高频电路设计与制作 市川裕一.pdf
高频电路设计与制作 市川裕一.pdf 高频电路设计与制作 市川裕一.pdf图字:01-2005-1166号内容简介本书是“图解实用电子技术丛书”之一。全书共分9章。本书首先对高频的基本知识加以介绍,然后在后续的篇章里,对开关、低噪声放大器、混频器、滤波器、检波电路、振荡电路、PLL的设计与制作等进行详细论述。本书全面地阐述了有关高频电路设计的基础理论及其实际制作,且配有大量的印制电路板图、仿真电路等,图文并茂,大大地提高了本书的参考阅读价值本书适合电子通信及其相关领域的工程技术人员参考阅读,也可作为大专院校电子、通信专业学生的课外阅读资料。图书在版编目(CIP)数据高频电路设计与制作/(日)市川裕一,青木胜著;卓圣鹏译;何希才校北京:科学出版社,2006(图解实用电子技术丛书)ISBN7-03-017369-4I.高…Ⅱ.①市…②青…③卓…④何…Ⅲ.高频电路-设计Ⅳ.TN710.2中国版本图书馆CIP数据核字(2006)第058116号责任编辑:赵方青崔炳哲/责任制作:魏谨责任印制:刘士平/封面制作:李力北京东方科龙囹文有限公司制作http://www.okbook.com.cn学寓版出版比京东黄城根北街16号邮政码:100717http://www縹海印剁有限责任公司印刷科学出版社发行各地新华书店经销2006年8月第版开本:B5(720×1000)2007年2月第二次印刷印张:印数:4001-7000字数:271000定价:39.00元(如有印装质量问题,我社负责调换(新欣》)译者序对电路设计而言,高频电路是由具有丰富经验的技术人员进行设计的。所以,高频电路的设计工作重任往往肩负在前辈工程师的身上。因为高频电路涉及的参数很多,设计时受周边电路的影响很大,不仅要考虑电路本身的设计,也要顾及所使用印制基板的材质、厚度和印制布线等。只要设计不当,就会产生寄生电容形成谐振电路,造成信号被衰减或产生噪声,导致无法满足设计要求。因此,高频电路设计人员需要有经验,所谓经验,就是设计时能事先避免一些不合常理的设计以及解决电路设计时所遇到的问题般初学者可能不具备这些能力。但是,随着科技的进步,高频电路设计的门槛逐渐降低,高频电路/微波电路用的仿真软件也得到了快速的发展。不了解高频电路的人,只要使用髙性能仿真软件,就能得到所需要的性能。因此,设计人员只要依照仿真电路,稍具备一些基本设计概念,就能够设计出高频电路。一般说来,虽能靠仿真软件来设计出所期望的电路,但是,最后还是靠人工去完成。因此,设计人员必须不断学习新知识、积累实际操作经验才能顺利地完成设计任务,而本书就是充实自己的一本好书。本书是高频电路设计的入门书,其内容包括:高频的基础知识,开关、低噪声放大器、混频器、滤波器、检波电路、振荡电路以及PLL等的设计与制作。这些设计与制作都是最基本的概念,根据实际的图表加以说明,使初学者能很快进入高频电路设计领域,对一些有经验的设计者而言,本书也是一本不可或缺的参考书本书内容新颖,深入浅出地介绍了高频电路设计。由于时间仓促,立意虽宏,疏漏之处尚祈不吝指教GHz Jidai no Kousyuuha Kairo SekkeiBy yuichi Ichikawa, Masaru AokiCopyright c 2003 by Yuichi Ichikawa. Masaru AokiAll rights reservedOriginally published in Japan by CQ Publishing Co, Ltd, TokyoChinese (in simplified character only) translation rights arranged withCQ Publishing Co, Ltd, JapanGHz時代O高周波回路設計市川裕—青木胜cQ出版株式会社2004著者简介市川裕一1963年生于群马县1985年毕业于群马大学部电子工学科1985年进入日本光电工业(株)1985年进入日本电气电波机器 Engineering(株),从事微波电路设计1988年进人(株)横尾制作所,从事卫星通信用LNB的设计开发1992年进入太阳诱电(株),从事微弱无线组件设计1999年创办 I-Laboratory,从事高频/微波电路的开发、设计与试制,咨询现在出任1 Laboratory代表青木胜1955年生于埼玉县1979年进入八重州无线(株),从事无线通信设备开发1983年进入日本摩托罗拉(株),从事通信设备的信号处理,控制软件的开发现在出任(有)DST代表董事长图解实用电子技术丛书高频电路设计与制作开关/放大器/检波器/混频器/振荡器的技巧详解〔日]市川裕一青木胜著卓圣鹏译何希才校钭学出版北京前言直到最近,所谓“高频”是指在电气电路中一块特殊的领域。