平面微波工程：理论、测量与电路

【实例简介】
适合电磁场专业学生和从业人员，内容通俗易懂，覆盖全面
国外大学优秀教材—微电子类糸列(翻峄版) 平面微波工程: 理论、测量与电路 Planar Microwave Engineering A Practical Guide to Theory, Measurements and Circuits [美] Thomas H.Lee著 余志平孙玲玲王皇译 清华大学出版社 北京 This is a simplified Chinese edition of the following title(s) published by Cambridge University Press Planar Microwave Engineering: A Practical Guide to Theory, Measurements and Circuits c Cambridge University Press 2004 This book is in copyright. Subject to statutory exception and to the provisions of relevant collective licensing agreements, no reproduction of any part may take place without the written permission of Cambridge University Press This simplified Chinese edition for the People's Republic of China (excluding Hong Kong, Macau and Taiwan) is published by arrangement with the Press Syndicate of the University of Cambridge, Cambridge United Kingdom. c Cambridge University Press and Tsinghua University Press 2014 This simplified Chinese edition is authorized for sale in the People,s Republic of China (excluding Hong Kong, Macau and Taiwan) only. Unauthorised export of this simplified Chinese edition is a violation of the Copyright Act. No part of this publication may be reproduced or distributed by any means, or stored in a database or retrieval system, without the prior written permission of Cambridge University Press and Tsinghua University Press 版权登记号:图字01-2010-6372 版权所有,侵权必究。侵权举报电话:010-6278298913701121933 图书在版编目(CIP)数据 平面微波工程:理论、测量与电路/(美)李(Le,T.H.)著;余志平,孙玲玲,王皇译.-北京:清华大学 出版社,2014 书名原文: Planar microwave engineering: a practical guide to theory, measurements and circuits 国外大学优秀教材.微电子类系列:翻译版 ISBN978-7-302-38791-6 I.①平…Ⅱ.①李…②余…③孙…④王…Ⅲ.①微波电路一高等学校一教材Ⅳ.