線性與非線性微波電路設(shè)計

前言

　　本人受邀為這本書第一版寫序已經(jīng)是15年前的事情了。從那時起，書中所涉及的應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)發(fā)生了巨大的變化。例如，微波集成電路（MMIC）的設(shè)計和技術(shù)，無論是軍事還是通信系統(tǒng)的應(yīng)用都日趨成熟?，F(xiàn)在，無線電技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到了鼎盛時期。微波頻段中的GaAs、SiGe和MOS技術(shù)補充了有源器件中si技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。人們正在批量生產(chǎn)高功率，高頻率，低噪聲性能的固態(tài)有源器件?！　〉诙嫘抻啿U充了第一版的內(nèi)容，給工程師們提供了不可或缺的大量數(shù)據(jù)和設(shè)計工具，使他或她能最大限度地適應(yīng)這些技術(shù)發(fā)展的新需求。這個版本新增了5章。　　本書第l章是引導(dǎo)性的回顧。內(nèi)容涉及各類主題，從麥克斯韋（Maxwell）方程到射頻無線／微波／毫米波的應(yīng)用，模擬和數(shù)字的需求，基本射頻發(fā)射機和接收機，以及非線性電路分析的CAD，等等?！　〉?章中涉及的頻率范圍從射頻頻段到毫米波頻段，在這個非常寬的頻率范圍，電路元件的電路性能存在一個從集總元件到分布元件的連續(xù)性過渡。理解這一性能對寬帶設(shè)計尤其重要。　　第3章是本書中最長的章節(jié)。它闡述了所有基本微波有源器件的大量細節(jié)。這些器件包括二極管、雙極型晶體管、場效應(yīng)管（FET），以及它們的變形，如MOSFET和HEMT。討論了這些器件的小信號、大信號特性，建模及其應(yīng)用。列舉了超過200個與器件相關(guān)的方程，完全可以滿足任何一個設(shè)計者的設(shè)計需要。同時，也增加了關(guān)于加工要求的一節(jié)?！　⊥耆梢哉f，大多數(shù)有源器件是由兩個或兩個以上端口的網(wǎng)絡(luò)及其互連線組成的。第4章介紹了許多工具，我們要利用這些工具來設(shè)計射頻／微波雙端口網(wǎng)絡(luò)，以及三端口和四端口網(wǎng)絡(luò)。例如，對于了解通信電路中不同回路的設(shè)計和特性，知道四端口網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)參數(shù)是非常有必要的。設(shè)計中，要考慮放大器的功率和電流／電壓增益，也要考慮它們的穩(wěn)定性和噪聲參數(shù)達到相關(guān)指標。許多實例都可以證明多端口網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的重要性?！　〉?章是第4章的補充，內(nèi)容差不多遵循了集總和分布元件阻抗匹配的傳統(tǒng)方法。給出了解析法和圖解（Smith圓圖）法。選擇了許多例子來說明匹配技術(shù)?！　⌒略龅牡?章的內(nèi)容備受關(guān)注。幾乎在任何一個微波系統(tǒng)中，無論是雷達系統(tǒng)還是移動電話的發(fā)射機中，濾波器都是非常關(guān)鍵的元件。濾波器的相關(guān)設(shè)計在20世紀的大量文獻中都有所描述?，F(xiàn)代濾波器的設(shè)計方法多種多樣，有如巴特沃思（Butterworth）法的一類經(jīng)典分析方法，也有元件的計算機優(yōu)化技術(shù)。這一章主要使用的是前者。低通、帶通和高通濾波器都是使用巴特沃思法設(shè)計的，切比雪夫（Chebyshev）響應(yīng)是用傳輸線濾波器的Richards和KurtMa變換法來表述的。大量實例都可以闡明這些分析方法?！　〗酉聛淼囊徽陆榻B了線性雙端口網(wǎng)絡(luò)的噪聲，第二版大大豐富了第一版相應(yīng)章節(jié)的內(nèi)容。更加詳細地闡述了針對噪聲分析的噪聲相關(guān)矩陣方法。由于噪聲矩陣可以處理為雙端口網(wǎng)絡(luò)的信號矩陣，并且容易與后者相混淆，故相關(guān)矩陣方法特別適合計算機處理。噪聲矩陣方法是一種同時適用于線性無源和有源器件的普遍方法。書中給出實例，把它應(yīng)用到BJT和FET的設(shè)計中。給出的方程組能滿足大部分設(shè)計者的設(shè)計需要。

