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出版者:

作者:Medley, Max W.

出品人:

页数:592

译者:

出版时间:1992-12

价格:$ 195.49

装帧:

isbn号码:9780890065464

丛书系列:

图书标签:

• 微波电路
• 射频电路
• 电路设计
• 微电子
• 无线通信
• 阻抗匹配
• 网络分析
• 滤波器
• 放大器
• 振荡器

《高频与微波电路：从理论到实践的深度探索》 导言：时代的脉搏与电子的未来 当今世界，信息技术的飞速发展正以前所未有的速度重塑我们的生活、工作和交流方式。支撑这一切的基石，正是对电磁波——特别是微波和射频（RF）频段——的精确驾驭与应用。从我们口袋里的智能手机、全球定位系统（GPS）到复杂的雷达、卫星通信乃至前沿的5G/6G网络，无一不依赖于高效、可靠的高频电路设计与实现。 本书《高频与微波电路：从理论到实践的深度探索》旨在为工程专业学生、射频工程师以及对电磁波技术充满热情的专业人士，提供一套系统、深入且紧密结合工程实际的知识体系。我们摒弃了对特定商业化器件或某一特定应用工具的过度依赖，转而专注于构建坚实的物理和数学基础，使读者能够理解、分析并最终创造出下一代的高频系统。 本书的叙述逻辑遵循从基础物理概念到复杂系统集成的一般规律。我们首先建立起对电路在频率域内行为的全新认知，随后逐步深入到有源与无源器件的高频建模、匹配网络的设计艺术，直至最终的系统级集成与噪声分析。 --- 第一部分：高频基础与电磁场概念的重塑（Chapters 1-3） 本部分致力于打通高中低频电路知识与高频/微波领域之间的桥梁。在低频电路分析中，我们习惯于使用集总元件模型，认为电压和电流在空间是瞬时且均匀分布的。然而，当工作频率升高，波长与电路尺寸的相对关系发生变化时，这种模型便迅速失效。 第一章：从集总到分布——频率域的挑战 我们将详细探讨集总元件模型的局限性，引入传输线理论作为分析高频系统的核心工具。重点讲解集总参数与分布参数之间的界限，以及如何通过相移（Phase Shift）和时间延迟（Time Delay）的概念来理解信号在导线中的传播特性。 第二章：史密斯圆图——阻抗匹配的几何直观 史密斯圆图（Smith Chart）是高频电路工程师的“瑞士军刀”。本章将透彻解析其数学构造原理，阐明其如何将复杂的复数反射系数（Γ）映射到二维平面上。读者将学习如何利用圆图高效地进行串联和并联阻抗转换、输入阻抗的计算以及等效电路的识别。我们侧重于理解圆图背后的物理意义，而非简单的图表查阅。 第三章：散射参数（S-Parameters）——网络分析的语言 在射频领域，由于高频信号的测量难度和功耗的考虑，电压和电流的直接测量变得不切实际。因此，散射参数（S-Parameters）成为描述多端口网络特性的标准工具。本章将详尽介绍S参数的物理定义，推导其与Z、Y、H参数之间的转换关系。特别关注反射系数（|S11|）和传输系数（|S21|）在评估器件性能中的核心作用，以及如何处理网络的插入损耗（Insertion Loss）和回波损耗（Return Loss）。 --- 第二部分：无源元件的精确建模与设计（Chapters 4-6） 高频无源电路是所有射频系统的基础，包括滤波器、耦合器和功率分配器等。本部分的核心在于，用分布元件的概念来精确设计这些无源网络。 第四章：传输线的特性阻抗与耦合 深入分析均匀传输线（如微带线、带状线、共面波导）的特性阻抗（Characteristic Impedance）的建立过程。我们将探讨电磁场在不同介质结构中的分布情况，并介绍准静态（Quasi-Static）分析方法用于估算实际几何结构下的特征阻抗。此外，还将介绍耦合线理论在耦合器设计中的应用。 第五章：高频滤波器的原理与综合 滤波器在高频系统中起着至关重要的信道隔离作用。