那里是“电子技术人员的世界”,尤其在微波电路的设计现场,反复使用小刀加工印制图案,完成焊接铜箔的作业。作者到现在仍然记得,在刚刚进入高频行业时,听公司的前辈说过,“成为一名合格的技术人员,需要花费10年的工夫”。由于在高频领域常采用试探法,因此,也许从事数字电路或低频电路的专业人员看来,高频电路世界是不易接近的领域。然而随着移动电话的迅速普及,蓝牙( Bluetooth)、无线LAN等无线数据通信设备的快速开发,高频电路技术越来越受到关注。直到今天,人们认为“高频、微波设备是面向防卫产业的特殊技术”,但随着时代的变迁成为最先进技术及通信革命中不可或缺的普遍技术。实际上,在以电气大厂家为中心的高频领域,各种行业不同厂家的加入,且此领域中高频电路技术人员难求的局面仍在延续与过去相比,现在高频电路设计门槛变低而容易进入。原因是根据用户的要求,高频电路/微波电路用的仿真软件在迅速发展。不了解高频电路的人,看看学学久而自通,对输入电路进行最佳化,就能简单设计出相应特性的电路。若使用最近高性能的仿真软件,如果是简单的无源电路,有时也能够实际得到趋近预测特性的性能。但是,仿真软件毕竟是工具,是否能有效利用这种工具全凭使用者所具备的经验与理论基础。在实际的高频电路中,由于有仿真软件不能表现的许多电路要素;因此,实际上,一定要考虑肉眼看不见的电路要素,进行元件的配置,绘制印制图案。使用仿真软件的人,由于积累经验、具备知识的不同,完成的性能有很大差异。常听说“在公司只能做确定工作,不能积累各种经验”。此时,最有效的工作方法是使用仿真软件。若使用仿真软件,就能验证工作中所处理电路的工作情况,并进行调整。若使用刊载于文献与书中的电路或仿真软件附属的样品电路,就能够简单处理各种电路。若由仿真得到虚拟经验,并同时进行日常实用电路的设计与调整,就能极大地提高设计能力。这里,作者最想说的是“要积累丰富的经验”,不仅要阅读文献、书籍,还要尽量多地接触电路,自己动手实际制作,并通过测试调整使电路稳定可靠地进行工作。若接触众多电路,即使要必须设计全新电路或无经验电路时,也会取得成功的。本书是以晶体管技术2000年11月~2001年12月的连载与2000年6月特刊内容作为蓝本,内容加以补充,而后编辑而成。第2章以必须理解的内容为最低限度,对设计高频电路时史密斯图的用法和匹配方法进行了说明。高频电路入门者阅读的图书定是以电磁场理论为中心进行讲解,因此,本书尽量删除了一些难以理解的说明。第3章~第9章,是实际设计、试作并评价2GHz频带的各种高频电路本书所试作的电路还不是十分成熟的电路,有许多改善之处。试作相同电路,无问题也正常动作,“成功啦!”由此感到很高兴,但这并不是结束,而是“经验”积累的开始,大家手脑并用,使这种电路具有更佳的特性。采用试探法过程中,或许大家有新的发现。这就是电路特性好过了头,反而会变坏,这也是“经验”。作为积累经验的题材若能利用本书,那是件高兴的事将自己的想法整理出来以文章的形式呈现给大家,这对于作者来说,也是一次很好的学习机会,并且也是积累经验的过程。本人能够承担本书编写工作,感到非常荣幸最后谨向在百忙之中很快完成了第8章和第9章的编写任务的DST公司的青木胜先生,以及为了使本书浅显易懂而做编辑工作的晶体管技术编辑部的寺前裕司先生致以深深的谢意。