ADS应用于射频功率放大器设计与模拟 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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射频积体电路 (RFIC) 晶片主要可分为功率放大器 (power amplifier)、收发器 (transceiver)、锁相回路 (phase lock loop) 三大部分。目前锁相回路与收发器已逐渐整合于系统晶片 (SoC)，剩下的功率放大器成为最后等待整合的圣杯 (Holy Grail)。功率放大器大量使用于手机、Wi-Fi无线区域网路、平板电脑、蓝芽等网通产品，如GSM手机使用1颗，GPRS使用2颗，3G使用4颗、3.5G使用6颗，而WLAN 802.11a、802.11a+g使用1～2颗， 802.11n则增至4～6 颗。随着手持无线通信装置渗透率提升，功率放大器使用量将大幅提升。

　　本书的目的系提供一功率放大器的设计平台，以帮助设计者透过简单操作步骤，循序渐进地完成设计流程，如分析最佳匹配阻抗、最大输出功率传递、稳定度、匹配网路、大讯号分析、功率增进效率等重要功率放大器设计参数。最后以四个功率放大器实例设计完成验证。

　　Power amplifier (PA) is the most important circuit in transmitter in mobile communication systems, which is used to convert a DC power into a radio-frequency (RF) signal of significant power to drive the antenna of the transmitter. The PA entails the issues of the output power at output 1-dB gain compression point (OP1dB), saturated output power (Psat), power added efficiency (PAE), output third-order intermodulation intercept points (OIP3), input/output return losses, and power gain. The objective of this book is to introduce the design flow, specifications and circuit design procedure of the commonly used PAs. The design procedure divides into two parts: device characteristics and circuit simulations. Each PA circuit is simulated by the Agilent Advanced Design SystemTM (ADS) simulator which design guide for PA design has been already built.

　　This book is used in 3 to 4-week Lab course incorporated with ADS design and PA implementation. The book provides a step-by-step design procedure for the PA design. The design flow describes the processes of circuit design. First, we will specify the specifications and make the designed PA to conform the specifications. Meanwhile, we will select the proper device and bias conditions to meet the aforementioned requirement. In the beginning of circuit design, we will check the DC, AC and load-pull analyses of the device by using Agilent ADS simulator. In the DC analysis, we will show the I-V curve to determine the bias point and classes of the PA. In the load-pull analysis, we will use one-tone load-pull simulation to calculate the maximum output power and load impedance. The simulator also shows S-parameters, stability, and Gp circles in the small signal analysis. Then, we will choose and matching networks according to frequency, bandwidth, and gain, etc. The PA should match the output and input impedances to achieve the maximum output power and PAE. Subsequently, the one-tone and two-tone simulations are performed.

　　In the large signal analysis, we will perform one-tone and two-tone simulations which estimate OP1dB, Psat, PAE, and OIP3. We will find the optimum performance for the requirements of the specifications by careful adjustment of device selection, bias conditions and matching networks. Thus, the circuit design can be completed.

　　The organization of this book text is as follows: Chapter 1 presents a general the specifications and design flow of PA. Chapter 2 presents categories of PA operation and S-parameter representation. Chapter 3 gives the stability analysis. Chapter 4 introduces Cripps loadline method. Chapter 5 presents the gain and power matching, respectively. Chapter 6 introduces large signal analysis. Chapters 7 to 10 give the design examples of single and two-stage class AB, push-pull class B and class E PA designs.

