前言
近年来，无线通信技术及其应用得到了非常迅速的发展。数字编码及数字信号处理的引入是推动无线通信技术发展的原动力。高性能、低成本的CMOS工艺的进步，使得芯片上单位面积内可以集成越来越多的数字功能，从而可以采用复杂的编解码和调制解调算法，获得高性能的无线通信。无线通信的飞速发展给无线收发机射频前端的设计带来了很多挑战。射频前端是天线和无线收发机后端基带处理器之间的接口。它需要检测在GHz频段的微弱接收信号（μV量级），同时还要在相同的频段发射大功率的射频信号（可高达2W）。这需要高性能的射频前端电路，例如低噪声放大器、变频器、功率放大器、滤波器、频率合成器等。在天线和基带处理器之间，射频前端电路完成将信号从一个频带搬移到另一个频带的功能。高性能、低功耗和低成本是射频前端电路的设计目标。在GHz频段要实现高性能、低功耗、低成本的电路是相当困难的，这使得射频前端设计成了无线收发机设计的一个瓶颈。
采用分立元件来实现无线收发机射频前端使得价格居高不下，系统体积也非常庞大，这是与人们的需求相矛盾的。随着工艺技术和集成电路设计技术的发展，实现集成化的无线收发机射频前端已经有了可能。考虑到绝大多数无线收发机的基带处理器都是采用CMOS工艺实现的，射频前端也应采用CMOS工艺来实现，以便最终将射频前端和基带处理器集成在同一块芯片上，实现单芯片的收发机。而目前随着深亚微米技术的发展，CMOS晶体管的特征频率不断提高，CMOS工艺已经可以满足或者接近满足射频集成电路的需要。
现在，许多大学和工业界的研究组都在进行射频集成电路的研究，采用CMOS工艺实现的射频集成电路产品越来越多，功能也越来越复杂，CMOS射频集成电路开始进入真正的产品开发阶段。与这一阶段相适应，工业界对射频集成电路设计人才具有巨大的需求，而且在不久的将来该需求还会逐渐增加。为了加快射频集成电路人才的培养，国内迫切需要一本较好的射频集成电路教材。本书正是在这样的背景下完成的。它以实现一个完整的无线收发机射频前端为主线，按照“射频电路基础—射频电路元器件—无线收发机系统结构—射频模块电路分析与设计—后端设计与混合信号集成—无线收发机实例”的结构编写。在编写过程中，编者力图面向实际应用，在介绍清楚基本概念的基础上，着重讨论在集成射频前端框架下各模块电路的设计方法以及提高性能的措施。书中讲述的主要概念和方法都尽量通过具有实际应用价值的设计实例加以解释和说明，并以较大篇幅介绍了它们的求解方法，使读者能够举一反三，独立解决CMOS射频集成电路设计中的实际问题。通过本书的学习，读者可以进行基本的射频集成电路设计，并对无线收发机射频前端结构选择以及模块划分、性能指标分配等初步了解。编写本书的另一个目的是对目前为止出现的射频电路设计技术进行总结，供读者进一步研究之用。因此本书的内容力图反映射频集成电路领域的最新进展，在内容上包括了很多先进的射频集成电路设计技术。本书涉及面比较宽，作为一本教材，并非所有内容都要在课内讲授，使用本教材的教师可结合实际需要对本书内容进行适当的裁减，灵活选取授课内容。
全书共分为15章，全书结构如下图所示。
第1章是绪论。介绍射频电路的发展历史，讨论无线通信系统的组成、射频电路在系统中的作用与地位、射频电路与微波电路和低频电路的关系及其应用领域。
第2章讨论了线性射频电路的基本特性和分析方法。首先讨论了传输线的基本特性；接着引入线性射频电路的基本分析工具Smith圆图；然后讨论了描述线性射频电路性能的基本参数（S参数）以及应用S参数来分析线性网络的方法；最后介绍了无源分立集总参数元件应用于射频电路时可能出现的寄生效应及其等效模型。
第3章讨论无源RLC网络的基本特性、阻抗匹配的概念以及实现阻抗匹配的方法。首先讨论了无源RLC网络的基本特性；然后讨论了串并联阻抗等效互换以及回路抽头时的阻抗变换，这些简单的变换关系在射频集成电路的设计中经常用到；最后讨论了阻抗匹配的概念以及L匹配、Pi匹配、T匹配、微带线匹配的原理以及设计方法，这些匹配是射频集成电路设计或者测试中最常用到的阻抗匹配类型。