內(nèi)容概要

　　 本書是微波電路設(shè)計領(lǐng)域的一本經(jīng)典著作。內(nèi)容包括：射頻/微波系統(tǒng)，集總和分布參數(shù)元件，有源器件，雙端口網(wǎng)絡(luò)，阻抗匹配，微波濾波器，線性雙端口的噪聲，小信號和大信號放大器，功率放大器，振蕩器設(shè)計，微波混頻器，射頻開關(guān)和衰減器，MMIC設(shè)計工作站等。6個附錄給出了多種器件電路和噪聲模型、增益理論、互調(diào)失真、無源不連續(xù)元件等公式的詳細推導(dǎo)，最后給出了專業(yè)術(shù)語的中英文對照索引，便于查閱。

作者簡介

George D.Vendelin IEEE終身會士。從事微波工程設(shè)計咨詢和教學(xué)指導(dǎo)40多年。曾任職于德州儀器、福特航空航天／勞拉空間與通信／洛克希德馬丁、利頓／Filtronics、仙童、安立、愛德萬等公司。通過自創(chuàng)的維德林工程咨詢公司為眾多企業(yè)提供微波設(shè)計服務(wù)，是斯坦福大學(xué)、圣克拉拉大學(xué)，圣何塞州立大學(xué)和加州大學(xué)伯克利分校兼職教授。

