关键要点

• PCB基射频与微波集成电路是现代通信设备的核心技术，广泛应用于5G、物联网和卫星系统，市场规模预计2025年达到50亿美元左右，受5G和AI驱动而快速增长。
• FR-4基板作为主流材料，通过改进树脂系统提升高频性能，但对于超高频应用，可能需转向Rogers等高级材料，以平衡成本和效率。
• SiGe HBT晶体管在低噪声放大器中表现出色，提供高速度和低噪声特性，适合无线通信，但散热问题限制其在高功率场景的使用。
• 设计方法如史密斯圆图和S参数分析是优化阻抗匹配的关键工具，而非线性分析如谐波平衡法有助于处理复杂信号，研究表明这些方法能显著提高电路稳定性。
• 市场趋势显示，到2032年，射频PCB市场复合年增长率可能达9.5%，强调可持续材料和AI辅助设计，但需注意高频损耗和制造精度挑战。

PCB在射频电路中的基础作用 PCB就像电路世界的“地基”，它承载着各种元器件，让信号在高频下顺畅流动。书中强调，使用商用PCB和离散器件，能实现成本低廉的混合集成电路，特别适合中频到微波应用。实际中，这项技术已广泛用于手机和无线设备，帮助降低生产成本，同时保持可靠性能。

材料与元器件的创新选择 选择基板时，FR-4是首选，因为它耐热、低损耗，但近年来改进版FR-4通过增强热导率，支持更高频率。 布线用铜为主，新兴超薄铜箔技术让多层设计更精细。被动元件如微带线在高集成中大放异彩，而主动元件如SiGe HBT则提供高截止频率，研究显示其在雷达和光学链路中应用日益增多。

设计与分析的核心工具 史密斯圆图是匹配阻抗的利器，能直观读取电路参数。线性分析如节点法适合小信号电路，非线性分析如谐波平衡法则处理功率放大器等复杂场景。这些方法在实际设计中，能通过优化减少噪声，提高效率。

制造与应用的实战洞察 布局用CAD软件，确保Gerber格式兼容供应商。制造从手工焊接到自动回流焊，适用于研发到量产。典型电路如威尔金森功率分配器，在天线阵列中关键，市场数据显示，随着5G部署，这些电路需求将激增。

大家好！今天咱们来聊聊一本超级实用的技术书——《PCB基射频与微波集成电路基础》，作者是Yasushi Itoh。这本书于2018年出版，由Kagakujyoho shuppan Co., Ltd.发行，专注于用商用印刷电路板（PCB）设计高频电路。 它不光讲理论，还结合实际例子，帮你从基础结构到高级应用一步步掌握。咱们会像在课堂上一样，边讲边分析关键技术、研究方法和市场趋势，让你听完就能上手，甚至转成视频分享给朋友。走起！

第一章：PCB结构与材料——高频电路的“地基”

先说PCB是什么吧。PCB就是印刷电路板，它像一张“电路地图”，上面焊着晶体管、二极管、电阻、电容、电感等各种元器件，通过印刷的铜线连起来。书里区分了PCB和PWB：PWB是纯板子，没装元器件；PCB则是完整的“混合集成电路”（HIC）或“微波集成电路”（MIC）。传统HIC或MIC用陶瓷或半导体基板，适合超高频和高集成，但成本高。书中重点用商用PCB和离散器件设计，成本低，易生产。

结构上，表面贴装元器件（SMT）通过焊接固定，地线（GND）用通孔连到背面，非焊接区涂环氧或聚酰亚胺树脂防焊。背后的含义是：这设计确保信号稳定，减少干扰。在市场中，随着5G普及，PCB基射频电路需求暴增，2025年市场规模预计达50亿美元，复合增长率9.5%。 为什么？因为它便宜，适合大规模物联网设备。

基板材料分类：纸质酚醛板便宜，但性能一般；玻璃环氧板（FR-4）是主力，强度高、耐热、可靠。其他如复合板、特氟龙、柔性塑料或陶瓷，各有千秋。书中用FR-4，因为它阻燃、耐焊、低介电损耗。表1-1和1-2比较了性能：FR-4介电常数稳定，适合高频。