本章将从Butterworth、Chebyshev和Elliptic等经典近似理论入手，阐述如何将对频率响应的要求（如通带纹波、阻带衰减）转化为对拉普拉斯域原型函数的选取。随后，我们将介绍如何利用Kuroda恒等式或Cauer展开法，将原型元件网络转换为分布元件实现（如使用LC梯形结构或传输线段）。 第六章：阻抗匹配网络的设计艺术 阻抗匹配是确保最大功率传输和最小信号反射的关键。本章侧重于L-匹配网络的拓扑选择（如高Q与低Q负载的处理），以及更复杂的多级匹配网络的级联设计。我们将引入Butterworth响应匹配和宽带匹配的概念，例如使用All-pass网络或Chebyshev响应来优化特定带宽内的匹配性能。 --- 第三部分：有源器件的高频分析与放大器设计（Chapters 7-9） 有源器件（如晶体管）是信号的放大、振荡和混频的核心。本部分关注如何将半导体器件在高频下的复杂行为纳入可管理的电路模型。 第七章：高频晶体管模型与参数提取 本章将详细分析BJT和FET在高频下的等效电路模型（如$r_pi, C_pi, C_mu$等参数的意义）。重点讲解$f_T$（过渡频率）和$f_{max}$（最大振荡频率）的物理意义及其对器件高频性能的限制。此外，还将介绍晶体管参数的实际提取流程，包括网络分析仪（VNA）在S参数测量中的作用。 第八章：单级高频小信号放大器设计 放大器设计目标通常是增益、稳定性和噪声性能的权衡。我们将系统地介绍单端口稳定判据（如$K$因子和$Delta$测试），以及如何根据工作需求选择最大增益匹配（MAG/MUG）或稳定匹配。本章也将深入探讨噪声参数（$G_{min}, Gamma_{opt}, N_{opt}$）的意义，并指导读者设计噪声匹配网络。 第九章：宽带放大器与反馈技术 对于需要覆盖较宽频率范围的应用，如宽带示波器或通信接收机前端，反馈技术至关重要。我们将分析负反馈在稳定增益、改善线性度方面的作用，并介绍施勒夫（Shunt-Series）反馈结构的分析方法。同时，还将引入增益带宽积的概念，并探讨如何通过极点补偿来控制放大器的瞬态响应和稳定性。 --- 第四部分：噪声、非线性和系统集成（Chapters 10-12） 真正的射频系统不仅要放大信号，还必须在存在噪声和干扰的环境中保持信号的纯净度和系统的长期可靠性。 第十章：随机过程与高频噪声理论 噪声是高频系统性能的根本限制。本章将从热噪声（Johnson-Nyquist Noise）、散粒噪声（Shot Noise）等基本物理噪声源入手，系统地建立噪声等效电路模型。我们将详细阐述噪声系数（Noise Figure, NF）的定义及其在级联电路中的Friis公式，为设计低噪声放大器（LNA）提供理论支撑。 第十一章：非线性失真与互调制 随着系统密度的增加，器件的非线性效应变得不可忽视。本章分析三阶交调点（IP3）和饱和输出功率（Psat）在评估接收机和发射机线性度中的作用。我们将探讨寄生振荡的原因，以及如何通过偏置点选择和反馈设计来优化放大器的线性指标。 第十二章：功率放大器（PA）的效率与线性化挑战 在发射机前端，功率放大器（PA）的设计目标是高效率与高线性度的平衡。本章将对比甲类、乙类、AB类以及D类和E类等不同偏置模式的优缺点。更重要的是，将介绍现代通信系统中克服非线性失真所需的前馈（Feedforward）和预失真（Predistortion）等数字预失真（DPD）技术的基本概念，连接到实际的现代通信标准。 --- 结语：迈向更广阔的电磁世界 本书的全部内容，均基于麦克斯韦方程组和传输线理论的严谨推导，侧重于对物理现象的深刻理解，而非对特定商业工具的操作指南。完成本书的学习，读者将具备在没有现成设计库的情况下，从零开始设计、分析和调试复杂射频/微波电路的能力，为未来在无线通信、雷达探测、电子对抗等前沿领域的发展奠定坚实的基础。