第4章介绍了衡量射频电路性能的各种参数并讨论如何从系统描述推导出射频前端的性能描述；紧接着讨论了射频电路的仿真问题并介绍了几种商用射频电路仿真软件；最后对CMOS射频集成电路实现的难点进行了简单评述。
第5章介绍了射频集成电路中常用无源元件（包括电阻、电容和电感）的结构，分析了这些元件的寄生效应，并讨论了它们的仿真模型和性能优化问题。考虑到容抗管在射频电路中有很重要的应用，本章也讨论了各种结构容抗管的特性。
第6章介绍了射频集成电路中常用的两种有源器件（MOS晶体管和双极晶体管）的基本特性。在介绍清楚晶体管的直流工作特性以及各种短沟效应对晶体管IV曲线的影响后，着重讨论了晶体管的高频工作特性、交流小信号等效模型、噪声模型和射频晶体管模型。
第7章集中讨论了射频前端各种系统结构的优缺点，CMOS集成电路实现时所面临的主要问题及其解决办法，并分析了射频前端在系统结构上的发展趋势。
第8章讨论了低噪声放大器的设计问题。首先介绍了两端口网络的噪声分析，这是进行低噪声放大器设计的基础；然后讨论了低噪声放大器的拓扑结构；接着介绍了使用源简并电感的共源低噪声放大器的设计和优化问题，通过引入等高线设计法来系统地设计满足性能指标和设计限制的低噪声放大器，使用源简并电感的共源放大器是最常用的低噪声放大器结构，因此对它作了重点介绍；然后对目前的研究热点——宽带低噪声放大器电路进行了简单讨论；最后通过介绍微波晶体管放大器的设计方法引入了若干重要的概念，这些概念有助于我们理解集成射频放大器的设计和优化问题。
第9章集中讨论了集成射频混频器设计过程中所遇到的各种问题。首先介绍了混频过程的基本原理，说明任何非线性元件都可以作为混频器来使用，但从输出频谱的纯净度上考虑，二阶非线性元件是最合适的混频元件；接着介绍了衡量混频器性能的主要指标；然后对无线收发机中最常使用的有源混频器结构进行了详细讨论，分析了它的转换增益、噪声性能和线性度性能，给出了设计混频器时要考虑的各种设计因素，并介绍了几种改进混频器性能的技术；最后讨论了其他常用的混频器结构，包括电位混频器、无源混频器和亚采样混频器，它们都具有较高的线性度，但其他方面的性能较差，限制了它们的广泛应用。混频器是一个非线性时变电路，混频过程是一个本振信号控制的周期性稳态过程，具有与线性电路完全不同的特点。考虑到这一点，本章还引入了周期性稳态电路的分析方法，该分析方法也可应用于分析其他的周期性稳态电路（如振荡器电路等）。
第10章集中讨论了射频功率放大器的分析和设计问题。首先介绍了晶体管的非线性模型，它是分析功率放大器非线性的基础；然后介绍了负载线设计技术和Loadpull理论，并引入衡量功率放大器性能的参数；以此为基础，分析了传统功率放大器和开关模式功率放大器的工作原理和设计技术，前者效率较低，但线性度相对较好，而后者是一个高效率的非线性放大器；然后介绍了采用CMOS工艺来实现集成功率放大器所面对的挑战及解决方案；最后简单介绍了功率放大器的各种线性化技术。功率放大器是一个大信号电路，具有与小信号电路不一样的分析和设计方法。通过本章的介绍，读者可以了解设计功率放大器的基本思路以及提高性能的基本措施，并可以进行简单的功率放大器设计。功率放大器的集成化是目前射频电路领域还没有解决的问题，有待于科研人员的继续努力。
第11章集中分析讨论了振荡器及其设计问题。首先介绍了振荡条件，引入了Barkhausen判据，它是分析振荡器的基础；然后介绍了描述函数的概念，它可以用来分析考毕兹（Colpitts）振荡器的振荡幅度；接下来介绍了三种类型的振荡器（负反馈LC振荡器，负阻LC振荡器和环型振荡器），分析了它们的振荡条件，并介绍了具体实现电路及频率调谐措施；在引入了压控振荡器的相位域模型之后，又引入了相位噪声和时钟抖动的概念，并介绍了几种得到广泛应用的相位噪声模型；然后针对射频电路中常用的环型振荡器和负阻LC振荡器，仔细分析了改善它们的相位噪声性能的措施，特别是引入了噪声滤波技术；最后简单介绍了集成振荡器中常遇到的频率牵引效应，分析了频率牵引效应带来的影响，总结了产生正交信号的方法，并介绍了复滤波器的实现技术，这些技术在零中频或者低中频等利用了正交变频技术的无线收发机中具有广泛的应用背景。通过本章的介绍，读者可以了解设计振荡器的基本原理、实现技术以及提高性能的基本措施，并可以进行简单的振荡器设计。
