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射频与微波工程实践导论

作译者：李秀萍

出版时间：2009-01 千字数：627 版次：1-01 页数：392

开本：16(185*260) 装帧： I S B N ：9787121075940

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纸质书定价：￥45.0

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第1章    引言	1 1.1    无线电起源	1 1.2    当前无线电频谱	4 1.3    本书约定	7 1.4    矢量和坐标	8 1.5    常量和有用变换	10 参考文献	10 第2章    交流分析和电路仿真	12 2.1    基础电路元件	12 2.2    基尔霍夫定律	16 2.3    交流分析	17 2.4    电压和电流相量	19 2.5    阻抗	20 2.6    导纳	22 2.7    LLFPB网络	24 2.8    分贝、瓦分贝和毫瓦分贝	24 2.9    功率转移	28 2.10  损耗规定	30 2.11  实际RLC模型	32 2.12  LC元件设计	34 2.13  趋肤效应	37 2.14  电路仿真	39 参考文献	42 习题	42 第3章    LC谐振和匹配网络	44 3.1    LC谐振	44 3.2    串联电路品质因数	45 3.3    并联电路品质因数	46 3.4    耦合谐振腔	47 3.5    Q匹配	49 参考文献	54 习题	55 第4章    分布电路设计	57 4.1    传输线	57 4.2    介质中的波长	59 4.3    传输线上的脉冲	60 4.4    入射波与反射波	61 4.5    反射系数	61 4.6    回波损耗	62 4.7    失配损耗	62 4.8    失配误差	63 4.9    电报方程	66 4.10  传输线波方程	67 4.11  波的传播	68 4.12  相位和群速度	70 4.13  反射系数与阻抗	72 4.14  阻抗变换公式	72 4.15  利用传输线的阻抗匹配	78 4.16  FANO（和BODE）约束条件	78 参考文献	82 习题	83 第5章    史密斯圆图	86 5.1    史密斯圆图基础	86 5.2    绘制史密斯圆图	89 5.3    史密斯圆图上的导纳	94 5.4    失配负载调谐	97 5.5    开槽线阻抗测量	98 5.6    驻波比VSWR = r	101 5.7    负电阻的史密斯圆图	102 5.8    史密斯圆图导航	103 5.9    史密斯圆图软件	106 5.10  史密斯圆图上的带宽估计	107 5.11  近似调谐或许更好	108 5.12  史密斯圆图上的频率线	109 5.13  在没有传输线的情况下使用史密斯圆图	109 5.14  恒定Q圆	110 5.15  传输线的集总等效电路	112 参考文献	116 习题	116 第6章    矩阵分析	118 6.1    矩阵代数学	118 6.2    Z矩阵与Y矩阵	120 6.3    互易性	122 6.4    ABCD矩阵	122 6.5    散射矩阵	126 6.6    传输矩阵	129 参考文献	130 习题	131 第7章    电磁场与波	133 7.1    矢量力场 	133 7.2    电场和磁场 	134 7.3    电场强度E	135 7.4    磁通量密度	136 7.5    矢量叉乘	137 7.6    静电场和高斯定理	140 7.7    矢量点乘与散度	142 7.8    静电势函数与梯度	143 7.9    磁场B的散度	146 7.10  安培定理	146 7.11  矢量的旋度	147 7.12  法拉第电磁感应定律	152 7.13  麦克斯韦方程组	153 7.14  基本的矢量运算	156 7.15  拉普拉斯方程	157 7.16  矢量与标量恒等式	159 7.17  导体中的自由电荷	160 7.18  趋肤效应	162 7.19  导体的内阻抗	164 7.20  波动方程	166 7.21  亥姆霍兹方程	167 7.22  平面传播波	168 7.23  坡印亭定理	170 7.24  波的极化	172 7.25  传输线上的电场和磁场	175 7.26  波导	180 7.27  傅里叶级数与格林函数	191 7.28  电路中的高阶模	196 7.29  矢量位	198 7.30  滞后位	200 7.31  