2002年冬市川裕目录第1章欢迎进入高频世界—一成为高频工程师为目标1.1频带和电路1.2高频电路设计环境的变化………11241.3现在高频电路设计中广泛存在的弊端……第2章高频的基础知识——为了更好地理解高频信号…2.1信号的波长…………2.2高频电路看作分布常数的电路………2.3高频中最重要的工作是传输线的设计…………112.3.1表示传输线电气特性的“特性阻抗”…………112.3.2高频使用的传输线……2.4用分布常数与集中常数制作的高频电路2.5高频中功率比电压与电流更容易处理…162.5.1S参数的概要…………………2.5.2实际高频元件数据表中记载的S参数…2.6用史密斯图求阻抗2.6.1史密斯图222.6.2在史密斯图上描绘阻抗………………………252.6.3元件与传输线路的增加以及史密斯图上的阻抗轨迹………………………262.7高效率地传输高频信号的技术—匹配………302.7.1禁止使用电阻取得匹配……,,,2.7.2阻抗匹配实例1………………322.7.3阻抗匹配实例2…2.7.4匹配电路构成的不同造成输入阻抗特性的差异……………………………3目录2.7.5使用实际元件的匹配电路………2.8实际无源元件的高频阻抗………2.9能发挥高频电路性能的印制基板的设计2.9.1高频电路用印制基板的基础知识2.9.2印制图案的精度与特性阻抗的偏差2.9.3印制图案“弯曲”对特性阻抗的影响……2.9.4邻近接地图案对信号图案的影响2.9.5邻近信号图案的耦合会彼此影响……………第3章开关的设计与制作—控制信号流的技术3.1高频开关的作用与性能……………3.1.1开关的作用……………………3.1.2开关要求的性能……………3.2开关的种类与选择……………3.3高频开关所使用的半导体元件3.3.1PIN二极管…………3.3.2 MESFET……………………………………633.4PIN二极管作为开关元件的特性实验……………63.5开关基本型—SPST开关的种类与特性…3.5.1两种SPST开关…………………………3.5.2SPST开关的接入损耗与隔离特性3.6SPDT开关的种类与动作3.6.1串联型与并联型的组合开关………………753.6.2两种串联型的组合开关……3.7试作的SPDT开关特性的仿真分析3.7.1SPDT开关的规格…………………………793.7.2试作SPDT开关的高频特性+,隔离特性的改善、,单3.8SPDT开关的试作873.9试作SPDT开关基板的初始特性与调整3.10试作前仿真预测与评价结果不同的原因…………95
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泛函分析及其在自动控制中的应用
泛函分析及其在自动控制中的应用，韩崇昭，1991控制理论所硏究的闩越,可以概括为系统分析、系统踪合建模和优化。系统分包括系统的稳定性分析能控能观性分析、鲁棒性分析等,主要是分用以描述系统行为的算子的特生。传统的分析方法是实用的但只限于某些特定的系纯类型.例如传统的枫域分忻法只阳于讨论单输入单输出约线性定常橤统,而泛函分析所提供的分析方法,有可能村包括多输入多输出线性时变系统、分和参觐线性系统,以及某忠类型的柞线性系统进行统…的处理,从而获得更加一般的论。系统的综合包插挖湖器和补偿器的设计等,使系流得以镇定或获得某种性能,这是分析的逆河题。传统的综合屴沄礻仪费时费事丶而且解决问题的范園比较狭窄:现代的综合方法倾向干构造能用计算机灾现的某些算法迭代算法或递推算法的收敏性分析,以及闭环控制的稳定性分衔等,只有借助泛图分析所提供的工其,才有可能使问题得以解决系统建撓和系统的最优控制,一般是在某些约束条件下,对某个泛函拈标进行优化的问题,这更是泛函分析研究惹围闪的问题绕上所泛函分析已渗逶到控制理论和系统科学的各个分支。“饿夯千里日,更上一层楼”,控制斑论研究者只冇掌握泛函分析这…工具,才有可能…览当令研究潮流中“群峰竞秀,万水争流"“的局面第二章代数基础鉴于工科人学亩动控制类专业研究生#不具备系统的拙象代数的知识,而泛函分析这门课程又经带涉及抽象代数的某些基本慨念,所以首先在本章对必要的代数基础知识进行简要介绍,作为学习泛函分枥的预备知识。§2.]集合与映射2.1.1集合集合是数学上最基本門概念,难以绐出确切的定义:一般说:所谓集合就是指具有其种属性的事物全体。构成集合的每个事物称为该集合的元蓊。