1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上微波電路及設計的基礎知識1. 微波電路的基本常識2. 微波網絡及網絡參數3. Smith圓圖4. 簡單的匹配電路設計5. 微波電路的計算機輔助設計技術及常用的CAD軟件6. 常用的微波部件及其主要技術指標7. 微波信道分系統(tǒng)的設計、計算和指標分配8. 測試及測試儀器9. 應用電路舉例微波電路及其設計1. 概述所謂微波電路，通常是指工作頻段的波長在10m1cm(即30MHz30GHz)之間的電路。此外，還有毫米波（30300GHz）及亞毫米波（150GHz3000GHz）等。實際上，對于工作頻率較高的電路，人們也經常稱為“高頻電路”或“射頻（RF）電路”等等。由于微波電

2、路的工作頻率較高，因此在材料、結構、電路的形式、元器件以及設計方法等方面，與一般的低頻電路和數字電路相比，有很多不同之處和許多獨特的地方。作為一個獨立的專業(yè)領域，微波電路技術無論是在理論上，還是在材料、工藝、元器件、以及設計技術等方面，都已經發(fā)展得非常成熟，并且應用領域越來越廣泛。另外，隨著大規(guī)模集成電路技術的飛速發(fā)展，目前芯片的工作速度已經超過了1GHz。在這些高速電路的芯片、封裝以及應用電路的設計中，一些微波電路的設計技術也已得到了充分的應用。以往傳統(tǒng)的低頻電路和數字電路，與微波電路之間的界限將越來越模糊，相互間的借鑒和綜合的技術應用也會越來越多。2. 微波電路的基本常識2.1 電路分類2

3、.1.1 按照傳輸線分類微波電路可以按照傳輸線的性質分類，如： 圖1 微帶線 圖2 帶狀線圖3 同軸線 圖4 波導 圖5 共面波導2.1.2 按照工藝分類微波混合集成電路：采用分離組件及分布參數電路混合集成。微波集成電路（MIC）：采用管芯及陶瓷基片。微波單片集成電路（MMIC）：采用半導體工藝的微波集成電路。 圖6微波混合集成電路示例 圖7 微波集成電路（MIC）示例 圖8微波單片集成電路（MMIC）示例2.1.3 微波電路還可以按照有源電路和無源電路分類。其中，有源電路包括放大器、振蕩器等；無源電路包括分路器、耦合器、移相器、開關、混頻器和濾波器等。2.2 常用的微波傳輸線電路組件和不連續(xù)

4、性組件圖9 傳輸線段圖10 耦合線 圖11 開路線 圖12 短路線 圖13 直角拐彎線 圖14 階梯線 圖15 漸變線 圖16 縫隙 圖17 T型結圖18 十字結其它還有一些如扇形線、Lange耦合器、交指電容和螺旋電感等等。2.3 常用的微波元器件這里主要介紹一些常用的貼裝無源器件和微波半導體器件。 圖19 片狀迭層電容及單層電容 圖20 片狀迭層電感及線繞電感 圖21 片狀電阻 圖22 貼裝可調電容 圖23 貼裝電位器 圖24 微波二極管（封裝及芯片） 圖25 微波三極管和場效應晶體管（封裝及芯片） 圖26 微波單片集成電路（MMIC）（封裝及芯片）2.4 常用的微波介質基片我們經常使用的

5、微波介質材料如表1所示。表1 幾種經常使用的微波介質材料名稱介電常數（r）備注聚四氟乙烯玻璃纖維基片2.7國產、進口陶瓷（Al2O3）基片(99%)9.6國產、進口微波復合介質基片可選國產RT/duroid 58802.2Rogers公司RO40033.38Rogers公司TMM10I9.8Rogers公司 RT/duroid Series RO4000 Series TMM Series 圖27 Rogers公司生產的幾種微波介質基片3. 微波網絡及網絡參數3.1 具有特定內容（含義）的特殊微波網絡3.1.1 平行耦合線定向耦合器圖28平行耦合線定向耦合器3.1.2 蘭格（Lange）定向耦

6、合器 圖29 Lange定向耦合器3.1.3 威爾金森（Wilkinson）功分器/合路器圖30功分器/合路器3.1.4 階梯阻抗變換器圖31階梯阻抗變換器3.1.5 微帶線低通濾波器 圖32微帶線低通濾波器3.1.6 平行耦合線帶通濾波器 圖33平行耦合線帶通濾波器3.1.7 其它，如交指濾波器、謝夫曼移相器及分支線定向耦合器等，也都具有固定（特定）的網絡形式。3.2 一般網絡微波網絡是由各種微波組件根據需要組合而成，所以網絡的形式具有任意性。上面介紹的那些特殊網絡只是其中一些典型的形式而已。一般來說，簡單的網絡通常是窄帶的電路，如g/4線。這一點，在設計寬帶匹配電路時，需要引起注意。3.3