正弦信号情况下的位函数	200 7.32  天线	201 7.33  路径损耗	212 7.34  电磁仿真	214 参考文献	218 习题	219 第8章    定向耦合器	224 8.1    与波长可比拟的尺寸	224 8.2    反向波耦合器	224 8.3    奇-偶模分析	225 8.4    3 dB反射终端耦合器	233 8.5    耦合器规格	236 8.6    使用定向耦合器的测量方法	237 8.7    网络分析仪阻抗测量	238 8.8    二端口散射参量测量	238 8.9    分支线耦合器	239 8.10  混合环形耦合器	240 8.11  WILKINSON 功率分配器	241 参考文献	242 习题 	242 第9章    滤波器设计	245 9.1    电压传输函数	245 9.2    低通原型	246 9.3    巴特沃思或最平特性滤波器	247 9.4    反归一原型响应	248 9.5    高通滤波器	251 9.6    带通滤波器	252 9.7    带阻滤波器	255 9.8    切比雪夫滤波器	257 9.9    相位和群时延	260 9.10  滤波器Q值	263 9.11  双工滤波器 	265 9.12  顶耦合的带通滤波器	266 9.13  椭圆滤波器	268 9.14  分布滤波器	270 9.15  RICHARDS 变换	272 9.16  Kuroda恒等式	276 9.17  Mumford最平坦枝节滤波器	278 9.18  利用优化工具设计滤波器	280 9.19  统计设计及产量分析	282 参考文献	289 习题	290 第10章    晶体管放大器设计	292 10.1　单向设计	292 10.2    放大器的稳定性	296 10.3    K因子	300 10.4    转换功率增益	304 10.5    单向增益的设计	305 10.6    单向增益圆	310 10.7    同步共轭匹配设计	314 10.8    多种功率增益的定义	317 10.9    工作增益设计	319 10.10  资用功率增益设计	323 10.11  系统噪声	326 10.12  低噪声放大器	332 10.13  放大器的非线性	336 10.14  反馈扩展带宽	340 10.15  级联放大器级数	344 10.16  放大器设计小结	347 参考文献	348 习题	348 附录 A    符号和单位	351 附录 B    复数学	354 附录C    规格尺寸的软铜线的直径和电阻	358 附录D    一些材料的性质	359 附录E    标准矩形波导	360 附录F    常量和有用变换	361 术语表	365

前        言       本书是针对有志成为射频微波工程师的大学本科生或研究生而写的。当今的工程师必须熟练地运用计算机作为设计工具，以保持竞争力。本书假定学生可以使用计算机和网络仿真软件，当然即使没有，也可以使用本书。无论哪种情况，该书都为学生准备了把计算机当成日常工具的现代工程环境。     计算机的应用可分为两个方面。第一个是让计算机按设定的程序和电路元件参数完成复杂的计算，这是网络仿真的主要应用，以此来贯穿整本书中给出的每个网络是如何在整个频段工作的。第二个用途和第一个类似，除此之外，还给出了用计算机改变部件的参数值，以达到一个预期的目标性能（优化），或者给出当构成一定量电路的器件值从一个量变化到另一个量的时候，其性能的变化（产量估计）。 在第二种应用中，计算机就像曾经假设的一千只猴子那样，如果教会它们打字的话，它们最终能输入世界上所有的文学作品甚至包括其索引。但是，进一步假设，它也会输入每一个可能的错误版本，也包括错误的索引在内。如今，工程师的任务就是在理解根本原理的基础上得到计算机输出结果中有用的部分。从这个意思上看，计算机只是一个被用做设计的工具，而不能替代设计。本书强调基本概念、工程技术，以及把计算机作为常规和智能的计算机辅助工具。     通过理论材料的呈现和计算机生成的例子，能提供对带宽、射频微波网络加工产量等基本性能的深入理解。这促进了经典电路设计及其局限性的评估。但是，在当今工程领域，经典电路设计很少有标准格式，尽管这是在使用个人计算机和仿真软件之前的必要练习。而且，如今的经典设计是满足针对某种特定设计指标所需的特定设计的切入点。经典设计的存在仍然有其重要的意义，因为它是定义什么是可期望的合理的仿真优化目标规格的出发点。它让这一千只猴子有效地从正确的那一页开始工作。     本书包括了无线电历史，以及对复数、交变电流理论和分贝的对数基础等工程基础的回顾。所有章节都采用简单通俗的方式，以利于读者理解所呈现的概念。书中没有给出许多可以找到的中间步骤，因为其目的在于启发，而不是也不需要测试读者的数学能力。