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射频功率放大器的理论与应用研究一直是射频与微波领域的热点和难点。本书主要针对射频功率放大器进行设计和仿真，通过具体案例详细介绍了高效率F类功率放大器、宽带功率放大器、滤波集成功率放大器和双频双端口功率放大器等代表性射频功率放大器从理论、设计、仿真、优化到投板制作的完整过程。本书适合从事有源微波电路设计及其工程应用的专业技术人员阅读和参考，也可作为高等学校电子科学与技术、电磁场与微波技术、电子工程、电子信息、雷达工程等相关专业的本科生和研究生教学用书。

第0章  绪论	1
第1章  2.4GHz逆F类功率放大器	5
1.1  基于双传输线的逆F类功率放大器介绍	5
1.1.1  F类功率放大器	5
1.1.2  基于双传输线结构的逆F类匹配网络	6
1.1.3  功率放大器设计参数	7
1.2  逆F类功率放大器的ADS设计	7
1.2.1  新建工程和DesignKit安装	8
1.2.2  晶体管直流扫描和直流偏置设计	13
1.2.3  稳定性分析和稳定电路设计	17
1.2.4  源牵引和输入匹配	24
1.2.5  负载牵引和输出匹配	34
1.3  逆F类功率放大器的ADS电路原理图仿真	41
1.3.1  理想模型仿真	42
1.3.2  微带线模型仿真	55
1.4  逆F类功率放大器的ADS版图联合仿真	65
1.4.1  版图仿真	65
1.4.2  版图联合仿真	77
1.5  PCB制板及实物测试	81
1.5.1  生成PCB设计文件	81
1.5.2  实物测试	84
第2章  1.7～2.6GHz宽带功率放大器	87
2.1  基于新型匹配网络的宽带功率放大器介绍	87
2.1.1  宽带功率放大器	87
2.1.2  阶梯阻抗切比雪夫低通匹配网络	88
2.1.3  功率放大器设计参数	92
2.2  宽带功率放大器的ADS设计	92
2.2.1  新建工程和DesignKit安装	92
2.2.2  晶体管直流扫描和直流偏置设计	97
2.2.3  稳定性分析和稳定电路设计	100
2.2.4  源牵引和输入匹配	106
2.2.5  负载牵引和输出匹配	112
2.3  宽带功率放大器的ADS原理图仿真	124
2.3.1  理想模型仿真	124
2.3.2  微带线模型仿真	136
2.4  宽带功率放大器的ADS版图联合仿真	143
2.4.1  版图仿真	143
2.4.2  版图联合仿真	152
2.5  PCB制板及实物测试	157
2.5.1  生成PCB设计文件	157
2.5.2  实物测试	165
第3章  3.3～3.6GHz滤波集成功率放大器	167
3.1  新型滤波集成功率放大器介绍	167
3.1.1  滤波集成功率放大器	167
3.1.2  基于高选择性隔直滤波阻抗变换器的匹配网络	168
3.1.3  功率放大器设计参数	172
3.2  滤波集成功率放大器的ADS设计	172
3.2.1  新建工程和DesignKit安装	172
3.2.2  晶体管直流扫描和直流偏置设计	177
3.2.3  稳定性分析和稳定电路设计	180
3.2.4  源牵引和输入匹配	185
3.2.5  负载牵引和输出匹配	206
3.3  滤波集成功率放大器的ADS原理图仿真	219
3.3.1  理想模型仿真	219
3.3.2  微带线模型仿真	226
3.4  滤波集成功率放大器的ADS版图联合仿真	232
3.4.1  版图仿真	233
3.4.2  版图联合仿真	242
3.5  PCB制板及实物测试	245
3.5.1  生成PCB设计文件	245
3.5.2  实物测试	253
第4章  3.5/5.0GHz双频双端口功率放大器	255
4.1  双频双端口功率放大器介绍	255
4.1.1  多频多端口功率放大器	255
4.1.2  基于开路支节抑制网络的双端口分频输出匹配网络	256
4.1.3  功率放大器设计参数	258
4.2  双频双端口功率放大器的ADS设计	258
4.2.1  新建工程和DesignKit安装	258
4.2.2  晶体管直流扫描和直流偏置设计	261
4.2.3  稳定性分析和稳定电路设计	264
4.2.4  源牵引和输入匹配	269
4.2.5  负载牵引和输出匹配	287
4.3  双频双端口功率放大器的电路原理图仿真	302
4.3.1  理想模型仿真	302
4.3.2  微带线模型仿真	313
4.4  双频双端口功率放大器的ADS版图联合仿真	318
4.4.1  分离式版图仿真	318
4.4.2  整体版图仿真	328
4.5  PCB制板及实物测试	335
4.5.1  生成PCB设计文件	335
4.5.2  实物测试	338
参考文献	341