射频电路设计核心技术解析：从基础理论到先进器件应用 图书简介 本书旨在为电子工程、通信工程及相关领域的科研人员、工程师及高年级本科生、研究生提供一套全面、深入且实用的射频电路设计与系统实现参考。不同于侧重特定领域如功率放大器的专著，本书的视野更为广阔，聚焦于构建高性能射频（RF）系统所必需的通用原理、关键模块的深入剖析以及前沿工艺技术的应用实践。 全书内容结构严谨，由浅入深，系统地涵盖了从电磁场理论基础到复杂系统集成所涉及的全部核心技术环节。我们相信，一个扎实的理论基础是进行任何复杂射频电路设计的前提，而对实际器件特性的深刻理解则是将理论转化为可靠产品的关键。 --- 第一部分：射频电路与系统基础理论 本部分为后续高级内容奠定坚实的理论基石，重点在于建立对射频现象的精确数学描述和工程直觉。 第一章：微波与射频基础回顾 电磁场与传输线理论的射频视角： 详细阐述麦克斯韦方程组在导波结构（如微带线、带状线、共面波导）中的应用。重点分析TEM波、TE波和TM波的特性，并引入非理想传输线效应，如损耗、色散及非均匀性对信号完整性的影响。 集总参数与分布参数模型的转换： 探讨在不同工作频率下，电路元件（电阻、电容、电感）的寄生效应如何从集总模型过渡到分布式模型。引入集总化建模的有效频率范围判断标准。 S参数（散射参数）的深入理解： 不仅停留在定义层面，更侧重于S参数的物理意义、测量方法（如使用网络分析仪）、校准技术（如SOLT、TOSL）及其在系统级链路预算中的应用。分析S参数随频率、偏置点和温度的变化特性。 第二章：阻抗匹配与噪声理论 史密斯圆图的精妙应用： 深入讲解史密斯圆图在高频设计中的实际操作技巧，包括如何利用它进行单端口和双端口网络的匹配、扩展匹配带宽的策略（如使用L-C网络和多级匹配）。 无源网络设计与优化： 涵盖无源滤波器（LC谐振、分布式滤波器如腔体和梳状线）的理论设计、Butterworth、Chebyshev、Elliptic响应的特性比较及其在实际版图中的实现考虑。 噪声理论与低噪声放大器（LNA）设计基础： 全面介绍噪声因子、有效温度、信噪比（SNR）的概念。重点解析Friis噪声公式，并详细讨论如何利用等效电路模型计算噪声系数，为后续的低噪声器件设计指明方向。 --- 第二部分：关键射频模块设计与优化 本部分将理论知识转化为具体的电路设计实践，覆盖了现代无线通信系统中最核心的几个功能模块。 第三章：低噪声放大器（LNA）的设计实践 噪声匹配与增益-噪声折衷： 详细阐述如何基于噪声阻抗和传输阻抗的联合优化，推导出实现最小噪声系数（$NF_{min}$）的最佳源阻抗。对比不同拓扑结构（如共源、共栅、反馈式LNA）在噪声、线性度和输入阻抗稳定性方面的优劣。 稳定性分析与工艺考量： 引入$mu$因子和$K$因子分析LNA在宽带工作下的稳定性问题，并介绍通过反馈元件或结构优化来确保电路稳定性的方法。讨论不同半导体工艺（如SiGe, GaAs, CMOS）对LNA性能的制约。 宽带LNA设计技巧： 探讨使用散相元件、耗散性反馈网络或多核结构来扩展LNA的工作带宽的技术路线。 第四章：混频器与频率合成技术 混频器原理与性能指标： 深入分析乘法器混频器（倍频、双平衡、单平衡）的工作原理，重点剖析混频器的非线性失真（三阶交调截点IP3）、本振泄漏和插入损耗。 无源混频器与有源混频器对比： 详细对比肖特基二极管混频器（无源）和晶体管混频器（有源）在隔离度、噪声系数和转换增益上的差异及其适用场景。 锁相环（PLL）基础与频率合成： 系统介绍压控振荡器（VCO）、鉴相器（PD）、电荷泵（CP）和环路滤波器（LF）的单元设计。重点讨论如何通过选择合适的环路带宽、相位噪声模型和分频器技术，实现满足特定通信标准（如LTE, 5G NR）的低抖动、低相位噪声频率源。 第五章：开关、衰减器与移相器 射频开关技术： 讨论PIN二极管开关和FET开关的结构、导通电阻（$R_{on}$）和关断电容（$C_{off}$）对插入损耗和隔离度的影响。介绍如何设计具有良好线性度的多路复用开关。 可变衰减器（VVA）设计： 侧重于设计工作在线性区间的电阻衰减器和基于PIN二极管的衰减电路，并分析其在宽动态范围信号调控中的应用。 移相器与波束赋形基础： 介绍数字控制移相器和模拟移相器的基本原理，如基于传输线的移相技术（如Switched-Line, Branch-line Coupler），为后续的相控阵列前端设计铺垫。 --- 第三部分：先进工艺、仿真与系统级集成 本部分关注现代射频设计流程中的关键挑战：高精度建模、集成化趋势以及系统级性能的验证。 第六章：高精度器件建模与电磁仿真 非线性器件模型： 详细介绍BJT、HEMT和MOSFET在射频/微波工作点下的精确非线性模型（如X参数模型、载流子输运模型）。探讨如何通过IV/S参数测量数据对这些模型进行参数提取和验证。 版图寄生效应提取与EM仿真： 强调在Sub-6GHz到毫米波频段，版图布局的电磁效应不可忽略。介绍使用Momentum、HFSS等工具进行全波电磁仿真（Full-Wave EM Simulation）的方法，包括电感、耦合线、封装引线电感和接地平面的建模。 电磁（EM）/电路协同仿真： 阐述如何将EM仿真结果作为修正的S参数或非线性模型，反馈到电路仿真器（如Spectre RF, ADS Momentum/Harmonic Balance）中进行闭环验证，以消除设计与制造之间的差距。 第七章：射频前端（RFFE）系统集成与匹配 滤波器组与多工器设计： 详细讲解如何利用耦合线结构（如交指滤波器、共面波导滤波器）实现高品质因数（Q值）的带通响应，并介绍如何设计多通道滤波器组和双工器/三工器，以满足多频段共存的需求。 阻抗匹配网络的宽带化与鲁棒性： 超越单频点匹配，讨论使用广义匹配理论（如Kurokawa’s theory）和有源匹配技术来应对工艺偏差和负载变化的挑战。 系统级链路预算与收发机架构概述： 总结如何将LNA、混频器、VCO、PA（非本文重点，但作为系统组成部分提及）的性能指标汇集，进行系统的灵敏度、误码率（BER）和动态范围分析。简要概述超外差、零IF和低中频（Low-IF）等主流收发机架构的优缺点。 --- 本书通过结构化的章节安排和深入的工程实例分析，确保读者不仅理解“如何设计”一个射频模块，更能理解“为什么”采用特定的设计方法和工艺选择，最终培养出具备独立、高效解决复杂射频系统问题的能力。