本书还包括一些没有唯一答案的习题。对于习题，需要在本书的基础上进行更深层次的思考，这也正是意图所在。这样做可以把实际工程领域所发生的问题介绍给读者。     需要告诫读者的是，不要认为本书回顾的材料通俗易懂，就认为缺乏概念的严格性和完整性。读者将会很快看到，本书的章节实际上比那些大部分介绍微波的书本包含更多的理论概念和先进的工程技术。当然，该书重点强调实用技术。比如说，读者会惊喜地发现，仅仅在品质因数Q和阻抗导纳之间复杂的数学关系的基础上，就发展起来一门称为Q匹配的技术。熟悉该项技术的工程专家屈指可数。     本书的重点是如何解决实际工程环境中碰到的设计难题。像分布滤波器那样的设计，最好通过拥有的软件程序实现，或者通过那一千只猴子的方法实现（优化），但是重点是给猴子一个正确的起始点。 本书的风格来自于作者曾经教过的一门工业实验课程。在这门课程中，学生们在计算机上构造所介绍的相关电路，按规格设计好并且检验它们随频率的变化。这种方法能很快地培养学生们设计方面的信心。通过实践这种练习方法，我们用网络仿真来揭示电路的特性，并了解了学生们的掌握情况。下面的段落总结了所包含的主要议题。     第1章是无线电传输起源的回顾。Guglielmo Marconi在无线电发展的过程中起步最早，其持之以恒的努力仍然鼓舞着当今的工程师。      第2章是工程回顾，包括利用复杂的符号（见附录B）进行交流电分析，阻抗，分贝、毫瓦分贝及瓦分贝的量度，其目的是巩固这些基本概念。直觉上熟悉这些基础知识，对射频微波工程师来说，就像打字机对高效的写作一样重要。本章介绍了电路元件的实际应用，包括电阻器、电感器、电容器及其包含的寄生元件的等效电路。这些元件的寄生电抗严重限制了它们在高频段的使用，因此工程师有必要了解这些限制，以及它们是如何产生的。     第3章讨论的是谐振器和Q因子对其带宽的影响。基于电抗和电阻的比值的Q及串并联阻抗转换，得出了Q匹配方案。这让工程师们能够以一种更简单易记的步骤来设计LC匹配网络。     第4章在基于传输线及其特性的基础上介绍了分布电路。这是微波设计理论的开始。引入了一些重要的概念，比如，波长、电压驻波比（VSWR）、反射系数、回波损耗、失配损耗和失配误差等。紧接着介绍的是开槽线测量、电报方程和传输线方程的推导。还介绍了相位和群速度的概念，以及与阻抗和分布匹配相关的反射系数。导出了传输线阻抗转换方程和一些特殊情况的简单应用。介绍了Fano极限，这是在一定频带上对匹配能力的重要限制，可通过反射系数推导得到。     第5章主要是介绍史密斯（Smith）圆图基础及其应用，这是成为微波工程师的必要条件。史密斯圆图提供了一个观察传输线工作的窗口，把复杂的阻抗转换通过清晰易理解的方式表现在一个简单的图表上。本章揭示了史密斯圆图是如何处理基于无损传输线上恒定幅度反射系数的阻抗变换的。史密斯圆图只不过是反射系数圆，这是常被忽略的原理。本章还给出了利用阻抗圆、导纳圆、反射系数圆、Q因子圆推导出史密斯圆图的方法。举例说明了复负载阻抗匹配技术，电压驻波比带宽估计，以及等效电路导出技术。     第6章介绍了矩阵代数和ABCD，Z，Y，S，T矩阵的定义。矩阵的使用可以追溯至大多数电路的导出和测量技术。这一章举例说明了何时与如何使用不同的矩阵及其局限性。例如，书中给出了如何用ABCD矩阵，在几步内得到一个常规的等效电路，如得到传输线及完全匹配、可变的衰减器的集总等效电路。     第7章是根据微波射频工程师的需求，对电磁场理论进行的一个广泛介绍，它始于麦克斯韦方程组的物理和定性的实验，整章中很多基本原理的推导都用到了这几个方程。这包括著名的波动方程，从中麦克斯韦最先推导出了光和电磁场的一致性。     在整本书中，有必需技术的介绍。这一章中更是如此。介绍了在描述电磁场属性和关系的时候需要用到的矢量代数，其中包括梯度、点乘、叉乘、散度、旋度和拉普拉斯算子。这些矢量运算的直接应用有助于了解其物理意义，以及用它们来描述电磁场关系。     第7章的深度对一本入门书籍来说是很少见的。它从最基础的概念出发，延伸至很先进的应用。从数学角度详细地介绍了趋肤效应、导体的特征阻抗、坡印亭（Poynting）定理、波的极化、同轴传输线和矩形波导传播场的导出、傅里叶（Fourier）级数和格林（Green）函数、电路中的高阶模式、矢量电势、天线，以及无线电系统中的路径损耗。     即便在最理想的条件下，场的理论都很难掌握。为了适应电磁理论的宽范围，数学推导难以完整，其中忽略了很多对高效率阅读和快速理解定理所必需的中间步骤。     第7章总结了执行分布电路电磁场仿真中计算机的重要应用。这体现在它提供了比传统的、理想的分布模型更高的设计精度。     第8章论述的是定向耦合器，它是微波测量和微波系统中重要的组成部分。在这一章中，给出了如何分析和应用耦合器。