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無線應用射頻與微波電路設計(第二版) ( 簡體 字) |
| 作者：張玉興,文繼國 | 類別：1. -> 電子工程 -> 電子電氣 |
| 譯者： |
| 出版社：電子工業出版社 |  3dWoo書號： 38563
詢問書籍請說出此書號！【缺書】
【不接受訂購】 |
| 出版日：5/1/2014 |
| 頁數：768 |
| 光碟數：0 |
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站長推薦：   |
| 印刷：黑白印刷 | 語系： ( 簡體 版 ) |
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【不接受訂購】 | | ISBN：9787121231230 |
| 作者序 | 譯者序 | 前言 | 內容簡介 | 目錄 | 序 |
| (簡體書上所述之下載連結耗時費功, 恕不適用在台灣, 若讀者需要請自行嘗試, 恕不保證) |
| 作者序： |
| 譯者序： |
前言：譯 者 序
從首次翻譯《無線應用射頻與微波電路設計》以來已經過去了十年，從這本書的原文第一版出版到第二版出版則過去了12年。這12年來電子技術的發展可以說是日新月異，特別是無線通信的發展，從GSM最初的頻分多址（FDMA）到時分多址（TDMA），又發展到CDMA（碼分多址）和WCDMA（寬帶CDMA）。今天則已經進入了第四代無線通信（LTE）時代。數據無線傳輸速率從不到1Mbps到幾Mbps，今天則達到幾十Mbps，上百Mbps。現在各個國家正在大力發展LTE-A，數據傳輸速率要達到幾百Mbps。
這12年以來，器件的發展也是有目共睹的。新穎半導體材料GaN和SiGe的出現，發展出來了相應的、性能更加優良的射頻微波器件。例如，GaN功率器件的出現，使X波段的單個晶體管功率容量從幾瓦進步到幾十、上百瓦，甚至幾百瓦。
半導體工藝技術的發展速度也是驚人的。由于12年前工藝技術的限制，CMOS器件只能用于低頻，今天的CMOS器件則可用于射頻和微波領域。半導體工藝技術的發展也促使各個大型公司的半導體部門分立出來，成立為獨立的公司，例如Infineon、Freescale、NXP和Avago。
本人有幸再次成為本書的翻譯者。雖然譯者是電子科技大學的教授，長期從事低頻模擬電路、射頻模擬電路與系統、微波固態電路和鎖相技術等課程的教學工作，但也長期從事無線收發系統、高線性大動態接收機、頻率合成和固態功率放大器等領域的科研任務。為此，在1999年成立成都賽英科技有限公司，當時主要研制生產射頻微波頻率源。經過十多年的發展，除了原來的微波源、微波開關、微波濾波器、低噪聲放大器、功率放大器、無線接收發射機和瞬時測頻等產品外，現在又開發出單兵雷達、機場跑道異物檢測雷達等產品。
可以說，我和《無線應用射頻與微波電路設計》的作者是同行，對這個領域中問題的理解是相同的。《無線應用射頻與微波電路設計》是我在該領域見到的最好的書。第二版經過修訂和更新，是獨一無二的從技術狀態上引導無線集成電路設計，為研究人員和工程師提供跟蹤最新IC技術的完整系列建模、設計和實現的工具。
正如本書封底所介紹的那樣，這是現代理論和實際問題完美結合的典范著作。射頻微波電路是一門需要實踐的學科，電路能否成功還與印制板的布局技術及實際的調試有關。雖然計算機仿真技術發展到今天，已經可以解決大部分的問題，特別是線性放大器。但是，大信號的建模、電路元件的分布性、電磁互耦及參數抽取等問題引起模型的不準確。因此，射頻微波單元電路和系統都需要經過調試，本書用了一定的篇幅介紹這方面的問題。