書籍目錄

第1章  射頻/微波系統(tǒng)  1.1  簡介  1．2  麥克斯韋方程組  1.3  射頻無線電技術(shù)/微波/毫米波的應(yīng)用  1.4  工作頻帶，模式和波形  1.5  模擬和數(shù)字要求  1.6  基本定義  1.7  基本RF發(fā)射機和接收機  1.8  用于非線性電路分析的現(xiàn)代CAD  1.9  動態(tài)負載線  引用文獻  參考資料  習(xí)題第2章  集總元件和分布元件  2.1  簡介  2.2  射頻電路到微波電路的過渡  2.3  集總元件上的寄生效應(yīng)  2.4  分布元件  2.5  混合元件：螺旋線圈  引用文獻  參考資料  習(xí)題第3章  有源器件  3.1  引言  3.2  二極管  3.3  微波晶體管  3.4  異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管  3.5  微波FET第4章  雙端口網(wǎng)絡(luò)  4.1  引言  4.2  雙端口參數(shù)  4.3  S參數(shù)  4.4  通過SPICE分析得出的S參數(shù)  4.5  穩(wěn)定性  4.6  功率增益、電壓增益和電流增益  4.7  三端口器件  4.8  轉(zhuǎn)換功率增益的推導(dǎo)  4.9  差分S參數(shù)  4.10  雙絞線傳輸線  4.11  低噪聲和高功率放大器的設(shè)計  4.12  低噪聲放大器設(shè)計實例  引用文獻  參考資料  習(xí)題第5章  阻抗匹配  5.1  引言  5.2  Smith圓圖和匹配  5.3  阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)  5.4  單元件匹配  5.5  雙元件匹配  5.6  集總元件匹配網(wǎng)絡(luò)  5.7  分布元件匹配網(wǎng)絡(luò)  5.8  匹配網(wǎng)絡(luò)的帶寬限制  引用文獻  參考資料  習(xí)題第6章  微波濾波器  6.1  引言  6.2  低通原型濾波器的設(shè)計  6.3  變換  6.4  傳輸線濾波器  6.5  精確設(shè)計和CAD工具  6.6  實際濾波器  引用文獻  參考資料  習(xí)題第7章  線性雙端口網(wǎng)絡(luò)的噪聲  7.1  引言  7.2  信噪比  7.3  噪聲系數(shù)測量  7.4  噪聲參量和噪聲相關(guān)矩陣  7.5  有噪聲雙端口網(wǎng)絡(luò)描述  7.6  級聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)  7.7  外部寄生元件的影響  7.8  噪聲圓  7.9  用相關(guān)矩陣計算線性雙端口網(wǎng)絡(luò)的噪聲相關(guān)性  7.10  噪聲系數(shù)測試設(shè)備  7.11  噪聲參量的確定方法  7.12  雙極型晶體管和場效應(yīng)管噪聲特性的計算  7.13  雙極型T形晶體管的噪聲模型  7.14  GaAs場效應(yīng)管噪聲模型  引用文獻  參考資料  習(xí)題第8章  小信號和大信號放大器設(shè)計  8.1  引言  8.2  單級放大器的設(shè)計  8.3  倍頻器  8.4  1.9 GHz的PCS和2.1 GHz的W-CDMA放大器的設(shè)計舉例  8.5  穩(wěn)定性分析和局限性  引用文獻  參考資料  習(xí)題第9章  功率放大器的設(shè)計  9.1  引言  9.2  器件建模與描述方法  9.3  最優(yōu)負載  9.4  單級功率放大器的設(shè)計  9.5  多級設(shè)計  9.6  分布式功率放大器  9.7  工作類型  9．8  功率放大器的穩(wěn)定性  9.9  放大器線性化方法  引用文獻  參考資料  習(xí)題第10章  振蕩器設(shè)計  10.1  引言  10.2  壓縮Smith圓圖  10.3  串聯(lián)或并聯(lián)諧振  10.4  諧振器  10.5  雙端口振蕩器的設(shè)計  10.6  晶體管模型的負電阻  10.7  振蕩器的Q值與輸出功率  10.8  振蕩器中的噪聲：線性方法  10.9  用S參數(shù)分析方法對振蕩器設(shè)計進行優(yōu)化  10.10  振蕩器的非線性有源模型  10.11  使用非線性CAD工具進行振蕩器設(shè)計  10.12  微波振蕩器特性  10.13  使用大信號Y參數(shù)的振蕩器設(shè)計  10.14  基于貝塞爾函數(shù)的大信號設(shè)計實例  10.15  最佳相位噪聲和良好的輸出功率的振蕩器設(shè)計實例  10.16  在振蕩器中計算相位噪聲的CAD方法  10.17  驗證電路  10.18  設(shè)計高效微波FET和雙極型振蕩器（最優(yōu)功率）的解析方法  引用文獻  參考資料  習(xí)題第11章  微波混頻器設(shè)計  11.1  引言  11.2  二極管混頻器原理  11.3  單二極管混頻器  11.4  單平衡混頻器  11.5  雙平衡混頻器  11.6  場效應(yīng)管混頻器理論  11.7  平衡場效應(yīng)管混頻器  11.8  特殊混頻器電路  11.9  使用現(xiàn)代CAD工具  11.10  混頻器噪聲  引用文獻  參考資料  習(xí)題第12章  RF開關(guān)和衰減器  12.1  PIN二極管  12.2  PIN二極管開關(guān)  12.3  PIN二極管衰減器  12.4  FET開關(guān)  引用文獻  參考資料第13章  用于MMIC設(shè)計的微波計算機輔助工作站  13.1  引言  13.2  砷化鎵MMIC加工：CAD的作用  13.3  產(chǎn)品驅(qū)動設(shè)計  13.4  利用諧波平衡法設(shè)計非線性電路  13.5  可編程微波調(diào)諧系統(tǒng)  13.6  考慮布線效應(yīng)的MMIC的介紹  13.7  GaAs MMIC布線軟件  13.8  設(shè)計實例  13.9  CAD的應(yīng)用  參考資料附錄A  BIP：GUMMEL-POON雙極型晶體管模型附錄B  MOSFET的LEVEL 3模型附錄C  GaAs MESFET的噪聲參量附錄D  單向增益部分的推導(dǎo)附錄E  雙音互調(diào)產(chǎn)物的矢量表示附錄F  微波無源元件索引