书中以反向波耦合器分析为例介绍了偶数模式和奇数模式的分析方法。这样利用一种令人惊叹的器件来描述奇偶模分析的结果，很难在除此之外的其他参考书中体现得如此全面。反向波耦合器可以完全匹配，无限隔离，以及在所有频率下进行精确的90辔环掷搿；垢隽私獵ohn凹角几何结构用于获得3 dB反向波和5∶1带宽耦合器。本章还讨论了将耦合器用做功率分配器、网络反向移相器和作为网络分析仪的阻抗测量元件。     第9章给读者展示了如何从低通原型开始设计具有最平坦特性［巴特沃思（Batterworth）］、等波纹［切比雪夫（Chebyshev）］和接近常数延迟［贝塞尔（Bessel）］特性的滤波器。本章提供了以此标尺来设计高通、带通、带阻滤波器的经典技术。论证了滤波器Q值对插入损耗的影响，介绍了含等阻带波纹的椭圆滤波器。将利用顶耦合的等谐振腔滤波器描述成为一种扩展集总元件设计在实际频带中的工具。     通过半波传输线谐振器引入分布滤波器。展示了Richards转换和Kuroda等效，将其作为把集总元件设计转化成分布滤波器的工具。Mumford的1/4波长枝节滤波器作为仿真软件中优化等波纹滤波器和其他带通滤波器的基础。Kuroda等效不再是按惯例的概念模糊的“单元部件”，而是根据传输线的方式引入，简化了其使用。这允许学生们迅速理解并使用Kuroda等效，甚至可以把它的证明当做习题。     第9章以滤波器电路为例，总结了对产品产量的处理，利用特殊的方法如高斯积分、正态曲线展示如何用“1s”规格确定元件和电路的产量。介绍了用网络仿真评估实际的滤波器电路的产量。在这个过程中，应用于电路的规格及其性能分析，是在假定其加工是由正态分布元件的随机抽样构成的［蒙特卡罗（Monte Carlo）分析］。由500个电路得到的产量是确定的，给出了元件容差和规格是如何影响产品常量的，甚至在还没得到或者装备任何材料的时候就确定下来了。     第10章是晶体管放大器。放大器设计的关键是其稳定性和晶体管的源及负载的匹配，而且必须在整个频率范围实现，以及考虑整个频率范围内器件的增益。如果手动计算的话，这会是一个繁重的计算任务。用S参数和网络仿真器作为设计工具进行处理，在史密斯圆图上描述出恒定增益和噪声系数圆，用实际晶体管参数论证了其设计用途。     所描述的主要设计方法包括，单向增益、工作增益、资用增益、同时匹配和低噪声放大技术，并通过可用的晶体管S参数进行了论证，给出了特殊的放大器主题，包括单向设计性能指标（Unilateral Figure of Merit）、非线性效应、增益饱和、三阶交调截取（Three-order Intercept），非寄生动态范围（SFDR）和噪声容限。论证了级连放大器级间的驻波比的影响，给出了采用负反馈来减轻级间驻波比的互扰，设计出具有良好匹配的宽带放大器的方法。     本书包括如此多的理论和实践材料的目的是为了快速熟悉各种各样的电路，以及它们的容量、局限性和设计方法。这使得工程师不用再查阅繁杂的图书馆书籍就能直接进行实际电路的设计。本书举例说明这些主题并给出建议，如何只能利用计算机的优化以指挥计算机寻找具有实际可行性能的电路。 一个人可能在微波工程方面实践了多年也无法在如此宽泛的主题中获得经验。读完过这本书，并且完成了练习题的学生，以我的经验来说，通常都能胜任微波射频工程师的职位。     恳请读者提出建议和指出本书中的错误。   Joseph F. White jfwhite@ieee.org  致        谢       封面上的史密斯圆图标志的和书中用到的史密斯圆图得到了Vnita Smith的允许，他是Analog Instrument公司的老板，通信地址是Box 950, New Providence, New Jersey 07974。很高兴能向小Philip Smith致谢，因为他发明了这个不可思议的工具， 大概是对微波界最深刻的理解。很多史密斯圆图的匹配问题是通过Noble Publishing公司（Norcross，Georgia 30071）提供的WinSmith软件实现的。     所有的电路仿真都是由经Randall Rhea 允许的Genesys软件来完成的，Randall Rhea是Eagleware公司（Norcross，Georgia 30071 ）的创始人。同样，也谢谢Eagleware的在线支持团队，正是在他们的协助下改进了文中出现的很多仿真例子。     感谢鼓励我开始微波教学并且与我分享很多微波射频知识和设计方法的Les Besser博士。同样，也要谢谢Gerald DiPiazza的耐心，以及在书中临界场理论发展方面的帮助。     我非常感谢Peter Rizzi博士，他是我的大学同学和好朋友。他耐心地读完了手写稿，并且提出了很多提高可读性、实用性和准确性的建议。他直接执稿噪声和噪声温度部分。