7、 網絡參數我們經常使用S參數（即散射參數）來描述微波網絡。以下面的二端口網絡為例。圖34 二端口微波網絡在圖34所示的二端口微波網絡中，a1和b1分別為埠1的歸一化入射電壓波和反射電壓波；a2和b2分別為埠2的歸一化入射電壓波和反射電壓波。二端口微波網絡的輸入和輸出之間的關系可以表示為 （1）即 其中 （2）式（1）稱做散射方程，叫散射矩陣或散射參數。由式（1）可以得出二端口網絡的S參數為： S11=，即當埠2匹配時（ZL=Z0），埠1的反射系數； S22=，即當埠1匹配時（ZS=Z0），埠2的反射系數； S12=， 即當埠1匹配時，埠2到埠1的傳輸系數； S21=，即當埠2匹配時，埠1到埠2

8、的傳輸系數。通過上面的分析我們可以看出，微波網絡的S參數具有確定的物理意義。實際上，我們以往所經常使用的如Z參數、Y參數和H參數等均可以通過計算與S參數互相換算。但在微波頻率上，只有S參數是可以測量出來的，這樣也就解決了微波網絡參數的測量問題。另外，對于端口數為N的多端口網絡，我們同樣可以得到類似于式（1）的表達式，這時為NN維的矩陣。4. 史密斯（Smith）圓圖Smith圓圖是一個非常有用的圖形化的匹配電路設計和分析工具，且方便有效，在微波電路設計過程中會經常用到。另外，Smith圓圖有阻抗圓圖和導納圓圖兩種形式，可以視具體情況選用。 圖35 Smith阻抗圓圖 圖36 Smith圓圖的應

9、用示例 圖37 圖解用的Smith圓圖標準圖紙由圖35我們可以看到，在Smith阻抗圓圖中存在等電阻圓、等電抗線、純電阻線、電感平面（jL）、電容平面（1/ jC）、開路點、短路點和50點等等。當然，相對應的在導納圓圖中也存在等電導圓和等導納線等。5. 簡單的匹配電路設計舉例6. 微波電路的計算機輔助設計技術及常用的CAD軟件自20世紀70年代以來，微波電路CAD技術已經取得了很大的進步。一方面是各CAD軟件廠商推出了很多通用和專用的微波電路CAD軟件產品，包括電原理圖輸入和微波電路的圖形輸入、電路的仿真和優(yōu)化、容差分析、版圖生成及輸出、與測試儀器接口等功能，并有許許多多的電路模型庫、組件庫、

10、半導體器件的線性模型庫和非線性模型庫等可供選擇，應該可以說是功能強大、使用方便、應有盡有。而另一方面，微波電路CAD軟件也已被廣泛應用于各種微波電路的設計，并成為微波工程師必須掌握的設計工具。6.1 常用的微波電路CAD軟件微波電路的CAD軟件大致可以分成下面幾類： 線性/非線性微波電路仿真軟件； 2.5D平面電路電磁場仿真軟件； 3D電磁場仿真軟件； 系統(tǒng)仿真軟件； 專用電路的設計軟件。 排版軟件表2 主要的微波電路CAD軟件簡介序號名稱主要性能廠商1ADS綜合軟件包Agilent 2Serenade綜合軟件包Ansoft3MW Office線性/非線性電路、2.5D電磁場仿真AWR4GEN

11、ESYS 線性/非線性電路、濾波器設計等Eagleware5MMICAD線性/非線性電路設計OPTOTEK6Momentum2.5D平面電路電磁場仿真Agilent7Ensemble2.5D平面電路電磁場仿真Ansoft8em2.5D平面電路電磁場仿真Sonnet9HFSS3D電磁場仿真Ansoft10MW Studio3D電磁場仿真CST11Symphony系統(tǒng)仿真Ansoft12Clementine共形天線設計Ansoft13Protel電路板布線PROTEL14AutoCAD電路板布線Autodesk6.2 微波電路計算計輔助設計-簡介微波電路計算計輔助設計（CAD）技術是電子設計自動化