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这本书的叙事节奏掌控得非常微妙，它不像市面上许多教材那样试图用生动的故事或贴近生活的例子来吸引人，而是采取了一种近乎冷峻的、高度系统化的编排方式。章节之间的衔接非常紧密，一个概念的引入总是基于前一个概念的严密逻辑推导，这使得阅读过程成为一种线性的知识构建。例如，在讨论滤波器设计的部分，作者并没有急于展示Chebyshev或Elliptic型滤波器的响应曲线和元件值表格，而是先花了大量的篇幅去铺陈二线网络理论，以及如何通过不平衡端到端连接来分析耦合效应。这种处理方式的优点是，一旦你理解了某个章节的内容，你对后续更复杂的有源或无源器件的分析自然而然就能建立起联系。缺点也很明显，那就是它对“工程直觉”的培养关注度不高。全书的例题设置偏向于解析计算，很少有涉及到实际集成电路制造工艺中的非理想效应，比如引线电感、封装效应或者温度漂移这些“现实世界的泥淖”。因此，读者在掌握了书本上的理想模型后，仍需花费大量精力去桥接理论与实际的鸿沟。它提供的是一座坚固的理论骨架，但血肉和肌肉需要读者自己去填充。

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这本书的封面设计得相当朴素，带着一种老派的工程手册风格，颜色偏向沉闷的蓝灰色，字体选择了一种非常清晰、但缺乏现代感衬线体。当我翻开第一页，映入眼帘的首先是厚厚的公式推导和大量的数学符号，这立刻让我意识到，这本书并不是一本为“快速入门”或“概念概览”而写的读物。它深入到了电磁场理论的底层逻辑，对麦克斯韦方程组的应用进行了极为详尽的探讨，尤其是在处理非均匀介质和复杂边界条件下的解析解时，作者的态度是毫不妥协的，仿佛在向读者证明每一个结论都是通过严谨的数学逻辑一步步推导出来的。书中对于传输线理论的阐述，从最基本的特/性阻抗匹配到史密斯圆图的几何意义，都进行了极其细致的描绘，配图虽然不多，但每一张图都精准地标注了关键的物理量和坐标系。对于那些希望真正理解微波元件内部工作机制，而不是仅仅停留在“黑箱”层面进行参数调整的设计师来说，这本书无疑提供了一个坚实的基础。然而，对于初学者而言，其密度可能会让人望而却步，它要求读者具备扎实的电磁学和高等数学功底，否则很容易在复杂的积分和微分方程中迷失方向。我个人认为，它更像是一部参考指南，适合在实际项目遇到瓶颈，需要回溯理论源头时使用。

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阅读这本书的过程，与其说是在学习一门课程，不如说是在进行一场严谨的学术对话。作者的文风极其克制和精准，几乎没有使用任何口语化的表达或者激发情绪的修辞。每一个论断都建立在扎实的数学基础之上，使得读者在每一次成功的理解后，都会产生一种智力上的满足感，仿佛自己也参与了这些电磁现象的推导过程。它最大的价值在于其对基本原理的深度挖掘，这种深度是很多追求快速应用的现代教材所无法比拟的。例如，在讲解耦合线滤波器时，对耦合系数的定义和对非互易性的影响分析得极为透彻，这使得读者不仅知道“如何设计”，更知道“为什么这样设计会产生这个结果”。当然，这种深度也带来了极高的阅读门槛，它迫使读者不断回顾和巩固基础知识，任何一个环节的松懈都可能导致后续内容的理解停滞。这本书不是为你提供现成的“食谱”，而是教你如何磨砺和使用最锋利的“刀具”——即数学工具——去切割和解析复杂的电磁问题。它更像是一本为电磁学领域的研究生准备的奠基石，而非面向普通电子爱好者的入门读物。

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这本书的排版和印刷质量可以说得上是“古板而可靠”。纸张采用了略微偏黄的哑光纸，有效减少了阅读公式时的反光，这对于需要长时间盯着密密麻麻符号的工程师来说，是一个贴心的设计。图表的绘制采用了高质量的黑白线条图，虽然缺乏色彩的辅助来区分不同的电场或磁场向量，但其清晰度和精确度是无可挑剔的。比较让人称道的是索引（Index）部分，它极其详尽地列出了每一个专业术语及其出现的页码，这使得快速定位特定公式或定义变得异常高效，这体现了作者对读者使用体验的深思熟虑。不过，与其他一些面向新一代读者的教材相比，这本书在多媒体辅助方面几乎是零投入，完全依赖文本和静态图表。你找不到任何二维码链接到仿真软件教程，也没有附带的配套光盘或在线资源。这要求读者必须拥有很强的自我驱动力和工具驾驭能力，必须能够将书中的理论模型自行输入到如ADS或Keysight的仿真环境中去验证和实践，对于习惯了“所见即所得”学习方式的年轻一代可能会感到有些不适应。

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我注意到这本书在材料的选取和内容的侧重点上，明显带有它出版年代的烙印。书中对S参数的介绍非常经典，从功率传输的角度出发，完美阐述了网络分析仪的工作原理基础，这一点毋庸置疑是教科书级别的。然而，当我们翻到有源器件部分时，就能感受到时代差异带来的局限性。对于如GaAs HEMT或GaN等现代高功率、高频率半导体器件的非线性特性建模，讨论得相对简略，更多的是基于传统的BJT或FET模型进行简化处理。书中的噪声分析部分非常扎实，特别是对等效输入噪声参数的推导非常详尽，这对于设计低噪声放大器（LNA）的人来说是极大的福音。但对于现代射频前端设计中越来越重要的集成技术，比如CMOS工艺下的RFIC设计，这本书的内容似乎停留在传统的分立元件电路搭建阶段。它强调的是传输线、腔体谐振器这些“宏观”元件的设计哲学，对于需要处理版图寄生参数和电磁干扰（EMI）的片上系统设计者来说，可能需要大量补充其他更侧重IC层面的资料。总的来说，它是一部关于“电磁波在特定结构中如何表现”的权威著作，而非“如何用现代半导体技术快速实现一个系统”的实用手册。

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