Rizzi博士是Microwave Engineering和Passive Circuits的作者，本书很广泛地参考了这两本很重要的、普遍使用的实用手册。他是一个很受学生欢迎的微波老师。除了我，没有人能够正确地评价其贡献的重要性。     写过书的人都知道这对爱人的耐心是很大的考验。谢谢我的妻子Eloise。  关 于 作 者  Joseph White是射频微波方面的老师兼顾问，在无线电产业界也非常有名。 他从事物理电子学专业，获得Case Institute of Technology大学电子及电机工程学士学位、Northeastern University硕士学位，以及Rensselaer Polytechnic Institute电子工程系博士学位。White博士在Massachusetts的Burlington的M/A-COM公司任半导体工程师达25年之久，拥有数项微波专利。 他发表了一篇文章Contributions to Phased Array Antennas，因此被授予IEEE 微波理论技术年度应用奖。 他写的Microwave Semiconductor Engineering一书自1977年以来已第3次印刷。 他教授的射频微波课程既有入门水平的，也有高级工程师水平的。他在美国和国际上做微波讲座已经有30多年。 20多年来，他一直是微波杂志，包括Microwave Journal和Applide Microware and Wireless的技术编辑。 他还是IEEE微波理论与技术的审稿人，IEEE会士，也是Eta Kappa Nu和Sigma Xi的联谊会会员。 恳请指出书中的问题、错误，以及发表意见。请发电子邮件至jfwhite@ieee.org。



                                        译    者    序       Joseph F. White博士是IEEE会士，在射频微波研究领域有着世界级的贡献。他编著的High Frequency Technology—An Introduction to RF and Microwave Engineering是一本适用于高年级本科生和研究生使用的教材或者参考书。本书可以作为国内电磁场与微波技术、电子与计算机工程、通信工程、电路与系统、电子信息及相关专业的本科生或者研究生教材。 在电子工业出版社的大力支持下，鉴于以下理由，我们选择翻译本书。  1.	本书从低频电路过渡到射频微波领域比较通俗易懂。大多数微波工程教材起始于电磁场理论和传输线理论，学生初学起来比较费劲，难以理解。本书从交流分析过渡，逐步深入“路”和“场”的概念，“集总”和“分布”参数的概念，这在章节的自然过渡中清晰明了。 2.	本书从交流分析和网络仿真开始，介绍了LC谐振和匹配网络，在此基础上进行分布电路设计，然后深入介绍了史密斯圆图及电磁场与波。实际的器件和电路设计包括定向耦合器、滤波器和晶体放大器。书中给出了具体的结合计算机的设计方法、详尽的分析，以及结合实际应用的注意事项。作者具有在射频微波领域学术界和工业界中科研和教学的工作经验。本书的风格强调基本概念，强调理解，以及强调实际工程中的设计和计算。每章结尾提供的习题，有利于进一步了解设计的原理和方法，增强动手能力，加深对概念的理解。 3.	本书结合计算机设计的例子具体且翔实，学生可以很快上手并产生兴趣。该书把复杂的问题简单化，生动清楚，内容详尽，并且启发性强。      全书共分10章，其中第1～7章是结合具体实例的理论分析，通过结合计算机仿真，微波常用概念变得简明易懂，可作为本科生教材的讲课重点，也是射频微波设计的理论基础；第8～10章给出了完整具体的结合计算机设计的实例。该书可作为研究生教材，便于培养学生的器件设计和实际操作能力。 北京邮电大学射频研究实验室的研究生徐志枢、章理、郑洋、应荧莹、王惠生、徐晓宁、杜挺、谭娟娟、杨燕、彭志艺及廖剑锟等，参与了大量文字录入工作和校对工作，在此表示衷心的感谢！     本书的翻译得到“十一五”国家高技术研究发展计划（863计划）2006AA04A102 和国家自然科学基金（60671054）的资助，在此表示特别感谢！由于译者水平有限，书中难免译词不妥。疏误之处，敬请读者不吝指正。译者感谢电子工业出版社对本书翻译工作的大力支持。                                                                          李秀萍 于北京                                                                      2008-8-31

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