射頻模擬電路分析

高頻電子線路是電子工程、通信工程、自動控制等電子類專業的重要基礎課。面對21世紀， 原有教材已跟不上時代的要求，有必要編一本新的教材。?
作者從事射頻模擬電路教學與科研近30年，對該領域的學 科內容有深入的體會。“高頻電子線路”名稱中，“高頻”這個概念是含糊的，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?一般認為，不管頻率高低，只要可 用“ 路”(集總參數)的概念來分析問題，都歸結為模擬電子線路的內容。“微波”電路則是用“ 場 ”(分布參數)的概念來分析電路。事實上，電路尺寸只要小于八分之一導 波波長，就可用路 的概念來分析電路。據有關報道，惠普公司用集總參數制造的壓控振蕩器的頻率已達18GHz ，因此高頻與微波已無頻率界限可言。鑒于上述分析，“高頻電子線路”課程名稱改為“射 頻模擬電路”更為貼切。?
隨著信息時代的來臨，通信工程飛速發展，為節省頻譜資源，提高數字通信系統的信道容量 及傳遞信息的準確可靠性，數字調制技術發展迅速。第三代GSM系統、高清晰數字電視等都 對通信信道的指標要求更加苛刻，特別是對射頻電子電路提出了更高要求，如系統 的動態范圍、線性度，本振源的頻譜純度等。?
為了滿足移動通信手機小型化的要求，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系統芯片MAX2338，MAX2310及MAX2366。MAX2338用于低噪聲放大 及混頻，MAX2310用于調制及解調，MAX2366用于發送器及功率放大，配以適當的雙工器、外 圍元件及基帶信號處理芯片即可構成超小型化手機。高頻集成芯片發展迅速，但是基本概念 、基本原理是不會變化的。而且由于工作頻率甚高，電路的結構參數，即分布電容、雜散電 容 、引線電感、分布電感、電磁輻射、互耦等對電路性能影響嚴重。集成高頻芯片的外圍元件 設計與裝配調試還要遵循射頻模擬電路的一般規則，否則集成芯片不能正常工作。 ?
射頻模擬電路包含的內容愈來愈多，但受限于新的教學大綱，該門課的授課學時越來越少 。在此前提下，要編寫一本具有新的特色，面向21世紀學生的教材困難是很大的 。作者分析了國外的一些特色教材，結合自己的教學體會及該領域的科研實踐，力求在教材 中體現以下特色：?
1?面向學生。不管信息技術如何發展，基本概念、基本原理是不會變化的 。教材始終強調基本概念、基本原理、基本電路、基本測試方法；即使加入新內容，如 第2章的線性功率放大器，也是以打基礎為宗旨。?
2?刪除了陳舊的內容，增加了新的內容。例如，增加了第2章“線性功率放大 器”、第6章“射頻電子系統”、第7章“射頻電路集成芯片”；第3章“波形發生與變換電 路”中增加了有關信號源頻譜純 度的基本概念和基本定義的內容。可以這樣說，整個教材中有三分之一的內容是以往的老教 材中沒有 反映或者說是全新的。作者認為，這些全新的內容中有些是必須講的，有些是可以讓學生 自學的。例如，第2章及第3章增加的內容應全講，第6章可講可不講，第7章則可以不講
。?
3?教材內容作了大量的調整。把這門課稱為“非線性電路”或“射頻電子線路” 都有其局限性。本教材不以線性、非線性區分電路，而是以電路的內容來區分。因此， 第 1章“選頻放大器”中，既包含小信號電路——射頻小信號放大器，也包含非線性電路—— 諧振 高頻功率放大器。第1章中的“耦合諧振回路”屬選講內容，可講可不講。本教材刪除了寬 帶高頻 功率放大器的內容。第3章的“非正弦波產生電路”可不講。第4章“頻譜搬移電路”應突出 模擬乘法器的作用。第5章“角度調制與解調”完全刪除了比例鑒頻器的內容。?
4?第6章“射頻電子系統”除“放大器中的噪聲”內容外，其他都是根據作者 多年的設計經驗總結出來的，不足之處希望同行專家指導、批評。這部分內容主要是系統的 概念。如何正確地設計射頻電子系統不是一件很容易的事情，它需要多方面的綜合知識 。?
5?對于第7章“射頻電路集成芯片”，由于射頻集成芯片發展太迅速，教材中僅列出極少一 部分。這 部分內容完全可不講。國外有一本教材叫做“集成射頻電路”，它以砷化鎵場效應管電路 為主講述了各類射頻電路，包含集成電路，如小信號放大器、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”是一門工程性質的課程，是“模擬電路基礎”的后續課程，還涉 及非線性電路的內容。學生普遍反映難學難懂，原因如下：(1)這門課所學單元 電路都是從工程實踐電路中抽象出來的，有些就是實際電路。絕大部分學生并沒有真正接 觸到實際電路，學起來很空洞。(2)這門課大部分內容屬非線性電路，涉及到的分析方法 有泰勒級數法、折線法、開關函數法、線性時變分析法。同一電路不同的工作狀態可以要采 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?這些問題對電路工作者而 言是非常簡單的，對學生則不然。如何在教材中解決學生的這些困惑不是一 件很容易的事，只有采用多次重復、反復強調，電路中盡可能不要省略“去耦”電路等 方法來解決。(4)“射頻模擬電路”各章節之間的內容缺乏關聯性，實際電路的關聯性是 靠射頻電子系統來完成的(這也是要增加第6章的理由之一)，學生很難理解 。?
7?電路圖是電子工程師的“語言”，如何讀圖、設計電路圖是這門課需培 養的能力。本教材力圖在“培養”上下功夫，希望學生完成這門課程后，應初步具備這方面 的 能力。?
8?射頻模擬電路的CAD軟件已推出了很多，但每種軟件價格昂貴，特別是包含電磁兼 容特性仿真的軟件價格更為昂貴。每種軟件總存在局限性，這是由于軟件是由人編寫的， 每個人對知識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、形式的多樣性，電路結構、印刷電路板結構、電磁兼容特性的多樣性等等，要推 出一種萬能的包羅萬象的CAD軟件是極其困難的。本教材沒有反映這方面的內容，不能不 說是一種遺憾。?
9?非線性電路的分析方法有新的發展，如諧波平衡法。這部分內容本教材沒有反映 。?
10?由于編寫時間緊迫，習題編寫沒有給予足夠的重視，僅編寫了要求學生完成的習題 。這些習題大部分不同于老教材的習題，這完全是精選的結果。?
11?本教材力求精練，易于閱讀，重要結論和基本概念一目了然。?
12?根據工程實際應用的需要，本教材增加了附錄“傳輸線變壓器的原理及 應用”。這是朱維樂教授在20世紀70年代作了大量研究工作后 寫 成的。筆者認為這部分內容對高頻寬帶匹配、網絡實現具有現實的指導意義及工程應用價值 ，故收錄于教材附錄之中。?
限于作者水平，書中不妥之處，敬請批評指正。?