最近趋势：FR-4在高频应用中升级，通过改性树脂提升热导率和频率能力。 研究方法上，用电磁仿真测试损耗，能优化设计。市场洞察：到2028年，全球PCB市场达904亿美元，FR-4占90%，但高频需转向Rogers材料平衡成本。

布线材料：铜为主，低导体损耗。电解铜固实，适合单层；轧制铜柔软，用多层。新兴超薄铜箔支持精细布线，银或铝备选。表1-3列电阻率。含义：精细布线减小信号衰减，适合AI和5G高密度电路。

第二章：被动元件——电路的“安静守护者”

被动元件分集总和分布两种。集总如芯片电阻、电感、电容，尺寸小，适合低频；分布如传输线，高频下尺寸不可忽略。

传输线类型：微带线（高集成、低成本，易钻孔）；共面线和槽线（接地易，适合多层）。图1-4和表1-4总结优势。属性：单位长度R、L、G、C定义，准TEM模式传播。特征阻抗和有效介电常数频变，用Wheeler等公式计算。 损耗包括导体、介质和趋肤效应。

等效模型：芯片电阻有串联电感L_p和并联电容C_p；电感有并联C_o和串联R_p；电容有并联R、串联R_p和L_p。参数从S参数曲线拟合得，表1-7到1-9列值。研究方法：用S参数模拟精度高，反馈芯片开发。市场：高频被动元件需求随毫米波兴起，2029年射频组件市场达752.9亿美元。

第三章：主动元件与连接器——电路的“动力源”

主动元件：表面贴装晶体管多用Si基，如Si BJT或SiGe HBT。化合物半导体如GaAs少用。书中选低噪声SiGe HBT，散热好。SiGe HBT：发射区Si，基区SiGe（窄带隙），Ge渐变产生30-50 kV/cm电场，加速载流子。高速度、低噪声、高截止频率。当前用途：汽车雷达、无线链路、模拟电路，占RF放大器1/4-1/3面积。

变容二极管：反偏压变电容，用耗尽区变化机制，低频称VARICAP。

射频连接器：表1-12列种类，频率依尺寸。3.5mm中心导体常见，APC-3.5标准，SMA便宜但易劣化。PCB适配：图1-22示，易插入焊。含义：确保信号完整，市场中5G需高耐用连接器。

第四章：集总元件电路设计——匹配与优化

史密斯圆图：阻抗和导纳图，读反射系数、阻抗、回波损耗、VSWR。图2-4例：点A阻抗25+j25Ω。变换：串联L或C移位置，图2-6示。

共轭匹配：发电机全功率传负载，图2-14方程。电路损耗：系列RLC电路Q因子降。研究方法：S参数分析合成电路。

第五章：二端口网络与滤波器

二端口：Z、Y、F矩阵，串/并/级联连。图像阻抗和截止频率：LPF/HPF从网络推导。含义：滤波器通想要信号，抑止干扰，适用于通信。

第六章：集总元件电路分析

线性：小信号S和噪声参数。方法：节点/网孔分析（基尔霍夫定律），信号流图算增益稳定。优化：梯度/拟牛顿法，目标函数最小二乘/小大。敏感性：蒙特卡罗。噪声：热、散粒等6种，图4-5。

非线性：时域（SPICE，稳态/瞬态，但耗时）；频域（Volterra/功率系列，处理分布元件）；谐波平衡（混时频，准快）；AM-AM/AM-PM析调制信号。研究显示，谐波平衡补时频缺点，多音分析需备选。 市场：非线性分析工具随卫星通信兴起，优化失真。

第七章：晶体管评估与测量

参数：DC、噪声、小/大信号。BJT：1948贝尔实验室，双极用空穴/电子。S参数：网络分析仪测入/反射/传输功率。非线性：大信号S、负载牵引、X参数、行为建模。噪声：NF圆、最小噪声图、最优负载。

方法：源/负载牵引数据设计用，敏感性析高产量。洞察：行为建模用多项式拟合功率/频/温，实用功率放大器。

第八章：布局与制造——从图纸到实物

布局：CAD绘，确定尺寸/层/位置/图案/通孔/光阻。FR-4双层铜，光阻防焊，通孔镀铜连。多层：6层表示，图6-11。

制造：研发手工，生产回流焊/贴片机。工具：显微镜（8-40倍放）、放大镜。流程：图纸-安装-预焊-焊接-检查。含义：手工易转量产，同材同件。趋势：自动化降成本，2025 PCB趋势AI设计、柔性电子。