章節(jié)摘錄

　　由固態(tài)器件角度出發(fā)，這一重要科學(xué)大事是雙極型晶體管（BJT）和砷化鎵場效應(yīng)管（GaAs MES.FET）的發(fā)明，它們至今仍為電子學(xué)的核心。而由于溫度因素和平面工藝的發(fā)現(xiàn)，鍺雙極型晶體管（GeBJT）又很快地被硅雙極型晶體管（si BJT）代替。貝爾實驗室在試圖制造一個可變電阻器或場效應(yīng)管的時候意外發(fā)現(xiàn)了鍺雙極性晶體管?！　〉谝粋€固態(tài)x波段雷達是Texas Instuments于1966-1970年在和Wright Patterson空軍基地有合同關(guān)系時開發(fā)的。這一合同方案被稱為MERA方案（Microwave Electronics Radar Application，微波電子雷達應(yīng)用）。它帶來了微波工程學(xué)的革命，即在人們認為硅材料不可能制作微帶傳輸線之后，首次提出了利用氧化鋁為材料制成混合微波集成電路（MIC）的新思路。MERA方案由一個相控陣天線組成，它的指向由在功率為1 w發(fā)射機前的移相器決定，移相器個數(shù)為640。MERA方案于20世紀90年代在BMDOBallistic Missile Defense Operation，基地雷達（GBR）彈道導(dǎo)彈防衛(wèi)控制]中，被：Raytheon公司和TI公司所發(fā)明的砷化鎵場效應(yīng)管組件所取代，該模型在1996年大約就能裝載60 000個單元?！　≡诤教祛I(lǐng)域中，對于砷化鎵場效應(yīng)管的首次應(yīng)用我們有必要再做些說明。1973年，F(xiàn)airchild公司和Plessey公司都在生產(chǎn)砷化鎵場效應(yīng)管，每個管子?xùn)砰L約2／an，價格約500美元。1975年，SPAR準備發(fā)射一枚衛(wèi)星，于是雇用加拿大的通信研究中心（CRC）。該中心選擇上述兩公司制造的新型場效應(yīng)管來設(shè)計低噪聲放大器（INA）。第一批用于太空的23個砷化鎵場效應(yīng)管便從Fairchild公司耗資40 000美元購進。但由于靜電釋放（ESD）的問題，這些場效應(yīng)管在兩個月內(nèi)大量報廢。接下來他們又購進了一整套的晶體管。這個故事的簡化版被記載在引用文獻[1.18]和[1.19]之中。在這個事件中，兩家供貨商提供用于5級或6級的放大器的場效應(yīng)晶體管（參見圖1.1）。此類放大器中心頻率為12 GHz，帶寬300 MHz，增益26 dB，噪聲系數(shù)為10 dB

編輯推薦

　　兼并主流思路，理論體系完整，設(shè)計過程清晰，結(jié)果實用，圖文并茂?！　【o密結(jié)合半導(dǎo)體最新材料、多層工藝、微波電路和集成系統(tǒng)CAD軟件等創(chuàng)新技術(shù)?！　嵗秊橹镜膶嶋H產(chǎn)品或軍事合同項目。規(guī)范引自美國國防部和眾多機構(gòu)公告等?！　∶空潞竺娴亩鄠€習(xí)題有連貫性，知識運用系列化，提高讀者的綜合設(shè)計水平。　　引用文獻和參考資料涵蓋了半個多世紀發(fā)展的成就，方便查閱原文。　　作為案頭必備，有助于提升我國在電子和信息產(chǎn)業(yè)方面的整體水平，有助于我國在射頻與微波領(lǐng)域培養(yǎng)具有國際競爭能力的技術(shù)人才?！　　毒€性與非線性微波電路設(shè)計（第2版）》的3位作者來自美國3家著名公司，10多位參加編寫人員是美歐多所相關(guān)大學(xué)的教授和公司的專家，20多家世界著名公司提供了重要的業(yè)界信息。

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