果合也简称集,其元素也简称元集合可用列其历有元素或江明其暑性来表示如A=i1,nz,…,n},A={a:a具有属性P}如果个集合由有限多个元构成,称之为有限集;如果由无限多个元构成,称之为元限集不含汪何元素的集合称为空集记为这,只含一个元的集合称为单点集。用r∈A表示“?是4中的元”或a属于A”;用a表示a不是A中的元"哎“a不属于有两个集合A和B:若A中的所有元到为B中的元,则称为A是B的子集或A蕴含于B哎包含A,记为A≌或BA任集A必是共自身的了集,而空集又是仕意集A的子集若集A是集R的子集:而B中至少有一个元不屑于4,则称A是程的真子集,或B真包含A,记为心二BBA。若集A是集B的了集,且B也是A的子策,闻称集A与集B相等,记为A=B2这个定义也经出用作集合相等的证明方法即任取∈A,得x∈B则推知4≌B;其次任取xB证得∈小则描知B≌A;从而证明A=B。在以后的证明中,我打经常采用某些撰用符号:“"表示“所有的",“彐"表示“存在”,“→“表示“由左面的结论推出岩面的结论”“台”表示左右两面相互推出”以柴合为元素的集合秋为集类。如字={A,B,C}其中的元A,B,C均是集合,是集类。A、B两个集合的所有元素共同构成的集合称为A和B的并集,记为AUB={2:x∈A或x∈开2。1,2桌合A1,A:;…,A的并業定义为U4=A∪AU…∪4一{x:xEA,或x∈A,“x∈A}(2.1.3)A、B两个集合的公共元素构成的集合称为A和B的交集,记为A∩B={x:x∈A且芏.B〔2.I.4集合A1,A2,A的交集定义为门A=A∩A∩“∩A={x:x∈A且x∈12“且xEA}(2.!5如果集合A与集合升没有公共元家,即A∩B=C,则称A与R不相交。属于集A而不属于集B的所有元构成的集合称为A与B的差集记为AB={xgxA旦x2.⊥,5巢合A和F的对称差记为A△B-(APU(4)2.7设U是一↑特定的集合,AS;称EA为A关于U的补集.记为A此时有AUA=UA∩A=2.1蘸2..9对于集类也可以定义并、交运算。设是一个集类其元的并和交分别为U{BB∈}={z:B∈郾,使z∈B2.1.10∩{B:B∈}{x;B∈密,使r∈乃2.1.11)例211设R表示实数集,R=RXR表示实数序对(x,y)的集合,集合A={(x,g)mx;∈R固定}表示欧氏平面R2上y=m直线上的总集;所有这些集合(直线〕构成一个集类x={A:mER在此情况下,集类m的交集为∩ FRA={(0,0)},即R的坐标原点;其并集为∪v∈RA=R2{0,y):|l|>0}即除去坐标纵轴但保留坐标原点整个R2平面。前面绐出的集合运算具有如下性质〔1)幂等律:AA=A,A∩A=4;〔)交换律:AB=BJA,A∩B-B∩A;I)结合律:A∪(BU)=(4∪B)∪C,A∩(B∩C)=(A∩B)∩C;Ⅳ)分配律:4U(B∩C)=(AUB∩(AUc),A(BUC)-(Anu(A门〔V)恒等律:A∪C=A,A∩U=手AUC=[, A=另外还有一些恒等关系式Ⅵ) de morgan律:A(B)-(AB)∩AC),A(BNC)=(AB)U:A〔〕对偶律:(UAA,(∩A=UⅧ)互补律:AAU,A∩A=8下面只证明(W)和(W)其余留给读者验证W)的证明:∈A(B)∈A,(BC)∈AB且x∈C∈AB且tAr∈AB)n(4C)同理可证第二式。()的证明;*∈(∪A)=∈U,艺点UA+2A且2年A1“且卖Az∈出且x∈A」且x∈术台∈∩4:同理可证第二式渠合A和B的笛卡尔积就是由序对构成的集∈Ab∈2.1,12儿素n和b称为序对(a,b)的分量。如果两个厅对的对应分垤相等则称其相等例如,(x,y)z(n-a,且y一b般情况下,集合的笛卡尔积不叫交换次序,即AX≠xA更一般地,A1A2…**A是一组集合其笛卡尔积定义为A,=1×Azx{「rTI:AE1,2}〔2.I.132.1.2关系由集合A到集合B的一个关系配,就匙的卡尔积A×H的一个集若R=AXB.序对(a)∈R则称n与!有关系P,记为ee,关系RAX称为二元关系,周为此时其中的元由序对钩成更灬般地,若K∈]1,则称其为多元关英。例2.1.2设A一{a,b,c}B={u,b,,d,吧其笛卡尔积为AB=(,,(,b),().