①TN710 中国版本图书馆CIP数据核字(2014)第291256号 责任编辑:邹开颜赵从棉 封面设计:傅瑞学 责任校对:王淑云 责任印制:李红英 出版发行:清华大学出版社 pogte:http://www.tup.comcn,http://www.wqbook.com 地址:北京清华大学学研大厦A座 邮编:100084 社总机:010-62770175 邮购:010-62786544 投稿与读者服务:010-62776969,c-service@tup.tsinghua.edu.cn 质量反馈:010-6272015,zhiliang@atup.tsinghua,edu.cn 印装者:清华大学印刷厂 经销:全国新华书店 开 本:185mm×260mm 印张:39.5 字数:955千字 (附光盘1张) 版次:2014年12月第1版 印次:2014年12月第1次印刷 印数:1~3000 定价:89.00元 产品编号:036442-01 献给安捷莉娜( Angelina) 作者简介 托马斯·李( Thomas h.Lee)在麻省理工学院(MIT)获得科学博士学位,目前是斯坦 福( Stanford)大学的教授。他曾经是国际电机电子工程师协会(IEEE)固体电路分会和微波 理论与技术分会这两个分会的杰出讲师( distinguished lecturer)。他在国际会议上四次评 得“最佳论文”奖,并得到过 Packard基金会的奖励。李教授发表了超过100篇的专业技术 文章,并是著名的《CMOS射频集成电路设计》( The Design of CMOs Radio-Frequency Integrated Circuits)的作者。这本书现在已出了第二版。他持有35个美国专利,并与他人 创建了几个高科技公司,包括“矩阵半导体”( Matrix semiconductor)公司。 译者序 美国斯坦福大学教授 Thomas h.Lee这本《平面微波工程:理论、测量与电路》可以看 作是该作者于1998年出版(2004年第二版)的领CMOS射频电路教科书之先、在世界范围 内十分有影响的《CMOs射频集成电路设计》( The Design of CMOs Radio-Frequency Integrated Circuits, Cambridge University Press)(以下简称“Lee射频”)一书在微波领域 的扩展。 这本英文原版书有862页,附有微波教学软件(如 Sonnet lite)光盘的宏著,内容涵盖了 传输线、天线与滤波器分析、设计及对阻抗、噪声的测量方法。为了对微波电路的知识有 个完整的介绍,本书相当大一部分(大约在全书的23章中占11章)重复了“Lee射频”一书 中对具有超外差结构的射频收发器的单元(包括低噪声放大器、混频器、振荡器、频率综合器 以及功率放大器)电路工作原理的讨论,但阐述的角度更为强调微波的背景及应用。 由于近年来CMOS技术的长足进步(现在已处于22nm工艺节点),采用CMOS实现的 射频电路频率不断提高,从用于手机通信的几百MHz到2GHz,及无线局域网(Wi-Fi)的 2.4/5GHz频段,逐渐发展到60GHz,目前更向亚太赫兹(大约在100~300GHz)的电路前 进。本书的中文译本出版,顺应了这方面的科学研究、教学与工程化的需要,相信能在众多 的微波书籍中凸显其出色的历史回顾及对电路、系统的深人直观理解,帮助读者以较小的努 力进入微波,尤其是CMOS平面电路设计的领域。本书可以作为研究生或大学本科高年级 学生的射频、微波课程的参考教科书。 本书的翻译历经4年,是清华大学与杭州电子科技大学诸多教师与学生(包括研究生与 当时的本科生)通力合作的结果。在此特别对清华大学的叶佐昌老师,王洪瑞、冉秋实、张 明、杨东旭、袁泽、康佳昊、于欣馨、梁爽、黄声希、郑宏达及赵亮同学,及杭州电子科技大学的 刘军与文进才老师,以及苏国东同学表示深切的感谢。没有他们的贡献,此书难以完成。全 书的校对、定稿工作由署名作者完成,也因此对可能存在的翻译不准确及笔误负全责。 译者蒙清华大学出版社邹开颜编辑的鼎力支持,从立题到结稿,她以极大的耐性与细致 的指导,伴随着我们圆满结束了全书的翻译。在此一并致谢。 余志平(清华大学、杭州电子科技大学) 孙玲玲、王皇(杭州电子科技大学) 2013年新春伊始 2014年12月付印前 起始,它被称为无线,然后是无线电。无线这个名词在几十年的沉寂后,又变得时髦了。 不管我们选择如何去称呼它,射频设计领域的变化是如此之快,教科书的作者们(更不用说 工程师了)被逼得不断地跟踪这个领域的发展。对于这个领域中的新手的一个重要挑战是 在掌握几代人以来一直没有什么变化的基本知识的同时,吸收指数式增长的新的信息。使 得这个挑战更复杂化的是一方面许多有关微波工程的教科书十分偏重电磁场理论,而不讨 论那些有实际应用的物理实现例子;另一方面则是一些类似于菜谱的书,几乎完全不涉及 理论。更为糟糕的是许多有关这个专题的知识,只是承继了代代口口相传的传统,还往往不 正确。