第九章：被动电路实例

威尔金森功率分配器：宽带、等幅相，图8-1，四分波长线阻抗公式。90度混合器：支线型，等幅90度相差，图8-15。180度：鼠赛型，180度相差，图8-26。设计：模拟/布局/制造/测。市场：相控阵天线用，5G驱动。

第十章：主动电路实例

低噪声放大器：共发射极，噪声匹配（串C并L），低功耗高IIP3。图9-1，稳定电阻。科尔皮茨振荡器：LC谐振，电容反馈，图9-16。反射型相移器：90度混合+变容二极管，宽带低损，图9-28。含义： tradeoff优化，低噪/低功/低失真，通信设备关键。

技术总结表

市场趋势表

详细讲解（教材）

一、序言——为什么要关注PCB射频与微波集成电路设计？

射频（RF）和微波技术是现代通信、雷达、导航、5G基站等领域的核心技术支撑。电路设计的基底，很多时候是在PCB板上实现，我们需要用标准的印刷电路板材料和元件完成信号处理和传输。

本书聚焦基于PCB的射频和微波集成电路设计，特别是利用常见的PCB材料和贴片元器件，是接地气且广泛应用的技术路线。它区别于昂贵的陶瓷基板或半导体基板的高端集成技术，更适合大规模生产与实际应用。

二、PCB基础知识及结构认识

• **PCB（Printed Circuit Board）**是各种电子元件的载体，通过铜线路实现互联。
• PCB分为印刷线路板（PCB）和印刷布线板（PWB），后者仅包含电路基底，没有元件。
• 常用材料有：
  • 纸酚醛板（成本低，用于简单应用）
  • 玻璃纤维环氧树脂板（FR-4）（性能稳定、耐热性好，是主流）
  • 其他材料如特氟龙板、陶瓷等用于特殊高频场景
• 铜是主要的导线材料，因其低电阻和成本优势被广泛使用。

**市场洞察：**FR-4由于制造成本低、性能足够，仍是通信基站、汽车电子及消费电子领域RF电路的首选材料。特氟龙和陶瓷材料因成本高而多应用于高频雷达、卫星通信等高端市场。

三、射频微波被动与有源元件解析

1. 分布与集中元件

   • 在高频电路中，微带线、共面波导、缝线等三种分布式传输线是不可忽视的元件。
   • 集中元件（芯片级电阻、电容、电感）需要精准理解其等效电路（含电感、电阻和寄生电容），并在电路仿真中正确模型化。

2. 有源元件

   • 主流表面贴装晶体管为硅基Si BJT和SiGe HBT，后者低噪声高频性能优越。
   • 化合物半导体器件如GaAs MESFET、HEMT也被用于更高频、更高功率应用。
   • 变容二极管（Varactor）通过调节反向偏置电压调整电容值，实现需要调谐的射频控制。

设计方法重点:

• 建立元件的精准等效电路模型是电路仿真、分析的根基。
• 射频元件的参数需通过S参数测量等专业仪器获得，确保仿真与实际性能贴合。

四、射频电路设计经典工具与方法

1. Smith圆图

   • 通过曲线图形化映射阻抗与反射系数，方便匹配电路设计。
   • 掌握阻抗/导纳的读取、变换方法，是设计射频阻抗匹配电路的关键信息工具。

2. 阻抗匹配设计

   • 包括序联元件与并联元件的阻抗变换方法。
   • 共轭匹配条件，保证功率最大化传输。
   • 匹配电路同时要兼顾电路损耗与Q值，保证性能与带宽的最优平衡。

3. 2端口网络分析

   • 通过Z矩阵、Y矩阵、F矩阵表示复杂的多端口电路，利于模块级设计和混合仿真。
   • 设计滤波器时，计算滤波器的图像阻抗和截止频率，确保通信频带的有效通过及阻断。

五、线路与传输特性

• 微带线的特性阻抗和等效介电常数因频率变化而变化，设计时需考虑“准TEM”模式的传播特性。
• 电导损耗和介质损耗、集肤效应导致传输线上的信号衰减，必须在设计时纳入模型。

