电子科大毕业论文—短波高线性射频功率放大器 - 图文

第2章 射频理论概述

MF（中频） HF（高频） VHF（甚高频） UHF（特高频） SHF（超高频） EHF（极高频） 亚毫米波 P波段 L波段 S波段 C波段 X波段 Ku波段 K波段 Ka波段 毫米波 300-3000KHz 3-30MHz 30-300MHz 300-3000MHz 3-30GHz 30-300GHz 300-3000GHz 0.23-1GHz 1-2GHz 2-4GHz 4-8GHz 8-12.5GHz 12.5-18GHz 18-26.5GHz 26.5-40GHz 40-300GHz 1-0.1Km 100-10m 10-1m 100-10cm 10-1cm 1-0.1cm 0.1-0.01mm 130-30cm 30-50cm 15-7.5cm 广播、船舶通信、飞行通信 广播、中远距离通信 移动通信、电视、雷达、导航 与VHF类同，还用于散射通信、卫星通信等 7.5-3.75cm 2.4-1.67cm 2.4-1.67cm 1.67-1.13cm 1.13-0.75cm 7.5-1mm 参考上面分段 从上表中可以看出VHF/UHF波段是典型的电视设备工作频段，这两个波段的波长达到了与电子系统的实际尺寸相当的水平。因此从这个频段开始必须在有关电子线路中考虑电流和电压信号的波的性质。所以一般我们定义频率高于这个波段的所有频率为射频频段，工作在射频频段的电路称为射频电路。

射频频段的主要应用领域有如下5个方面： （1） 卫星通信与卫星电视广播

A． 双边带广播系统（DBS-Direct Broadcast System）；

B． C波段：4/6GHz，下行4GHz，上行6GHz；

C． Ku波段：12/15GHz，下行12GHz，上行15GHz； D． 卫星通信：36GHz。

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（2） 微波中继通信

A． 干线微波：2.1GHz，8GHz，11GHz；

B． 支线微波：6GHz，8GHz，11GHz，36GHz；

C． 农村多址（一点多址）：1.5GHz，2.4GHz，2.6GHz。 （3） 雷达、气象、测距、定位

A． 雷达远程警戒：P，L，S，C； B． 精确制导：X，Ka；

C． 汽车防撞、自动计费：36GHz，60GHz； D． 防盗：9.4GHz；

E． 全球定位：1227.60MHz，1575.42MHz。 （4） 射电天文：36GHz，94GHz，125GHz。 （5） 计算机无线网络：2.5GHz，5.8GHz，36GHz。

2.2射频设计的发展历程

在18世纪末和19世纪初，就已经出现了最初的电子线路设计的雏形了。当时的蓄电池已能可靠地工作，该电池后来用它的发明者A. Volta（1745-1827）的名字命名的。最初始的电路就是依靠伏打蓄电池提供可靠的直流（DC）能量，而在这之后又出现了低频交流（AC）功率源，它能更有效地输送电力，且只有很小的传输损耗，还便于通过按照法拉第（Faraday）感应定律工作的变压器，改换电能的路由。由于像著名的工程师Charles Steinmetz，Thomas Edison，Werner Siemens和Nikolas Tesla等先驱者的发明创造，能量产生和分配工业迅速地增长并走进我们的生活。James Maxwell在1864年伦敦英国皇家学会首次发表的一片文章中，提出了电场和电磁场通过其所在空间中交连耦合会导致波传播的设想。1887年Heinrich Hertz实验证实了电磁能量可通过空间发射和接收。该发明预示着无线通信领域的迅速发展，从1920年的无线电，1930年的TV传输，直到1980年的移动电话和1990年的全球定位系统（GPS）。遗憾的是，这些适用于高频电路的设计和开发，不能直截了当地应用于当今的无线通信。为了让这些先进技术更好地在我们当今的社会中发展及应用，我们就必须进行射频电路设计方面的研究。

2.3射频电路基础

2.3.1无源元件

射频电路与数字、低频电路的不同之处就是大量使用无源元件，例如高频电阻（通

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第2章 射频理论概述

过将一些电能转化为热能来降低电压）、高频电容（用于滤波器跳频、匹配网络和晶体管偏置）、高频电感（相对于电阻和电容来说应用较少）。它们的主要用途如下：

A． 阻抗匹配或转换；

B． 抵消寄生元件的影响（扩展带宽）； C． 提高频率选择性（谐振、滤波和调谐）； D． 移相网络、负载等。

无源元件一个很重要的参数就是品质因素（Quality Factor，Q值），其定义见式（2-1），它表示元件或电路在某个频率所在存储的能量与所消耗的能量的比值：

最大存储能量 （2-1）

消耗能量Q?2?在高频电路中，导线连同电阻、电容和电感这些基本无源元件的性能明显与理想元件特征不同。而这些无源元件在高频的特性都可以通过Q值来描述，对于电容和电感来说，为了达到调谐的目的，通常希望得到尽可能高的品质因数。 2.3.2传输线

传输射频能量和信号的线路称为传输线。它广泛用于功率放大器的匹配网络、振荡器中的谐振器和反馈电路，也用于滤波器、定向耦合器、功率分配器和功率合成器。相对于波长而言，传输线可分为长线和短线。长线是指传输线的几何长度和线上传输电磁波的波长的比值大于或接近于1；反之称为短线。将线路分为长线和短线的物理意义在于：长线为分布参数电路，短线为集总参数电路。在低频电路常常忽略元件连接线的分布参数效应，认为电场能量全部集中在电容器中，而磁场能量全部集中在电感器中，电阻元件是消耗电磁能量的。由这些集总参数元件组成的电路称为集总参数电路。随着频率的提高，电路元件的辐射损耗、导体损耗和介质损耗增加，电路元件的参数也随之变化。当频率提高到其波长和电路的几何尺寸可相比拟的时候，电场能量和磁场能量的分布空间很难分开，而且连接元件的导线的分布参数就不可忽略，这种电路称为分布参数电路。在射频电路中大都使用的是分布参数。

有了分布参数的概念，我们就可以将均匀传输线分割成许多微分段dz

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（dz<<λ），这样每个微分段可看作集总参数电路，其集总参数分别为R1dz、G1dz、L1dz、C1dz，其等效网络为一个Γ型网络。整个传输线的等效电路是无限多的Γ型网络的级联。图2-1就是一个典型传输线的示意图，其中（a）是常用来代表传输线的双线图示，（b）就是一个集总参数的Γ型网络图中ΔL、ΔC、ΔR、ΔG分别是单位长度的串联电感、并联电容、串联电阻和并联电阻。

图2-1 传输线示意图

从研究无耗传输线微分段dz出发，就可以得出传输线上电压、电流的变化规律及其相互关系的方程，这就是传输线方程：

?dU(z)??j?L1I(z)??dz （2-2） ??dI(z)??j?CU(z)1??dz传输线的种类有很多，常用的有同轴线或同轴电缆、微带线、共面波导等。它的电参数沿长度分布，传输线的物理特性由下面四个基本参数决定：

A．由于两导体的自电感现象引起的串联电感L； B．两导体之间靠近引起的并联电容； C．由于导体有限的电导率引起的串联电阻R； D．介质材料损耗引起的并联电导G（漏电导）。 2.3.3散射参量（S参数）

S参数一般射频工程师用两端口网络分析法确定射频器件特性时常用的一种参数。在处理高频网络时，由于确定非TEM波电压、电流的困难性，而且在射频频率测量电压和电流也存在实际困难，所以等效电压和电流以及有关的阻抗和导

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