其他的有关知识则散落在数不清的应用注解、产品手册、给业余爱好者看的杂志与用 户手册中。这些资料中,有许多很难找到,而且互相之间也并不一致。业余爱好者总是不满 意学术型教科书过多地强调理论的倾向(“太多的方程,而一直到最后也不告诉你如何去实 现”);而学生及从业工程师们则对给业余爱好者看的杂志的菜谱式的叙述方法不感兴趣 (“它们不介绍必要的理论,而通过这些理论则可以将现有的设计改造成一个人所想要的”)。 这本书可以满足那些抱怨缺乏平衡理论与实践的带有时效性的参考书的学生、业余爱好者 及从业工程师的要求。 这本书是一个在斯坦福大学讲授单学期研究生有关GHz收发器设计的高等实验课 程—EE414讲义基础上经过较大扩展的版本。尽管如此,本书的目标不局限于只是那些 博士学位课程,而是更大范围的读者面。在EE414这门课中,修课的学生们用将近9周的 时间,用微带线的构建技术,设计、制作与测试一个1GHz收发器中的各个模块。这些电路 模块包括各种天线与微带线滤波器,以及低噪声放大器、混频器、基于PLL的频率综合器与 FM(调频)调制/解调器和功率放大器。这门课程的最后“测验”是一个成功采用这些FM 收发器的双向通信系统的演示。我深深地特别感谢这门课的第一批学生,他们乐意而热忱 地参与这门课的初次尝试,尽管课程课件与讲义的准备在最好的情况下也只是临时抱佛脚 完成的。现在这本书的内容与安排很多都是基于这些学生的建议 毋庸回避,读者会在书中发现相当数量的有关测试技术与微波设计的理论讨论,伴随着 不少的传递函数与变换,这是必要的。因为博士生培养计划中本来就有(开个玩笑)在精神 上折磨学生的环节。但是对那些只想一步直接获得所需的业余爱好者来说,他们可以忽略 所有的方程,而将注意力集中在许多实用的重要设计规则或者是诸多的采用不昂贵的元器 件及仪器来实现与表征微波电路的方法。本书作了最大的努力来提供定性与物理层面上的 有关遇到的方程意味着什么的解释。特别是对那些喜欢在周末做实验的人,他们可以享受 包含在许多章节中的业余制作的二极管及不到10美元的微波测量系统。那些从业的工程 师则可以找到如何从眼下最先进的仪器中提取最靠得住的数据的方法,特别是注重理解校 准方法(以及这些方法的局限性)。这样做就可以避免犯不经意的但却是非常常见的错误 更加年轻的工程师也会感到高兴来发现平时他们对射频(RF)有关话题的疑问的答案(比 平面微波工程:理论、测量与电路 如,BNC是否真的代表“婴儿N头的连接器”( baby n connector)?0为什么所有的场合下 都用509?谁是史密斯( Smith)?为什么他发明了圆图?)。读者可以自己挑选符合他们口 味的话题。这本书就是瑞典式自助餐。这从下面对各章的简略的描述可以清楚地看出来 第1章提供了有关射频与微波电路的一个简史。即使是相对全面地介绍这个宏大的题 目,在一章内完成也是不可能的。因此,我们并不试图去这么做。我们的希望是这一章能以 轻松的方式为全书的其余部分提供一个背景框架 第2章介绍一些定义与基本概念。试图给出一个不同于在许多其他书籍提供的简单基 于频率的有关“微波”的定义。这个定义比较起来不那么具有任意性。我们也尽力避免在书 中的任一处出现实际求解麦克斯韦( Maxwell)方程组。代之以采用带有物理直观的方法。 再一次强调,这本书是有关设计与测试,而不是纯粹的分析,所以进行的分析都是服务于这 些目标的。 史密斯圆图与S参数是所有经典微波电路设计的主要成分,所以本书在第3章中提供 了一个有关它们的简略介绍。史密斯圆图看上去的复杂表象让许多本来对射频与微波设计 感兴趣的读者觉得沮丧。因此为了使其不那么吓人,我们通过介绍史密斯圆图的历史来说 明它为什么这么有用。 在高频下,功率增益是很难实现的。因此对每一个微波工程师来说,阻抗匹配是一个不 可缺少的任务。第4章提供了一些阻抗匹配的方法,同时简略解释了 Bode-Fano极限。这 个极限告诉我们什么时候需要放弃阻抗匹配的尝试(或者说,什么时候我们根本不应该去尝 试这样做)。 在看到了一些性急的学生不在意地损坏了昂贵的接插件之后,作者感到有必要提供 章专门来讨论如何小心摆弄这些接插件。第5章回顾了许多常用的接插件,它们的历史起 源与应用范围,以及如何恰当地保养它们。这一章也讨论了电缆线与它们的特性。 第6章研究了在微波频率下的集总无源元件的特性。提出了简单的电路模型(适合用 于设计,但不一定足够精确到能进行分析)以提醒学生们注意那些方面,它们可能会导致实 现了的电路不能按照设计意图进行工作。