作者简介

邱焕凯 (Hwann-Kaeo Chiou)

　　毕业于国立台湾大学电机所博士班，曾担任中山科学院、明碁电通无线通讯部门研发主管，目前为国立中央大学电机工程学系教授。

　　专长与研究领域为射频积体电路 (RFIC)、单石微波积体电路 (MMIC)、微波主被动电路、微波工程与无线通信技术。

林贵城 (Kuei-Cheng Lin)

　　毕业于国立中央大学电机所硕士班，目前为国家晶片系统设计中心副研究员。

　　专长与研究领域为射频积体电路、微波积体电路。

作者序
1.    功率放大器规格、设计流程
2.    功率放大器操作类别、元件S参数跟高频特性
3.    稳定度分析
4.    克理普斯负载线法（Cripps loadline method）
5.    增益匹配、功率匹配
6.    功率放大器大讯号模拟
7.    设计实例―Class AB功率放大器
8.    设计实例―Two-stage Class AB功率放大器
9.    设计实例―Push-pull Class B功率放大器
10.    设计实例―Class E功率放大器

评分☆☆☆☆☆

對於正在 RFIC 或 MMIC 設計領域奮鬥的同學們，這本《ADS应用于射頻功率放大器設計與模擬》可以說是打開了新世界的大門。作者並沒有回避射頻設計中的複雜性，反而透過 ADS 這個強大的平台，將這些複雜的議題變得更易於理解和處理。我對書中關於如何利用 ADS 來進行功率放大器的跨頻帶模擬和設計的討論印象特別深刻。這意味著我們不僅可以在一個頻段內完成設計，還能夠預測功率放大器在整個工作頻寬內的表現，這對於現代多頻段通訊系統的設計至關重要。書中對於如何利用 ADS 的進階功能，例如自動化腳本 (scripting) 和參數掃描，來加速設計驗證和最佳化過程，也給予了很好的啟發。這對於追求效率的工程師來說，絕對是如虎添翼。總的來說，這本書不僅是技術的傳授，更是一種設計思維的引導，讓讀者能夠更有效率、更精準地完成射頻功率放大器的設計任務。