本書的第1、2章由成都信息工程學院文繼國教授翻譯，其余大部分由電子科技大學電子工程學院張玉興教授翻譯。參與翻譯的還有成都賽英科技有限公司的技術同行—吳義華、趙宏飛、唐世容、姚宗誠、王清文、張慧英、劉濤等。翻譯過程中得到了電子工業出版社的大力支持，特別是劉海艷編輯的支持。
張玉興
2014年1月于成都
前 言
當我在兩年前開始寫一本關于無線電技術，特別是涉及電路設計方面的著作的時候，認為這項技術的日新月異已經到了一個穩定的階段。但令我吃驚的是，事實絕非如此，于是我必須不斷地適應新的發展，使自己不會被時代拋下。這種對形勢的追趕簡直需要“協和飛機的高速發動機”的動力。
這項所謂“古老的”技術，其發展速度并沒有被任何的商業機遇促使而突飛猛進。這一點告訴我們，為了應付今天的需要，仍然有很多設計技術需要被了解或改進。因為電路設計要求大量的計算工作，故本書大量運用了最先進的CAD工具。這里，要十分感謝惠普公司為我們提供的包含匹配綜合法和寬帶CDMA庫的“高級設計系統”（ADS）軟件。遺憾的是，對軟件的某些應用細節的推敲需要時間，這與一再推遲的本書的出版時間仍有沖突。因此在這里我們只能給出它們的功能作為參考，而沒有實際演示。這些軟件的使用，包括Eagleware公司提供的軟件，只能在本書的新版本中出現了。為了保持本書形式上的一貫性，我們決定仍采用Ansoft公司的工具。為確保所有電路正確無誤，我們在器件的建模方面花費了大量時間，以確保設計的電路能正常工作。然而，在很多的出版物上常常會有不完整或是不能工作的電路。
當然商業期刊也有積極的一面，它們能使我們了解現代化的設計。一些主要的出版物如下：
Applied Microwave ＆ Wireless
Electronic Design
Electronic Engineering Europe
Microwave Journal
Microwave ＆ RF
Microwave Product Digest (MPD)
RF Design
Wireless System Design
此外，我們還能從書上或CD中得到一些內容不錯的會議資料，諸如：
GaAs IC 論壇（年會，由IEEE-EDS，IEEE-MTT發起）
IEEE國際固態電路會議（年會）
IEEE MTT-S國際微波論壇（年會）
當然，除此之外，在以上提到的商業期刊中也會提到其他一些有價值的會議刊物，而且一些會議和專題研究小組有著密切的聯系。比如最近的“無線RF接收機設計”會議就與IEEE MTT-S有關。另外，課程培訓也是很有用的途徑，比如Besser協會的4天短期“射頻微波設計入門”培訓就是其中之一。無線設計可以分為數字部分和模擬部分。前者涉及各種性能不同的數字調制與解調。本書只討論模擬設計。
在模擬部分存在3種相互競爭的技術，因而使之變得十分復雜。例如，手持或電池供電的設備，就需要考慮成本、體積及功耗這3個要素。CMOS一直是無繩電話的最佳選擇，因為它要求的信噪比指標較蜂窩電話低。CMOS比雙極型和砷化鎵技術有更大的噪聲，于是在VHF/SHF頻率從輸入級到輸出級會出現問題。SiGe晶體管與GaAs技術間有很激烈的競爭。大多數前置分頻器是雙極型的，而大多數基站功放都是用GaAs FET或LD MOS制成的。最具競爭力的技術是SiGe晶體管技術和GaAs技術。在上述3種競爭技術中，GaAs的成本最高。在SiGe領域，IBM和Maxim看來是傲視群雄、保持領先水平的制造商。