第12章讨论了两种类型的频率合成器（直接数字频率合成器和锁相环型频率合成器）的分析和设计问题。首先介绍了频率合成器的概念和衡量频率合成器性能的参数，然后介绍了直接数字频率合成器的工作原理、杂散性能以及减小存储量的措施；接下来详细讨论了锁相环的基本原理、组成模块和锁定状态下的性能，并介绍了在射频电路中常用的电荷泵型锁相环及其所遇到的非理想效应，在此基础上，分析了整数锁相环型频率合成器和小数型频率合成器的工作原理以及它们的实现问题；最后简单地讨论了延迟锁定环路和锁相环的其他应用。频率合成器中包含了高频模块、低频模块以及数字电路，是一个非常复杂的数字/模拟/射频混合系统，是实现高集成度无线收发机所面临的主要障碍之一，而且它的实现对发展复杂数字/模拟/射频混合系统的设计方法具有很重要的借鉴意义。通过本章的介绍，读者可以了解频率合成器的基本原理、实现技术以及提高性能的基本措施，并可以进行简单的频率合成器设计。
第13章讨论了无线收发机模拟前端可能用到的其他电路模块。首先介绍了偏置电路的分析和设计问题，包括威德拉（Widlar）电流源、自偏置电流源、恒跨导源、恒温电压参考源和恒温电流参考源等，它们给其他射频模块提供偏置，是其他模块电路正常、稳定工作的前提；然后介绍了无线接收机中不可缺少的电路模块——自动增益控制环路（AGC），包括它的基本原理和核心模块可变增益放大器（VGA）的设计，并给出了一个AGC电路实例；接下来讨论了高频滤波器的集成实现技术，着重讨论了镜像抑制滤波器的片上实现问题，引入了通过Q值补偿来提高滤波器滤波性能的方法，并介绍了片上自动Q值调谐电路和片上自动频率调谐电路；最后简单讨论了注入锁定技术，这种技术可以用来实现低功耗分频器，并具有较好的相位噪声性能。
第14章讨论了射频集成电路的后端设计问题，包括合理的版图设计、焊盘设计、静电防护电路设计以及混合信号集成中的信号完整性问题等。由于射频电路工作频率很高，信号又很微弱，因此后端设计对射频集成电路的性能具有很大影响，高性能的电路设计如果没有良好的后端设计相配合，所实现的射频电路的性能可能也会很差。通过本章的介绍，读者可以对影响射频电路性能的后端设计因素有所了解，在进行电路设计时，可以及早将后端设计的影响因素考虑在内，尽可能降低后端设计对电路性能的影响。
第15章在前面各章介绍的无线收发机模拟前端中各种模块电路的分析和设计方法的基础上，综合前面各章的知识，以一个DCS1800无线接收机模拟前端为例讨论无线接收机从系统描述到具体实现的过程。通过该过程的介绍，读者可以初步了解无线收发机模拟前端的总体设计过程；并以这个例子为参考，设计自己的无线接收机模拟前端。
本书自成体系，便于自学，可以用作高等学校工科微电子、无线电、通信与电子系统等专业高年级本科生或研究生的教材，也可作为射频集成电路工程技术人员的参考书。
本书由池保勇博士、余志平教授统筹全书内容，第1章由石秉学教授编写，第6章由余志平教授编写，其余各章由池保勇博士编写。在编写过程中，三位编者进行了广泛讨论，在各部分编写完后，三位编者又交叉审阅了全部书稿并进行了修正。可以说，本书是三位编者友好合作的结晶。
本书的形成与清华大学微电子学研究所多年的科研工作是分不开的，在此我们要感谢先后与我们一道工作的同事和同学，他们是王志华教授、田立林教授、张春副研究员、李国林博士、张利副教授、李冬梅副教授、李福乐博士、刘雷波博士、王自强博士、朱晓雷和研究生韩书光、姚金科、张利等。多年工作中还得到清华大学微电子学研究所领导和教学指导委员会的真诚支持与帮助。本书的出版得益于清华大学出版社同志们大量而细致的编辑工作，在此一并表示感谢。
限于作者水平，书中难免存在不妥和错误之处，恳请读者批评指正。
编者
2006年10月