“集成电路系列丛书”主编序言

                                                   培根之土     润苗之泉     启智之钥     强国之基


      王国维在其《蝶恋花》一词中写道：“最是人间留不住，朱颜辞镜花辞树”，这似乎是自然界无法改变的客观规律。然而，人们还是通过各种手段，借助于各种媒介，留住了人们对时光的记忆，表达了人们对未来的希冀。
      图书，尤其是纸版图书，是数量最多、使用最悠久的记录思想和知识的载体。品《诗经》，我们体验了青春萌动；阅《史记》，我们听到了战马嘶鸣；读《论语》，我们学习了哲理思辨；赏《唐诗》，我们领悟了人文风情。
      尽管人们现在可以把律动的声像寄驻在胶片、磁带和芯片之中，为人们的感官带来海量信息，但是图书中的文字和图像依然以它特有的魅力，擘画着发展的总纲，记录着胜负的苍黄，展现着感性的豪放，挥洒着理性的张扬，凝聚着色彩的神韵，回荡着音符的铿锵，驰骋着心灵的激越，闪烁着智慧的光芒。
      《辞海》中把书籍、期刊、画册、图片等出版物的总称定义为“图书”。通过林林总总的“图书”，我们知晓了电子管、晶体管、集成电路的发明，了解了集成电路科学技术、市场、应用的成长历程和发展规律。以这些知识为基础，自20世纪50年代起，我国集成电路技术和产业的开拓者踏上了筚路蓝缕的征途。进入21世纪以来，我国的集成电路产业进入了快速发展的轨道，在基础研究、设计、制造、封装、设备、材料等各个领域均有所建树，部分成果也在世界舞台上拥有一席之地。
为总结昨日经验，描绘今日景象，展望明日梦想，编撰“集成电路系列丛书”（以下简称“丛书”）的构想成为我国广大集成电路科学技术和产业工作者共同的夙愿。
      2016年，“丛书”编委会成立，开始组织全国近500名作者为“丛书”的第一部著作《集成电路产业全书》（以下简称《全书》）撰稿。2018年9月12日，《全书》首发式在北京人民大会堂举行，《全书》正式进入读者的视野，受到教育界、科研界和产业界的热烈欢迎和一致好评。其后，《全书》英文版Handbook of Integrated Circuit Industry的编译工作启动，并决定由电子工业出版社和全球最大的科技图书出版机构之一—施普林格（Springer）合作出版发行。
      受体量所限，《全书》对于集成电路的产品、生产、经济、市场等，采用了千余字“词条”描述方式，其优点是简洁易懂，便于查询和参考；其不足是因篇幅紧凑，不能对一个专业领域进行全方位和详尽的阐述。而“丛书”中的每一部专著则因不受体量影响，可针对某个专业领域进行深度与广度兼容的、图文并茂的论述。“丛书”与《全书》在满足不同读者需求方面，互补互通，相得益彰。
      为更好地组织“丛书”的编撰工作，“丛书”编委会下设了12个分卷编委会，分别负责以下分卷：
      ☆ 集成电路系列丛书·集成电路发展史论和辩证法
      ☆ 集成电路系列丛书·集成电路产业经济学
      ☆ 集成电路系列丛书·集成电路产业管理
      ☆ 集成电路系列丛书·集成电路产业教育和人才培养
      ☆ 集成电路系列丛书·集成电路发展前沿与基础研究
      ☆ 集成电路系列丛书·集成电路产品、市场与投资
      ☆ 集成电路系列丛书·集成电路设计
      ☆ 集成电路系列丛书·集成电路制造
      ☆ 集成电路系列丛书·集成电路封装测试
      ☆ 集成电路系列丛书·集成电路产业专用装备
      ☆ 集成电路系列丛书·集成电路产业专用材料
      ☆ 集成电路系列丛书·化合物半导体的研究与应用
      2021年，在业界同仁的共同努力下，约有10部“丛书”专著陆续出版发行，献给中国共产党百年华诞。以此为开端，2021年以后，每年都会有纳入“丛书”的专著面世，不断为建设我国集成电路产业的大厦添砖加瓦。到2035年，我们的愿景是，这些新版或再版的专著数量能够达到近百部，成为百花齐放、姹紫嫣红的“丛书”。
      在集成电路正在改变人类生产方式和生活方式的今天，集成电路已成为世界大国竞争的重要筹码，在中华民族实现复兴伟业的征途上，集成电路正在肩负着新的、艰巨的历史使命。我们相信，无论是作为“集成电路科学与工程”一级学科的教材，还是作为科研和产业一线工作者的参考书，“丛书”都将成为满足培养人才急需和加速产业建设的“及时雨”和“雪中炭”。
科学技术与产业的发展永无止境。当2049年中国实现第二个百年奋斗目标时，后来人可能在21世纪20年代书写的“丛书”中发现这样或那样的不足，但是，仍会在“丛书”著作的严谨字句中，看到一群为中华民族自立自强做出奉献的前辈们的清晰足迹，感触到他们在质朴立言里涌动的满腔热血，聆听到他们的圆梦之心始终跳动不息的声音。
      书籍是学习知识的良师，是传播思想的工具，是积淀文化的载体，是人类进步和文明的重要标志。愿“丛书”永远成为培育我国集成电路科学技术生根的沃土，成为润泽我国集成电路产业发展的甘泉，成为启迪我国集成电路人才智慧的金钥，成为实现我国集成电路产业强国之梦的基因。
      编撰“丛书”是浩繁卷帙的工程，观古书中成为典籍者，成书时间跨度逾十年者有之，涉猎门类逾百种者亦不乏其例：
      《史记》，西汉司马迁著，130卷，526500余字，历经14年告成；
      《资治通鉴》，北宋司马光著，294卷，历时19年竣稿；
      《四库全书》，36300册，约8亿字，清360位学者共同编纂，3826人抄写，耗时13年编就；
      《梦溪笔谈》，北宋沈括著，30卷，17目，凡609条，涉及天文、数学、物理、化学、生物等各个门类学科，被评价为“中国科学史上的里程碑”；
      《天工开物》，明宋应星著，世界上第一部关于农业和手工业生产的综合性著作，3卷18篇，123幅插图，被誉为“中国17世纪的工艺百科全书”。
      这些典籍中无不蕴含着“学贵心悟”的学术精神和“人贵执着”的治学态度。这正是我们这一代人在编撰“丛书”过程中应当永续继承和发扬光大的优秀传统。希望“丛书”全体编委以前人著书之风范为准绳，持之以恒地把“丛书”的编撰工作做到尽善尽美，为丰富我国集成电路的知识宝库不断奉献自己的力量；让学习、求真、探索、创新的“丛书”之风一代一代地传承下去。