另外一個較重要的問題是手持或電池供電的設備與基站間的區別。大部分從事“電池供電”電路的設計者都無一例外地依賴于集成電路，而集成電路每6∼9個月就會有新的設計產品出現。現在假設給出多種選擇，我們仍然沒有一個系統的方法來選擇最合適的IC品種和IC器件。因此我們決定給出設計者一些選擇IC時的準則，特別是在高性能設備設計時需要的準則。說到高性能的設備，低功耗并不是很大的問題，而不同形式的動態范圍顯得更為重要。大多數的這類電路都是被設計成若干分散部分的組合。任何人若要有一個合適的天線，把它指向紐約并與一臺頻譜分析儀連接，他馬上就會理解：包括無繩和蜂窩在內的電話、大功率傳呼和其他通信設備的信號譜，以及它們的相互作用的頻譜，這些會將頻譜分析儀“淹沒”。IC應用于手持機及其他設備被證實不錯。它們的三階截斷點優于-10dBm，但一個真正內行的人知道，要設計一個固定站，該指標至少不能小于+10dBm。這一概念不僅適用于放大器，而且適用于混頻器與振蕩器。因此，我們決定就該動態范圍給出一些實例。在第1章中，現代IC的簡述就是要告訴讀者一些典型的性能和實際的需要。大的半導體器件公司既生產芯片，又生產手機或基站所需的分立設備，這樣做很實用。我們堅信，本書選擇的電路對各種應用都是非常有用的。
第1章介紹數字調制及其性能評估，這是無線通信的基礎。我們決定把付諸實施的討論留給更多的有實力的公司。因為現在調制的標準仍不固定，所以不能進行全方位的介紹。本章還包括各種源于教程的一些有價值的資料，它們來源于包括我們德國公司，即位于慕尼黑的Rohde ＆ Schwarz公司，特別是它的輔導資料：“1998年銷售工程入門培訓”光盤中的數字調制部分。注：本書中，我很少使用一個圖例或是一次以上的方程，所以讀者不必為了理解一個問題而回顧以前的章節。
第2章是對各種半導體技術的全面介紹。通過這些介紹，可以幫助設計者做出一個較科學的決定。相關的資料，如PIN二極管也包括在內。在很多的應用中，晶體管往往用于性能受限的狀態，比如既要低電壓又要低電流的工作性能。對特征頻率的依賴，噪聲系數及大信號特性，這些都需要評估。除了二極管用作可變電容或調諧電容外，另一個主要應用就是用作開關。為了使讀者更好地理解不同半導體器件的參數含義，本書提供了各種數據表及少量應用實例，用來說明對某個特定的應用而言，如何選擇最好的技術。對于線性應用而言，噪聲系數是極為重要的；而在非線性應用中，則需要知道失真產物。因此，這一章不僅介紹半導體的線性特性，還有它們的非線性性能，甚至包括了參數提取的細節。設想一下，如果我們給了設計者若干的選擇，但都沒有完整的來自制造商的數據，那將是多么嚴重的問題。
第3章是本書最長的章節。這一部分對分立和集成放大器進行了詳細的分析和介紹，使讀者對半導體特性和使器件發揮最佳作用所需的電路有深入的了解。我們研究放大器性能，增益穩定性、匹配，以及評估內部直接耦合和帶反饋的一、二、三級放大器，這些都是集成電路中的常見結構。在進行這些研究的同時，我們提供目前市場上最流行的IC例子，當然大家也知道，每6個月或更長一些時間，便有更成熟的新器件出現。本章的另一個重要問題是數字信號處理中的偏置點選擇和匹配問題，我們可以使讀者對諸如當放大器在特定模式工作時因失真所引起的鄰近信道功率比這樣的復雜問題有較深入的了解。在對這些放大器進行級聯的時候，阻抗匹配是一個重要的問題。本章介紹一些有用的高頻應用的耦合器和寬帶匹配電路，另外還介紹用調諧二極管構成的跟蹤濾波器作為高頻預選器。本章接著討論了差動放大器、倍頻器、AGC、偏置和推挽/并聯放大器，隨后是關于功放的較深入的剖析，其中包括一些實例和穩定性分析的研究。本章最后是功放品種選擇數據和推薦的制造商一覽表。
第4章是關于適用于射頻領域的混頻器的詳細分析。本章給出混頻器設計及計算插入損耗和噪聲系數的不同的數學方法。讀者可以對有源和無源混頻器、加法和乘法混頻器的區別有深入的了解，并得到其他一些有用的啟示。另外，我們還增加了一些來自Motorola、Siemens公司的非常巧妙的電路，它們和IC一樣非常有效。
因為許多放大器都會出現振蕩，所以關于振蕩器的第5章就是一個合理的延續。本章在簡要說明為什么需要壓控振蕩器（VCOs）之后，接著討論包括微波振蕩器和十分重要的基于陶瓷諧振器的振蕩器在內的基本振蕩條件和不同結構振蕩器的相位噪聲。本章將使讀者了解產生各種噪聲的因素，分立元件與集成振蕩器的性能區別及性能特點。當然，本章也將給出大量最新的電路。