另外不要轻视在射频与微波设计中的一个重要教 训是总是存在着一些不能忽略的寄生元件。设计者必须学会怎样去利用这些寄生元件作为 电路的一部分,而不是感到无可奈何。保持对寄生元件的简单而又准确的模型,能使我们设 计出达到利用寄生元件为电路服务的聪明的办法 在第7章中,我们介绍制作微波电路(不论是基于分立元件的还是以集成形式)的最常 用的方法:微带线。尽管这一章主要讨论这种特定的实现平面电路的方式,我们也花些时 间讨论共面波导与共面带状线,以及一般的带状线。在介绍了基本概念与一些简单的(但是 相当精确的)设计方程之后,我们考察大量的可以用微带形式实现的无源元件。 旦已经设计与制作了一些电路,就需要去表征它们。所采用的最基本的测量方法之 一是阻抗的测量。第8章提供了阻抗测量的几种方法,包括从时域反射计( reflectometry) 到矢量网络分析。我们花很大的篇幅描述各种校准技术,因为这里的不留心会导致尽管用 了价值10万美元的仪器,而只得到值1美元的答案。对那些不想在买一个房子(译者注: 10万美元可以在美国买一个房了)与买一个网络分析仪之间作选择的设计者而言,我们提 ①答案是“不是” 8 前言 供一个简单的“开槽线”的测量装置,它只需花10美元就能得到至少频率高达几个GHz的 测试功能。幸运的是,这个40dB(即104,译者注)的成本的节省并不是以40dB的使用率下 降为代价的。举个例子说,经过校准了的这个装置可以被用来确定频率在1%~2%以内的 精度。 第9章专门讨论微波二极管。习惯于低频设计的工程师们经常会惊讶地发现二极管能 完成十分广泛的功能。特别令新手感到惊奇的是某些二极管不仅能有放大作用,甚至还能 用于产生振荡。 第10章在前一章的基础上描述众多的混频器。混频器是现代超外差收发器的核心所 在。采用集总或分布的实现都进行了讨论,有源与无源的电路也都在讨论之列。取决于可 以利用的技术及设计限制,对于给定的情况,任何上面的一种都可能是适用的。 当然,有源器件是更有趣些(至少对作者来说是如此),因此第11章是有关晶体管的讨 论。器件物理工作者近十年来一直在勤奋地进行研究,至今给我们提供了JFET, MOSFET,HEMT,VMOS,UMOS, LDMOS,HBT,等等。这个器件的清单还在不断变长。 我们试图提供对这些晶体管的大概统一的处理方法,并且集中在仅两类( MOSFET与双极 型)的晶体管作为一个更大类的晶体管的代表。 第12章考虑如何从我们所具备的晶体管技术中挤出最大的性能来。用几页的篇幅来 描述如何对晶体管加直流偏置,因为在微波频率下,许多低频实施技术有其严重的后果(即 带来寄生参数,这与前面讨论的是一样的)。然后讨论通过不大的电路复杂度的增加来将带 宽展宽2~3倍。这里首次(根据作者的知识,此前未见报道)给出详细的对于一个桥接T 形线圈( T-coil)带宽展宽技术的转移函数与最佳条件的推导。 在第13章中,我们将目标由“给我你能提供的所有的带宽”转为“给我最低可能的放大 噪声”。首先讨论噪声模型,然后给出了噪声匹配理论。我们发现最大化功率转移的条件几 乎不会与最小化噪声因子的条件相重合,因而有必要得到一个折中的策略。又一次,尽管我 们集中在讨论一种或二种类型的晶体管,这里给出的一般概念适用于所有的放大器。 一旦已经建造了我们所认为的低噪声放大器,必须证明这一点。第14章描述了噪声系 数测量所基于的原则,同时描述如何会得到错误的答案(这很容易发生)。取决于最初的目 标(是使LNA看起来棒呢,还是让竞争对手的产品看起来差),可以故意犯这些错误或是去 避免它们。 第15章描述如何得到振荡器所要求的可控不稳定性。在手足无措的微波工程师间的 个陈年笑话是“放大器发生振荡,而振荡器却只起放大作用”。我们希望通过这一章的讨 论,使读者能设计真正能起振的振荡器,甚至是在所希望的频率下 几乎每一个现代收发器在某处都会有一个频率综合器。第16章描述锁相环频率综合 器,以及有关产生杂散信号的设计缺陷(与如何抑制)的广泛讨论。尽管理论的讨论能变得 非常复杂,书中给出的几个设计实例可以帮助缺乏耐心的业余爱好者不需要懂得每一个方 程就能完成一个设计工作 第17章分析了相位噪声这一重要的课题。仅仅使得一个振荡器起振是不够的。频谱 资源的不足要求每一个发射器遵守“做一个好邻居”的政策,即不在其被指定的频带外发射 过多的能量。所有的振荡器在这方面都不是完美的,因此第17章确认相位噪声是由哪里来 的,以及如何能减小相位噪声。 9 【实例截图】
【核心代码】