12、（EDA）技術的一個分支，用于射頻及微波電路的計算機仿真和優(yōu)化設計。6.2.1 微波電路CAD的特點及主要內容與其它電子EDA技術相比，微波電路CAD軟件具有以下幾個特點： 必須有精確的傳輸線模型和各種器件模型； 有時必須采用電磁場仿真等數值仿真工具； 一般都具有S參數分析的功能。在微波電路CAD技術中，各種傳輸線及其不均勻區(qū)模型、組件之間的寄生耦合模型以及微波有源器件的非線性模型等，在技術上的難度都非常大。微波電路CAD包括線性微波電路的S參數計算、直流分析、線性/非線性噪聲分析、非線性電路的瞬態(tài)分析、非線性電路的諧波分析（功率壓縮、交調和諧波特性等）、優(yōu)化設計、容差分析、2.5D及3D電磁

13、場仿真、布線和版圖設計等，甚至還可以包括微波器件的建模和參數提取以及計算機輔助測試。6.2.2 常用的分析方法線性電路：采用等效電路模型和S參數矩陣級聯(lián)計算。非線性電路：Spice、諧波平衡法、包絡仿真法等。電磁場仿真：常采用矩量法和有限元法等數值計算方法。6.2.3 優(yōu)化給定電路的網絡拓撲結構、各個組件的初始值，以及電路的設計指針的目標參數，CAD軟件將自動改變各組件值，直到滿足要求。CAD軟件通常都具有的，也是最常用的優(yōu)化方法是隨機優(yōu)化和梯度法。當然，一些軟件還提供了其它的優(yōu)化方法供選擇。6.2.4 設計步驟微波電路CAD設計的步驟可大致總結如下： 根據技術性能指針的要求，選擇半導體器件。

14、 對于不需要半導體器件的微波無源電路，根據技術性能指針的要求，選擇網絡拓撲結構。 根據所選器件的具體參數，設計匹配電路的拓撲結構。 確定（或計算）電路中各個組件的初始值。 根據技術性能指針的要求，設置優(yōu)化目標（或參數）。 根據經驗或試驗性地選擇若干優(yōu)化變量（或組件）。 選擇優(yōu)化方法，并進行優(yōu)化。 進行容差分析。 進行版圖的設計并輸出版圖。 進行性能指針的復核，進行版圖的檢查，并提出結構設計的要求。6.2.5 幾點經驗和建議 必須保證器件選擇、匹配電路或網絡拓撲設計的正確性。 電路中各組件初始值的選擇應盡量準確。這將有利于優(yōu)化計算的快速收斂，并保證優(yōu)化設計能夠達到全局最優(yōu)點，而不是局部的極小（或

15、極大）點。 對于存在多個優(yōu)化目標參數的一般情況，應根據實際的需要，分出主次或考慮折衷，并進行加權。 關于優(yōu)化變量（或組件）的選擇，一方面可以根據自己的經驗，另一方面也可以先選擇其中幾個進行試探。特別是當組件（或變量）較多時，一般不主張都選擇為優(yōu)化變量。 對于優(yōu)化方法的選擇，通常是先隨機法，后梯度法，這樣將有助于使設計達到全局最優(yōu)。 在電路設計的過程中，必須要考慮組件標稱值的因素。另外對于分布參數電路，電路參數的取值必須要符合相應的工藝要求。6.3 設計舉例6.3.1 例1： 2GHz低噪聲放大器的設計頻率范圍:1.952.05GHz；管子型號:AT-41411，為微波雙極晶體管CAD軟件：AD

16、S 圖38 2GHz低噪聲放大器電路 圖38 2GHz低噪聲放大器仿真結果6.3.2 例2： 5GHz發(fā)夾式微帶線帶通濾波器的設計CAD軟件： Momentum 圖39 發(fā)夾式帶通濾波器電路圖 圖40 發(fā)夾式帶通濾波器仿真結果7. 一些常用的微波部件及其主要技術指標在各種各樣的微波電路中，放大器是相對最具有代表性的。因此，我們作為重點對其進行介紹，而對于其它的電路，則只介紹其特殊的性能指針，同樣的內容不再重復。7.1 放大器圖41 放大器框圖 頻率范圍： f1f2 增益(G)：G=Pout/Pin （3） 噪聲系數(NF)： （4）式中Nx是出現在放大器的輸出端，由放大器內部產生的噪聲。 NF

17、=10logF （5） 即 NF=10log（）所以，噪聲系數NF就代表了放大器自身噪聲貢獻的大小。 輸入、輸出反射損耗及電壓駐波比（VSWR） 反射損耗（LR）是在輸入信號保持不變的情況下，從短路器反射的電壓與從被測負載反射的電壓值比，并用dB表示。 LR=20log （6）式中，為被測負載的反射系數。 （7） （8） 1dB壓縮點輸出功率(P-1)：隨著輸入功率的增加，當放大器的增益被壓縮了1dB時的輸出功率，即為1dB壓縮點輸出功率。P-1是表示一個放大器的非線性特性和輸出能力的一項重要指標。 圖42 放大器輸入/輸出功率關系曲線 互調分量和交叉點如圖43所示，當頻率為f1和f2的兩個等