第6章涉及的是頻率合成器，它主要依靠第5章所講的振蕩器及不同的系統結構來獲得最佳的性能。合成器的所有組成部分，包括環路濾波器、鑒頻鑒相器，以及它們實際的功能都會闡述。本章還提到商用合成器芯片的進一步應用，另外，分數N分頻頻率合成器和直接數字頻率合成器的基本原理也被包含在這一章內。分數N分頻頻率合成器可能是最令人感興趣的合成器之一。本章最后還附加了專利方面的信息，供創新設計者使用。
本書最后是兩個附錄。附錄A是高頻模型提取途徑及HBT的集成參數提取途徑的討論。一個十分有效的噪聲模型被開發出來，這樣便大大改進了描述器件性能的準確性。
附錄B是一個關于電路性能的CAD應用，特別介紹關于如何進行負載牽引的仿真。
需要重申的一點是，雖然每過幾個月，更成熟的新的IC器件出現，一些功耗參數和應用也自然會在本書討論的系統中發生變化，但任何新的設計所遵守的基本原理是不會改變的。
最后我們要感謝眾多來自Ansoft、Alpha Industries、Motorola、National Semiconductor、Philips、Rohde ＆ Schwarz和Siemens Semiconductor（現為Infineon Technologies）的工程師，感謝他們提供的最新信息，并讓我們使用了他們擁有的一些有價值的資料。
談到許可權的問題，National Semiconductor公司特別要求我們在本書中進行如下申明：
生命維持政策！
未經National Semiconductor 公司總裁的書面同意，本公司的任何產品不得授權作為生命維持設備或系統的關鍵元件使用。
被使用方面如下：
? 生命維持設備或系統是用于外科植入或直接維持生命的設備或系統，在按標簽所說的方法正確使用時，一旦它出現不能正常工作的情況將會給使用者帶來巨大的傷害。
? 對任何生命維持設備或系統而言，一旦關鍵元器件出現問題，將很可能導致整個設備或系統失效，以致影響到它的安全性和有效性。
最后還要感謝出版商John Wiley＆Sons，特別是 George Telecki，由于這項工作的繁雜造成了幾次出版延期，他們都表示諒解。
Ulrich L. Rohde |
內容簡介：本書是《無線應用射頻與微波電路設計》的第二版。全書共6章。第1章概述了調制類型和無線收發系統。第2章深入討論二極管、雙極晶體管和各類場效應管的模型和參數提取。第3章講解了射頻微波電路中應用最廣泛的“放大器設計”，是本書的重點之一，涉及噪聲、寬帶匹配、高功率、線性化等放大器的諸多知識點和設計方法。本版增加了放大器線性化方案和射頻CMOS放大器的內容，以適應當前電子技術發展的趨勢。第4章詳細分析了無源和有源混頻器。第5章闡述了射頻振蕩器原理，從理論上深入分析了相位噪聲的產生機理，并且討論高Q振蕩器，還給出了大量成熟的實際電路。第6章講述了射頻微波頻率合成器，重點闡述整數N分頻PLL頻率合成，對分數N分頻PLL方法和DDS也有一定深度的分析。 |
目錄：第1章 無線電路設計基礎 1
1.1 概述 1
1.2 系統功能 2
1.3 無線信道和調制要求 5
1.3.1 引言 5
1.3.2 信道沖激響應 7
1.3.3 多普勒效應 11
1.3.4 傳遞函數 12
1.3.5 信道沖激響應的時變特性和傳遞函數的時變特性 12
1.3.6 研究總結 14
1.3.7 無線信號舉例：GSM中的TDMA系統 15
1.3.8 從GSM到UMTS再到LTE的發展 25
1.4 關于比特、符號和波形 26
1.4.1 引言 26
1.4.2 數字調制技術基礎 33
1.5 無線系統分析 45
1.5.1 模擬與數字接收機設計 45
1.5.2 發射機 54
1.6 框圖組成 71
