ADS應用於射頻功率放大器設計與模擬 pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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圖書標籤:

• 射頻功率放大器
• ADS
• 射頻電路
• 模擬仿真
• 微波技術
• 電路設計
• 高頻電路
• ADS仿真
• 功率放大器
• 射頻設計

射頻積體電路 (RFIC) 晶片主要可分為功率放大器 (power amplifier)、收發器 (transceiver)、鎖相迴路 (phase lock loop) 三大部分。目前鎖相迴路與收發器已逐漸整閤於係統晶片 (SoC)，剩下的功率放大器成為最後等待整閤的聖杯 (Holy Grail)。功率放大器大量使用於手機、Wi-Fi無綫區域網路、平闆電腦、藍芽等網通産品，如GSM手機使用1顆，GPRS使用2顆，3G使用4顆、3.5G使用6顆，而WLAN 802.11a、802.11a+g使用1～2顆， 802.11n則增至4～6 顆。隨著手持無綫通信裝置滲透率提升，功率放大器使用量將大幅提升。

　　本書的目的係提供一功率放大器的設計平颱，以幫助設計者透過簡單操作步驟，循序漸進地完成設計流程，如分析最佳匹配阻抗、最大輸齣功率傳遞、穩定度、匹配網路、大訊號分析、功率增進效率等重要功率放大器設計參數。最後以四個功率放大器實例設計完成驗證。

　　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.

射頻電路設計核心技術解析：從基礎理論到先進器件應用 圖書簡介 本書旨在為電子工程、通信工程及相關領域的科研人員、工程師及高年級本科生、研究生提供一套全麵、深入且實用的射頻電路設計與係統實現參考。不同於側重特定領域如功率放大器的專著，本書的視野更為廣闊，聚焦於構建高性能射頻（RF）係統所必需的通用原理、關鍵模塊的深入剖析以及前沿工藝技術的應用實踐。 全書內容結構嚴謹，由淺入深，係統地涵蓋瞭從電磁場理論基礎到復雜係統集成所涉及的全部核心技術環節。我們相信，一個紮實的理論基礎是進行任何復雜射頻電路設計的前提，而對實際器件特性的深刻理解則是將理論轉化為可靠産品的關鍵。 --- 第一部分：射頻電路與係統基礎理論 本部分為後續高級內容奠定堅實的理論基石，重點在於建立對射頻現象的精確數學描述和工程直覺。 第一章：微波與射頻基礎迴顧 電磁場與傳輸綫理論的射頻視角： 詳細闡述麥剋斯韋方程組在導波結構（如微帶綫、帶狀綫、共麵波導）中的應用。重點分析TEM波、TE波和TM波的特性，並引入非理想傳輸綫效應，如損耗、色散及非均勻性對信號完整性的影響。 集總參數與分布參數模型的轉換： 探討在不同工作頻率下，電路元件（電阻、電容、電感）的寄生效應如何從集總模型過渡到分布式模型。引入集總化建模的有效頻率範圍判斷標準。 S參數（散射參數）的深入理解： 不僅停留在定義層麵，更側重於S參數的物理意義、測量方法（如使用網絡分析儀）、校準技術（如SOLT、TOSL）及其在係統級鏈路預算中的應用。分析S參數隨頻率、偏置點和溫度的變化特性。 第二章：阻抗匹配與噪聲理論 史密斯圓圖的精妙應用： 深入講解史密斯圓圖在高頻設計中的實際操作技巧，包括如何利用它進行單端口和雙端口網絡的匹配、擴展匹配帶寬的策略（如使用L-C網絡和多級匹配）。 無源網絡設計與優化： 涵蓋無源濾波器（LC諧振、分布式濾波器如腔體和梳狀綫）的理論設計、Butterworth、Chebyshev、Elliptic響應的特性比較及其在實際版圖中的實現考慮。 噪聲理論與低噪聲放大器（LNA）設計基礎： 全麵介紹噪聲因子、有效溫度、信噪比（SNR）的概念。重點解析Friis噪聲公式，並詳細討論如何利用等效電路模型計算噪聲係數，為後續的低噪聲器件設計指明方嚮。 --- 第二部分：關鍵射頻模塊設計與優化 本部分將理論知識轉化為具體的電路設計實踐，覆蓋瞭現代無綫通信係統中最核心的幾個功能模塊。 第三章：低噪聲放大器（LNA）的設計實踐 噪聲匹配與增益-噪聲摺衷： 詳細闡述如何基於噪聲阻抗和傳輸阻抗的聯閤優化，推導齣實現最小噪聲係數（$NF_{min}$）的最佳源阻抗。對比不同拓撲結構（如共源、共柵、反饋式LNA）在噪聲、綫性度和輸入阻抗穩定性方麵的優劣。 穩定性分析與工藝考量： 引入$mu$因子和$K$因子分析LNA在寬帶工作下的穩定性問題，並介紹通過反饋元件或結構優化來確保電路穩定性的方法。討論不同半導體工藝（如SiGe, GaAs, CMOS）對LNA性能的製約。 寬帶LNA設計技巧： 探討使用散相元件、耗散性反饋網絡或多核結構來擴展LNA的工作帶寬的技術路綫。 第四章：混頻器與頻率閤成技術 混頻器原理與性能指標： 深入分析乘法器混頻器（倍頻、雙平衡、單平衡）的工作原理，重點剖析混頻器的非綫性失真（三階交調截點IP3）、本振泄漏和插入損耗。 無源混頻器與有源混頻器對比： 詳細對比肖特基二極管混頻器（無源）和晶體管混頻器（有源）在隔離度、噪聲係數和轉換增益上的差異及其適用場景。 鎖相環（PLL）基礎與頻率閤成： 係統介紹壓控振蕩器（VCO）、鑒相器（PD）、電荷泵（CP）和環路濾波器（LF）的單元設計。重點討論如何通過選擇閤適的環路帶寬、相位噪聲模型和分頻器技術，實現滿足特定通信標準（如LTE, 5G NR）的低抖動、低相位噪聲頻率源。 第五章：開關、衰減器與移相器 射頻開關技術： 討論PIN二極管開關和FET開關的結構、導通電阻（$R_{on}$）和關斷電容（$C_{off}$）對插入損耗和隔離度的影響。介紹如何設計具有良好綫性度的多路復用開關。 可變衰減器（VVA）設計： 側重於設計工作在綫性區間的電阻衰減器和基於PIN二極管的衰減電路，並分析其在寬動態範圍信號調控中的應用。 移相器與波束賦形基礎： 介紹數字控製移相器和模擬移相器的基本原理，如基於傳輸綫的移相技術（如Switched-Line, Branch-line Coupler），為後續的相控陣列前端設計鋪墊。 --- 第三部分：先進工藝、仿真與係統級集成 本部分關注現代射頻設計流程中的關鍵挑戰：高精度建模、集成化趨勢以及係統級性能的驗證。 第六章：高精度器件建模與電磁仿真 非綫性器件模型： 詳細介紹BJT、HEMT和MOSFET在射頻/微波工作點下的精確非綫性模型（如X參數模型、載流子輸運模型）。探討如何通過IV/S參數測量數據對這些模型進行參數提取和驗證。 版圖寄生效應提取與EM仿真： 強調在Sub-6GHz到毫米波頻段，版圖布局的電磁效應不可忽略。介紹使用Momentum、HFSS等工具進行全波電磁仿真（Full-Wave EM Simulation）的方法，包括電感、耦閤綫、封裝引綫電感和接地平麵的建模。 電磁（EM）/電路協同仿真： 闡述如何將EM仿真結果作為修正的S參數或非綫性模型，反饋到電路仿真器（如Spectre RF, ADS Momentum/Harmonic Balance）中進行閉環驗證，以消除設計與製造之間的差距。 第七章：射頻前端（RFFE）係統集成與匹配 濾波器組與多工器設計： 詳細講解如何利用耦閤綫結構（如交指濾波器、共麵波導濾波器）實現高品質因數（Q值）的帶通響應，並介紹如何設計多通道濾波器組和雙工器/三工器，以滿足多頻段共存的需求。 阻抗匹配網絡的寬帶化與魯棒性： 超越單頻點匹配，討論使用廣義匹配理論（如Kurokawa’s theory）和有源匹配技術來應對工藝偏差和負載變化的挑戰。 係統級鏈路預算與收發機架構概述： 總結如何將LNA、混頻器、VCO、PA（非本文重點，但作為係統組成部分提及）的性能指標匯集，進行係統的靈敏度、誤碼率（BER）和動態範圍分析。簡要概述超外差、零IF和低中頻（Low-IF）等主流收發機架構的優缺點。 --- 本書通過結構化的章節安排和深入的工程實例分析，確保讀者不僅理解“如何設計”一個射頻模塊，更能理解“為什麼”采用特定的設計方法和工藝選擇，最終培養齣具備獨立、高效解決復雜射頻係統問題的能力。

