後，我仔細翻閱瞭它的目錄和部分章節。不得不說，這本書的編寫質量相當高。學術的嚴謹性體現在每一個公式的推導、每一個定理的闡述上，嚴絲閤縫，邏輯清晰。同時，又兼顧瞭實用性，對於一些關鍵的器件特性在高頻下的變化，以及電路設計中的常見問題，都進行瞭深入的剖析。比如，關於高頻功放的綫性度問題，書中不僅分析瞭影響綫性的因素，還提供瞭提高綫性度的設計方法，這對於需要設計射頻功率放大器的工程師來說，無疑是寶貴的財富。此外，對噪聲分析和抑製的講解也十分到位，這在高靈敏度的接收機設計中是至關重要的。總而言之，這是一本內容全麵、講解深入、兼具理論與實踐價值的優秀教材，值得所有對高頻電子綫路感興趣的人士深入研讀。

評分☆☆☆☆☆

這本《高頻電子綫路》（莫懷忠，第二版）的封麵設計非常吸引人，采用瞭一種沉穩而專業的藍色調，搭配白色的字體，簡潔大方，給人一種嚴謹可靠的學術書籍的質感。紙張的觸感也相當不錯，厚實而略帶啞光，翻閱時不會産生刺眼的反光，長時間閱讀也不會感到疲勞。書脊的裝訂非常牢固，即使經常翻閱，也不必擔心書頁脫落，這對於一本會經常被查閱的專業書籍來說，是至關重要的。內容排版也十分清晰，章節劃分閤理，公式和圖錶的標注清晰易懂，每一個細節都體現瞭齣版方對這本書的用心。我迫不及待地想深入其中，去探索高頻電子綫路的奧秘，相信它會為我的學習和研究提供堅實的基礎和寶貴的參考。