评分☆☆☆☆☆

我對這本《ADS应用于射頻功率放大器設計與模擬》的評價是，它提供了一個非常系統且實用的學習框架。作者並非只是簡單地羅列 ADS 的操作指令，而是將軟體工具的使用巧妙地融入到射頻功率放大器設計的理論和實踐中。書中對於功率放大器的基本原理，例如增益、效率、線性度、穩定性等關鍵指標，都有清晰的闡述，並進一步探討了這些指標如何在 ADS 的模擬環境中進行量測和分析。我尤其喜歡書中關於阻抗匹配網路設計的章節，它不僅介紹了傳統的史密斯圓圖法，更展示了如何在 ADS 中利用其內建的工具來自動生成最佳化的匹配電路，這大大節省了設計時間，並且能夠達到更好的效能。此外，書中對於射頻功率放大器設計中常見的穩定性問題，以及如何通過 ADS 的穩定性分析工具來診斷和解決這些問題，也給予了非常深入的指導。對於想要深入理解 ADS 在 PA 設計中的應用，並且希望提升自己設計能力的工程師來說，這本書絕對是不容錯過的。

评分☆☆☆☆☆

坦白說，在拿起這本《ADS应用于射頻功率放大器設計與模擬》之前，我對 ADS 的熟悉度僅止於基本的操作。但是，透過這本書，我對 ADS 在射頻功率放大器設計與模擬方面的潛力有了全新的認識。作者很巧妙地將 ADS 的強大功能，例如電磁模擬器 (EMPro)、電路模擬器 (ADS Schematic) 和排版器 (Layout) 整合起來，展示了一個完整的設計流程。書中對於如何從事前的 PCB 佈局考量，到電路圖的實現，再到最終的 EM 模擬來驗證寄生效應，都有非常詳盡的步驟說明。我特別印象深刻的是書中對於高頻設計中，諸如寄生電容、寄生電感、訊號完整性、電源完整性等議題的討論，以及如何利用 ADS 的工具來分析和改善這些效應。這些都是傳統電路設計書籍比較少深入探討的，但對於實際的射頻功率放大器設計至關重要。書中的範例都非常貼近實際應用，讓讀者能夠在模擬的過程中，逐步建立起對這些複雜問題的理解。

评分☆☆☆☆☆

我認為這本《ADS应用于射頻功率放大器設計與模擬》的優勢在於其高度的實用性和針對性。它不是一本泛泛而談的理論書籍，而是專注於 ADS 在射頻功率放大器設計這個特定領域的應用。作者在書中詳細講解了如何利用 ADS 進行功率放大器的線性與非線性模擬，包括如何設定各種參數，例如輸出功率、效率、諧波、互調失真等，並如何解讀這些模擬結果。對於想要掌握功率放大器設計關鍵的射頻工程師來說，這本書提供了寶貴的實操經驗。我個人比較喜歡書中關於散熱模擬和封裝效應的章節，這些都是在實際產品設計中非常容易被忽略但又極為關鍵的環節。作者透過 ADS 的模擬，展示了如何預測和評估功率放大器在不同工作條件下的溫度分佈，以及封裝材料對其效能的影響。這些額外的資訊讓這本書的價值遠超一般的軟體操作手冊，它更像是一本結合軟體工具與實際設計經驗的寶典。

评分☆☆☆☆☆

這本《ADS应用于射頻功率放大器設計與模擬》真的是讓人眼睛為之一亮！身為一個在業界打滾多年的射頻工程師，我接觸過不少相關的技術書籍，但這本的切入點和深度都讓我印象深刻。作者非常務實地從實際應用出發， ADS 作為業界主流的電磁和電路模擬軟體，在這本書中被充分地展現了其強大的功能。我特別欣賞書中對於功率放大器 (PA) 設計流程的細膩拆解，從一開始的規格定義、元件選擇，到後續的電路架構設計、阻抗匹配，再到非線性分析和最佳化，每一個環節都搭配了 ADS 的實際操作示範。這對於初學者來說，絕對是一個絕佳的入門指南，能夠快速建立起整個設計的觀念和操作技巧。同時，對於有經驗的工程師，書中深入探討的一些進階議題，例如如何有效地利用 ADS 的最佳化工具來提升 PA 的效率和線性度，以及如何模擬各種不同的載波和調變方式對 PA 效能的影響，都提供了非常寶貴的參考。書中的範例涵蓋了各種常見的 PA 架構，並且都有詳細的解析，讓讀者能夠舉一反三，將學到的知識應用到自己的專案中。