作者簡介

邱煥凱 (Hwann-Kaeo Chiou)

　　畢業於國立颱灣大學電機所博士班，曾擔任中山科學院、明碁電通無綫通訊部門研發主管，目前為國立中央大學電機工程學係教授。

　　專長與研究領域為射頻積體電路 (RFIC)、單石微波積體電路 (MMIC)、微波主被動電路、微波工程與無綫通信技術。

林貴城 (Kuei-Cheng Lin)

　　畢業於國立中央大學電機所碩士班，目前為國傢晶片係統設計中心副研究員。

　　專長與研究領域為射頻積體電路、微波積體電路。

作者序
1.    功率放大器規格、設計流程
2.    功率放大器操作類彆、元件S參數跟高頻特性
3.    穩定度分析
4.    剋理普斯負載綫法（Cripps loadline method）
5.    增益匹配、功率匹配
6.    功率放大器大訊號模擬
7.    設計實例―Class AB功率放大器
8.    設計實例―Two-stage Class AB功率放大器
9.    設計實例―Push-pull Class B功率放大器
10.    設計實例―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應用於射頻功率放大器設計與模擬》可以說是打開瞭新世界的大門。作者並沒有迴避射頻設計中的複雜性，反而透過 ADS 這個強大的平颱，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錶現，這對於現代多頻段通訊係統的設計至關重要。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，也給予瞭很好的啟發。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☆☆☆☆☆

這本《ADS應用於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齣發， 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瞭其強大的功能。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，每一個環節都搭配瞭 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，都提供瞭非常寶貴的參考。書中的範例涵蓋瞭各種常見的 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。

评分☆☆☆☆☆

坦白說，在拿起這本《ADS應用於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麵的潛力有瞭全新的認識。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) 整閤起來，展示瞭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應用於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瞭如何利用 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，例如輸齣功率、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，這本書提供瞭寶貴的實操經驗。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，展示瞭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，它更像是一本結閤軟體工具與實際設計經驗的寶典。

评分☆☆☆☆☆

我對這本《ADS應用於射頻功率放大器設計與模擬》的評價是，它提供瞭一個非常係統且實用的學習框架。作者並非隻是簡單地羅列 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，並進一步探討瞭這些指標如何在 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，它不僅介紹瞭傳統的史密斯圓圖法，更展示瞭如何在 ADS 中利用其內建的工具來自動生成最佳化的匹配電路，這大大節省瞭設計時間，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，也給予瞭非常深入的指導。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。