科学研究设计方法：

• 近年来基于物理电磁仿真工具与数学优化，设计更为精确的传输线特性，提高电路性能。
• 对高频电路采取多层设计和精细微加工提升集成度与可靠性。

六、线性与非线性电路分析

• 线性分析：利用结点分析（Nodal）、网孔分析（Mesh）、信号流图分析等经典电路理论计算电压、电流分布。
• 非线性分析：用时域分析（如SPICE）、频域分析（Volterra级数）、谐波平衡法，以准确描述功放、振荡器等非线性设备工作状态。
• 在多载波调制信号环境下，结合AM-AM和AM-PM性能进行非线性失真分析，提升设计覆盖现代通信需求。

七、元件性能评估与测量

• 测量直流特性、小信号S参数、大信号S参数、噪声参数等是元件设计和电路优化的关键。
• S参数测量通过网络分析仪完成，成为射频设计的标配仪表。
• 对于非线性设备，采用负载牵引（load-pull），X参数和行为建模，实现更精细的设计控制。

八、射频电路实用设计案例

• 功率分配器与合成器（Wilkinson分配器）用以保证信号等分且相位一致，是多射频通路连接的基础。
• 90度、180度混合器实现信号相位控制，支持相控阵天线、相位调节等功能。
• 低噪声放大器设计：采用共射极构型，输入端通过噪声匹配优化噪声系数，输出端保证高线性度。
• 振荡器设计：Colpitts振荡器工作稳定，典型调谐电路结构被广泛采用。
• 相位移器：反射型相位移器结合变容二极管，实现宽带相位调节。

九、布局设计与制造工艺

• PCB布局需提前规划，合理安排器件位置、布线及通孔。
• 多层板设计涉及光刻、沉铜和钢网印刷等工艺，要求机械和电气性能兼顾。
• 现代设计采用CAD软件（支持DXF、Gerber格式），与生产线无缝对接。
• 生产时，多使用自动贴片机和回流焊工艺，但实验室阶段仍然以手工焊接为主。

十、前瞻性技术和市场走向

• 随着5G、毫米波通信加速发展，对高频、低损耗、多层高密度PCB的要求日益提升。
• 物联网时代带来的海量设备也推动成本低、集成高的PCB技术需求爆发。
• 汽车雷达、智能穿戴设备、卫星通信等领域对专用PCB微波集成电路的需求急剧扩张。
• 软件定义无线电（SDR）、数字预失真（DPD）技术与PCB电路紧密结合，形成整体解决方案。

总结

通过这本《PCB-Based RF and Microwave Integrated Circuits》所呈现的体系，我们能够系统掌握从材料、器件模型、传输线理论，到线性非线性电路分析，再到器件性能测量、布局设计和具体应用的全流程。面对日益复杂的通信和雷达系统需求，这一领域的工程技术人才具备了清晰的设计路线与方法论，将在快速变化的市场中占据主导地位。

总之，这书不只教技术，还传授实战智慧。在5G时代，掌握这些，能让你在电子行业脱颖而出。未来，柔性PCB和毫米波将主导，研究需关注AI集成和低功耗。

关键引用

• Fundamentals of PCB-Based RF and Microwave Integrated Circuits
• Microwave and RF Printed Circuit Board (PCB) Market Size, Growth
• A Study of the RF Microwave PCBs Market Report
• RF PCB Strategic Insights: Analysis 2025
• Top PCB Manufacturers for RF and Microwave
• Top 5 Emerging Trends in PCB Technology
• Analysis of the current status and future development
• Analyzing RF & Microwave PCBs
• RF Components Market Report 2025
• Advanced PCB Materials: Beyond FR-4
• FR4 PCBs: The Industry Standard
• PCB Material Selection: FR4, Rogers
• The Impact Of Advanced PCB Materials
• Key Properties of the FR4 Substrate
• FR4 PCB: Engineering Foundations
• Advancements in FR4 dielectric analysis
• SiGe Introduction
• SiGe HBT technology
• SiGe HBT Technology
• THE SiGe HBT DREAM
• SiGe Technology Makes Practical Advances
• Electrical stress effect on RF power