1.7 系統性能及其與電路設計的關系 75
1.7.1 系統噪聲和噪聲基底 75
1.7.2 系統的幅度特性和相位特性 79
1.8 測試 99
1.8.1 引言 99
1.8.2 發射和接收質量 99
1.8.3 基站仿真 108
1.8.4 GSM 109
1.8.5 DECT 109
1.9 C/N或SNR到Eb/N0的變換 110
參考文獻 111
推薦讀物 112
第2章 有源器件模型 114
2.1 二極管 115
2.1.1 大信號二極管模型 115
2.1.2 混頻二極管和檢波二極管 118
2.1.3 PIN二極管 125
2.1.4 變容二極管 139
2.2 雙極型晶體管 173
2.2.1 晶體管的結構類型 173
2.2.2 雙極晶體管的大信號性能* 175
2.2.3 正向有源區的大信號晶體管 187
2.2.4 采用異質結構提高射頻性能 193
2.2.5 集電極電壓對BJT管正向有源區的大信號特性的影響 195
2.2.6 HBT處于正向有源區時集電極的電流和電壓對大信號特性的影響 196
2.2.7 飽和區和反向有源區 199
2.2.8 自熱 203
2.2.9 雙極型晶體管的小信號模型 205
2.3 場效應管 207
2.4 結型場效應管的大信號性能 213
2.4.1 JFET的小信號特性 217
2.4.2 MOSFET的大信號特性 221
2.4.3 MOS場效應管處于飽和區時的小信號模型 227
2.4.4 場效應管的短溝道效應 230
2.4.5 MOSFET場效應管的小信號模型 234
2.4.6 III-V材料的MESFET場效應管和HEMT場效應管 249
2.4.7 GaAs MESFET和HEMT的小信號模型 258
2.5 有源器件的參數提取 283
2.5.1 概述 283
2.5.2 典型的SPICE參數 283
2.5.3 噪聲建模 285
2.5.4 器件模型的縮放因子 292
2.5.5 建立“參數提取”的數據庫 293
2.5.6 結論 309
2.5.7 器件庫 310
2.5.8 MESFET管的物理模型 310
2.5.9 實例：改進BRF193W模型 313
參考文獻 314
推薦讀物 316
第3章 基于BJT與FET的放大器設計 317
3.1 放大器的特性 317
3.1.1 引言 317
3.1.2 增益 321
3.1.3 噪聲系數（NF） 325
3.1.4 線性特性 348
3.1.5 自動增益控制（AGC） 359
3.1.6 偏置和電源電壓與電流（功耗） 365
3.2 放大器的增益、穩定性和匹配 368
3.2.1 S參數關系 369
3.2.2 低噪聲放大器 373
3.2.3 高增益放大器 404
3.2.4 低電壓集電極開路設計* 411
3.2.5 靈活匹配電路 418
3.3 單級反饋放大器 419
3.3.1 無損耗或無噪反饋 423
3.3.2 寬帶匹配 424
3.4 兩級放大器 424
3.5 三級或多級放大器 433
3.5.1 多級放大器的穩定性 437
3.6 一種壓控調諧濾波器的新方法及其CAD確認 437
3.6.1 二極管性能 437
3.6.2 VHF例子 440
3.6.3 HF/VHF壓控濾波器 442
3.6.4 改善VHF濾波器 444
3.6.5 總結 445
3.7 差動放大器 446
3.8 二倍頻器 449
3.9 有自動增益控制（AGC）的多級放大器 453
3.10 偏置 455
3.10.1 RF偏置 462
3.10.2 直流偏置 463
3.10.3 集成放大器的直流偏置電路 465
3.11 推挽/并聯放大器 466
3.12 功率放大器 468
3.12.1 實例1：輸出為7W的1.6GHz C類BJT功率放大器 476
