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电子与信息科学前沿：微波与射频工程基础 作者： 约翰·C·史密斯 (John C. Smith) 出版社： 泰勒-弗朗西斯工程技术出版社 (Taylor & Francis Engineering & Technology Press) 出版年份： 2023年 图书页数： 680页 装帧形式： 精装 --- 内容简介 《电子与信息科学前沿：微波与射频工程基础》是一本面向高等院校电子工程、通信工程、电磁场与微波技术专业高年级本科生及研究生深入学习的权威教材。本书聚焦于现代通信系统、雷达、导航以及电子对抗等高技术领域不可或缺的核心技术——微波与射频（RF）电路设计、电磁波在人工结构中的行为，以及系统级集成方法。本书的叙述风格严谨而又不失启发性，旨在为读者建立一个坚实而全面的理论框架，并熟练掌握从基础理论到实际工程应用的转化能力。 本书共分为七个主要部分，涵盖了从基础电磁理论到复杂系统组件设计的全过程。 第一部分：电磁场基础与传输线理论回顾 (Part I: Electromagnetic Foundations and Transmission Line Theory Refresher) 本部分首先对麦克斯韦方程组在频域和时域下的形式进行回顾和深入剖析，强调其在微波频率下的适用性与修正。重点讲解了坡印廷矢量、电磁场能量密度以及波在理想介质中传播的特性。随后，本书详细阐述了传输线理论，不仅仅局限于LC等效电路模型，而是深入到TEM波在同轴线、微带线和带状线中的精确电磁场分布。着重介绍了史密斯圆图在阻抗匹配中的应用，并引入了基于散射参数（S参数）来描述多端口网络特性的重要概念，为后续章节中对有源和无源器件的分析奠定了基础。这一部分的数学推导详尽且逻辑清晰，确保读者对高频效应（如集肤效应和趋肤深度）有直观的认识。 第二部分：微波无源电路元件设计 (Part II: Microwave Passive Circuit Component Design) 本部分是本书的基石之一。它详细介绍了微波系统中常用的无源元件，包括各种滤波器（如切比雪夫、椭圆滤波器），它们的设计理论、阶数确定以及频率响应的优化。关于耦合线结构，本书提供了基于耦合系数的精确设计公式，并讨论了如何在实际电路板上实现这些结构时考虑寄生效应。此外，针对功率分配与合成网络，详细阐述了分支线耦合器、混合耦合器（如90°和180°混合耦合器）的工作原理、插入损耗、隔离度和相位平衡特性。对于高质量的电感和电容元件，本书超越了简单的L/C值，探讨了元件的品质因数（Q值）在实际应用中的局限性及其对电路性能的影响。 第三部分：阻抗匹配网络与稳定性分析 (Part III: Impedance Matching Networks and Stability Analysis) 本部分专注于确保功率传输效率和电路工作可靠性的关键技术——阻抗匹配。从单级和多级匹配网络的设计入手，本书详细比较了L型网络、T型网络以及更复杂的巴特沃沃斯/切比雪夫响应匹配网络的优缺点。本书强调了高Q负载的匹配难度，并引入了“最大平坦度”匹配的概念。更重要的是，本部分引入了有源器件（如晶体管）的稳定性分析。通过$mathrm{K}$因子和$Delta$参数，读者将学会如何判断一个放大器电路是否可能发生自激振荡，并掌握如何利用反馈或衰减电阻来确保电路在所有频率范围内的单向性增益（单边带操作）。 第四部分：微波有源电路：放大器设计 (Part IV: Microwave Active Circuits: Amplifier Design) 本部分深入探讨了微波放大器的工作原理和设计流程。首先，详细分析了双极性晶体管（BJT）和场效应晶体管（FET，特别是pHEMT和GaN HEMT）在高频下的等效电路模型，重点关注跨导的频率依赖性。针对放大器设计，本书系统区分了三种核心设计目标：最大增益放大器（MAG/MIG）、噪声匹配放大器（LNA）和宽带匹配放大器。对于低噪声放大器（LNA）的设计，书中详尽解析了噪声系数的定义及其等效电路模型，并推导了实现最小噪声系数所需的输入阻抗条件。此外，本书还包含了对工作点选择、功率放大器（PA）的AB类和C类操作以及效率（如集总效率和功率附加效率）的深入讨论。 第五部分：非线性效应与系统集成 (Part V: Nonlinear Effects and System Integration) 随着通信系统对频谱效率要求的提高，非线性效应成为设计的核心挑战。本部分详细分析了功率放大器中的非线性失真，特别是互调失真（IMD）和带外辐射（OOBE）。本书引入了Volterra级数展开来初步描述非线性系统的行为，并重点讲解了现代线性化技术，如预失真（Predistortion）技术和包络跟踪（Envelope Tracking, ET）技术。在系统集成方面，本书讨论了混频器（Mixer）的工作原理，包括单平衡和双平衡混频器的结构、变频损耗、本振泄漏以及噪声上/下变频的机制。 第六部分：微波测量技术与工具 (Part VI: Microwave Measurement Techniques and Tools) 理论的实现必须依赖精确的测量。本部分详细介绍了矢量网络分析仪（VNA）的操作原理，包括TDR/TDT模式在故障诊断中的应用。本书不仅教授如何读取S参数，更重要的是讲解了如何进行适当的校准（SOLT, TRL等）以消除测试夹具和电缆带来的误差。对于噪声系数测量，本书介绍了Y因子法和噪声源注入法。此外，功率测量、频谱分析仪的使用，以及误差向量幅度（EVM）在数字通信系统测试中的重要性也得到了全面阐述。 第七部分：先进主题：电磁兼容性与天线基础 (Part VII: Advanced Topics: EMC and Antenna Fundamentals) 最后一部分作为对未来研究方向的展望，简要介绍了电磁兼容性（EMC）的基础知识，包括辐射发射（RE）、传导抗扰度（CI）以及屏蔽设计的关键原则。同时，本书对天线基础理论进行了概览，包括基本单元（偶极子、环形天线）的辐射方向图、增益的定义以及有效辐射功率（ERP）的概念，为后续深入学习天线理论提供了必要的衔接。 --- 本书特色与适用性 本书的结构设计旨在平衡理论的深度与工程实践的广度。其显著特点包括： 1. 丰富的工程案例： 每个章节后附有多个来自实际通信系统（如5G小型基站、卫星通信链路）的设计实例，展示如何将理论计算应用于实际元件选型和布局。 2. 强调仿真验证： 书中穿插了对ADS、Keysight SystemVue等主流EDA工具的使用指导，鼓励读者将理论模型输入软件进行验证和优化。 3. 数学推导严谨： 难度适中，对微积分和线性代数有一定要求的读者能够完全跟上推导过程，理解物理现象背后的数学本质。 适用对象： 本书是微波工程、高频电路设计、无线通信系统工程师的必备参考书，特别适合希望在射频前端（RFFE）模块设计、射频集成电路（RFIC）或毫米波系统领域深造的读者。它提供的知识深度足以支撑读者进入前沿的研发工作。
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