                                                                                                                                  王阳元
                                                                                                                        2021年7月1日于北京燕园


                                                                                    前    言

      随着5G通信系统的普及，现代通信系统进入了新的时代。为了提升通信速率，新的通信标准采用了较高的频率和复杂的调制方式，这对于射频微波器件提出了新挑战。作为大功率非线性器件，射频功率器件的复杂调制方式对其在非线性状态下的线性度提出了更高要求。为了使射频功率器件在更高频率和更高线性度条件下工作，往往选择牺牲其效率，这导致5G通信系统相比于4G通信系统的能源消耗大大增加。另外，有源器件的特性也使得射频功率器件的带宽和频带数量扩张更加困难。因此，射频功率放大器的理论与应用研究一直是射频与微波领域的热点和难点。
      目前，针对无源射频电路与器件的设计与仿真已有许多相关教程或教材供在校学生和工程人员学习、参考。即使是初学者，也可以方便快捷地掌握无源射频电路与器件的基本原理、相关理论以及仿真软件的基础操作。为了方便初学者更全面地理解和掌握无源电路从理论、设计、仿真、制作、实测到形成报告的完整过程，我们研究团队已出版《微波射频器件和天线的精细设计与实现》，用于展示无源板级电路设计制作全流程，以及《基于薄膜集成无源器件技术的微波毫米波芯片设计与仿真》，用于展示无源芯片设计制作全流程。然而，对于射频系统中同样至关重要的有源射频电路，市面上却鲜有针对完整实践流程的相关教材，仅有一些综合性仿真教材只介绍部分环节。因其自身特性所限，有源电路设计所需步骤和操作相对无源电路要更加烦琐和复杂。为了解决有源射频电路中功率放大器设计和实现入门困难的问题，我们总结了多年的教学与实践经验，为初学者提供一本讲解详细易懂、原理介绍充分、案例选取贴近前沿科研的专业仿真教学书籍。在这本书籍的帮助下，即使是零基础的初学者也可以依照教程完整地走完功率放大器从理论到设计、仿真、制作、实测的全流程，而在一定的射频知识的基础上，还可以更加深入地理解设计步骤和仿真软件使用背后的原理。以上便是作者编写本书的初始动力来源。
      本书使用了本研究团队在功率放大器领域取得的最新学术成果作为案例，详细展示了射频功率放大器基础理论与设计实现的全部流程，并提供简单明了、细致全面的仿真步骤，手把手地指导读者学习从设计理论、无源仿真、联合仿真到投板制作测试的完整体系。本书填补了功率放大器仿真教学领域的空白，选取代表性案例，在理论价值和实践指导上都具有较大意义。
      本书共分5章，由吴永乐教授负责全书结构和内容的策划及调整。另外，参加本书编写的还有陈孝攀、王卫民、杨雨豪等。
      本书得到了国家自然科学基金创新研究群体项目的部分资助，其最终完稿还要感谢北京邮电大学电子工程学院和集成电路学院为全体参与写作者提供了良好工作环境和条件。作者还要特别感谢多年来在科学研究过程中给予自己指导和帮助的各位学术同行，能够有机会诞生与本书相关的原创设计想法和具体案例都离不开各位学术同行的大力支持。
      在本书编写过程中，作者参考或引用了Advanced Design System (ADS) 商业软件的相关原始技术资料，在此向技术资料的原著者及相关软件公司表示由衷的感谢。
      由于作者编写水平有限，书中难免存在疏漏之处，敬请广大读者批评指正。另外，如果读者在阅读本书的过程中有任何的疑惑或问题，均可以联系作者共同探讨。

                                                                                                                                      吴永乐
                                                                                                                 于北京邮电大学集成电路学院

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射频功率放大器设计、仿真与实现