3.12.2 例子：高效率3.5GHz逆F類GaN HEMT功率放大器* 486
3.12.3 線性放大器系統 495
3.12.4 用于射頻功率晶體管的阻抗匹配網絡 503
3.12.5 實例2：使用分布元件的低噪聲放大器 520
3.12.6 實例3：用CLY15的1W放大器 525
3.12.7 實例4：430MHz、90W推挽BJT放大器 530
3.12.8 能改善線性度的準并聯晶體管 531
3.12.9 分配放大器 533
3.12.10 功率放大器的穩定性分析 533
參考文獻 540
推薦讀物 543
第4章 混頻器設計 546
4.1 概述 546
4.2 混頻器的性質 548
4.2.1 變頻增益（損耗） 548
4.2.2 噪聲系數 550
4.2.3 線性 556
4.2.4 本振激勵電平 558
4.2.5 端口間隔離度 558
4.2.6 端口VSWR 559
4.2.7 直流失調 560
4.2.8 直流極性 560
4.2.9 功率消耗 560
4.3 二極管混頻器 560
4.3.1 單二極管混頻器 560
4.3.2 單平衡混頻器 569
4.3.3 二極管環形混頻器 572
4.4 晶體管混頻器 587
4.4.1 BJT希爾伯特單元 587
4.4.2 帶反饋的BJT希爾伯特單元 590
4.4.3 FET混頻器 597
4.4.4 MOSFET希爾伯特單元 601
4.4.5 GaAs FET單柵開關－阻性混頻器 601
參考文獻 622
推薦讀物 623
第5章 射頻無線振蕩器 624
5.1 頻率控制概述 624
5.2 背景 624
5.3 振蕩器設計 626
5.3.1 振蕩器基礎 626
5.4 振蕩器電路 638
5.4.1 Hartley（哈特利） 638
5.4.2 Colpitts（科耳皮茲） 638
5.4.3 Clapp-Gouriet（克拉普-考瑞特） 639
5.5 射頻（RF）振蕩器設計 639
5.5.1 晶體管振蕩器總體構思 639
5.5.2 雙口微波/射頻振蕩器設計 643
5.5.3 陶瓷諧振器振蕩器 646
5.5.4 使用微帶電感作為振蕩器的諧振器 649
5.5.5 哈特利微帶諧振器振蕩器 655
5.5.6 晶體振蕩器 655
5.5.7 壓控振蕩器 658
5.5.8 調諧二極管諧振電路 661
5.5.9 實用電路 664
5.6 振蕩器中的噪聲 669
5.6.1 振蕩器相位噪聲計算的線性化方法 669
5.6.2 基于反饋模型的相位噪聲分析 675
5.6.3 AM-PM轉換 678
5.6.4 數值優化振蕩器 685
5.7 實際使用中的振蕩器 690
5.7.1 振蕩器的指標 690
5.7.2 更實際的電路 692
5.8 集成和毫米波振蕩器相位噪聲的改善 698
5.8.1 概述 698
5.8.2 噪聲分析回顧 699
5.8.3 工作環境 700
5.8.4 減小閃爍噪聲 702
5.8.5 集成振蕩器的應用 702
5.8.6 總結 706
參考文獻 706
令人感興趣的專利 707
推薦讀物 708
第6章 射頻頻率合成器 710
6.1 引言 710
6.2 鎖相環（PLL） 710
6.2.1 PLL基礎 710
6.2.2 相位頻率比較器 712
6.2.3 提供電壓輸出的鑒相器的濾波器 722
6.2.4 基于電荷泵的鎖相環 725
6.3 應用CAD進行實際的PLL設計 732
6.4 分數N分頻鎖相頻率合成 736
6.4.1 分數N分頻原理 736
6.4.2 雜散抑制技術 737
6.5 直接數字合成 745
參考文獻 749
令人感興趣的專利 750
推薦讀物 752 |
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