(,t).(bq),bb),,(冫(,),出,(qb)(qc),(,d)}如果R表示“相等关系”,则R=Yb),(c,E)}二A×F关系R4XB的定义城是A的子集,即1oia∈A:b∈,使得2..11〕其值址是郾的子集,即ange=,∈B:n∈A使得ah15倒21.3设R={(x,y):,∈R,g-2}表示一个关系,显然它是RXR的一个子粜,即面R上一条抛物线的点集。其定义域domR=R,其值域 rangeR=1={y:y:0),即l半实轴设A是灬个集台,三A×A4是某种关系下给出几种特殊二元关系的定义I)自返关系:若aA→(a,a∈R;(I)对称关系:若(,b)∈B→(b,a)EB;Ⅲ)传递关系:a,b),b)∈R=n,)∈R;Ⅳ)反对称关系:若(,b),h2n)∈→m=b;甚于以上基本的二元关系还可以定义〔V)偏序关系;若是返、传递和反对称的关系:此时称A为出R规定的编序集合;〔)全序关系:若是偏关系,H任意a,b∈A,要么(+b)∈B,要么(b,a);W)等价关系:若F是肖返、传递和对称的关系。例2.1.4设R-(,9):x,∈R,≤匚R表示平面R上包括x-9直线在内的左上半平面,它是一个二元关系:国对()!x∈R,(x,x)∈,所以R是自返的;(2)任意(,y),(,=)∈R即有“到队而有x,即:x,∈R,所以是传的(3){意(x,y),(y,)∈R,具有y,≤x,从而z=y,新以R是反称的;综合起来即证刚R是个懶序关系(即关系“≤’,或者总按偏序关系“≤”規定的R是一个偏序集合。其实,R还是一个全序关系,因为除!R编序关系外,对仁意r∈R.要么x≤,费么ysx即要么(x,y)∈界,要么(y,x)∈P例2.15设A={a,b;,d,g,R={(),(b,)仂,b),(c,q),(+b),e,c)(c,),(d,n),,n),(,4},(,b),(e,e)}4A,它是A上的一个二元关系。因为(1)!x∈A(r,x)∈R,即E是白讴的;(2)意(x,y)(y,z)∈萨即有(x,∈F即R是传递的;〔3若(x,y)(g,x)∈R,即有xy,即是反对称的;所以k是一个偏序关系。但是,为e,∈A,(e)R且(e,c)B,所以不是灬个全序关系若R实A×A是A上的一个偏序关系,则I)A的任一子集B按关系R仍是一个偏详集合,即B(BXB》∩是B上的偏序关系若B按关系R还是一个全序集合,则称其为A的个全序子集。[)设b∈4,若对x∈A均有r助,称b为A的末位元系()设a∈A若对x∈A均有Rx,称a为A的初位元Ⅳ)若b∈A对任意t∈A且l则称b为A的一个最大元素。若m∈A对任意x∈A且→=a则称a为A的一个最小元亲例2.L.6设A={7,4,23,2,5)为一有限整数粜,定义A上的一个二元关系R_{∈A,x≤y2),(4,4),(415),〔47),(4,12),(2,12)(3,3),(3,4),(35),(3;73,12),(2,2),(2,3)、(2,2(2,5),(2,7,(2,12),(5,5),(5,7〕,(苏,2)}显然,孩关系R(即“≤”),A是…个全序集合同时是A的韧位元,也是最小元:12是A的末位兀,也是最大元例2.L.725的关系星可以用图2.1.表示,共中a,即存在有向连线由x到yA的仟一子集加D一{e1b,a}按关系B仍是个偏序集合,而且此时B还是A的一个全序子集在A中按关系R,是末位元也是量大元和c均为A献最小元但A无初位元,月为e和c不存在关系R讲而,假定R是集合A上时一个编序关系,对于B4,则有M)r∈A称为由规定的B的一个上界,当且仅当图2.1.1关系R对∈B有xR。如果a是由R规定的P的一个上界,而对于由R规定的B的任意其它上界p均有aR,则称a为B的最小上界,或上确界.记为m=Lp3()a∈A称为由R规定的的一个下界,当且仅当对yr∈B有aR。如果a是由R规定的B的一个下界,而对于由R规定的B的任意其它下界A,均有山B则称t为B的最大下界或下确界,记为=infB。例2.1.8设A={z∈R:01二R为一闭区何,而B一{x∈R:.2
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