18、幅信號同時加在放大器的輸入端時，由于放大器非線性的影響，在輸出端將出現互調失真的成份。其中f2f1為二階互調分量，而2f1f2為三階互調分量。另外，除非是對于寬帶的電路，一般我們不考慮二階互調失真的影響。下面以三階互調失真為例進行分析。 圖43 放大器互調失真示意圖圖44是基波分量和三階互調分量與輸入功率之間的關系曲線。將它們線性延長的交點，即為三階交叉點（IP3）。若IP3已知，那么我們就可以準確地預知三階互調失真的大小。 圖44 基波分量、三階互調分量和三階交叉點 （9）或 （10）7.2 混頻器 雜波抑制： 輸出的有用信號的功率與雜波之間的差值。圖45雜波抑制 圖46 混頻器混頻器可以進

19、行下變頻或上變頻，其輸出的有用信號分別為 （11）或 （12）而實際上混頻器所輸出的頻率成份為 （13）其中除了有用的信號外，其它均為雜波，需要通過改進電路設計、適當增加本振功率等方法來提高混頻器的動態(tài)范圍，或者通過濾波器來抑制雜波。由此就已經引出了頻率的選擇、計算和分配的問題了。7.3 頻率合成器（包括振蕩器） 輸出功率 雜波、諧波抑制 相位噪聲這里我們只介紹相位噪聲的概念，不進行公式推導。我們知道，所有實際應用的信號源都存在著不穩(wěn)定性，即存在著無用的信號幅度、頻率或相位起伏。通常可將這些無用的頻率或相位的起伏描述為相位噪聲。如圖47所示，由于相位噪聲的存在，引起載波頻譜的擴展，其范圍可以從

20、偏離載波小于1Hz一直延伸到幾MHz（加性噪聲的影響）。 圖47 正弦信號的噪聲邊帶頻譜 圖48 一個實際信號的頻譜圖48為在頻譜分析儀上實際觀察到的RF信號的頻譜。對于一個實際的信號，一般存在下面三種情況：a. 由于器件老化等導致的長期不穩(wěn)定性，需要經過長期觀察才能看到。b. 由于電源起伏、振動等導致的短期不穩(wěn)定性（即在1s時間內的頻率變化），為系統(tǒng)的、離散的信號，他們在信號的頻譜邊帶上表現為截然不同的分量雜散。通常我們所說的雜散還包括一些寄生的雜波分量。c. 隨機效應。隨機的和冪律噪聲只產生隨機的短期不穩(wěn)定性，這就是我們通常所說的相位噪聲。隨機噪聲包括熱噪聲、散粒噪聲和閃爍噪聲。 圖49

21、相位噪聲的定義如圖49所示，（單邊帶）相位噪聲通常用在相對于載波某一頻偏處，相對于載波電平的歸一化1Hz帶寬的功率譜密度表示（dBc/Hz）。圖50 某10MHz溫補晶振（TCXO）的相位噪聲測試曲線7.4 濾波器僅以帶通濾波器為例： 插入損耗 帶寬：BW-1dB； BW-3dB 帶外抑制 VSWR 群延時 其它圖51 帶通濾波器（BPF）的測試曲線8.微波信道分系統(tǒng)的設計、計算和指標分配本節(jié)僅就系統(tǒng)的噪聲、增益、功率以及頻率的指針分配問題作簡單的討論和分析。8.1 噪聲系數的分配 圖52 接收系統(tǒng)方框圖對于圖52所示的接收系統(tǒng)，系統(tǒng)的總噪聲系數為 （14）NF=10logF所以，當第一級的增

22、益（G1）足夠大時，接收系統(tǒng)總的噪聲系數NF就主要取決于第一級的噪聲系數（NF1）。也就是說，對于一個接收系統(tǒng)，要求第一級（通常是一個低噪聲放大器）的噪聲系數應盡可能小些，而增益應足夠大。8.2 增益和功率的分配增益和功率（實際上也包括NF）的分配需要結合在一起來（折衷）考慮。另外，在其分配的過程中所要遵循的主要有以下幾點： 一級的輸出功率通常應滿足：PoutP-1 - 6dB; 考慮該級G和P-1等的實際可能情況，亦即實際部件（或器件）的可實現性； 功耗（如V,特別是I）； 進行級聯(lián)后的G、NF、P-1、IP3和I等的（復核）計算。8.3 頻率的分配和計算關于頻率的分配和計算，需要注意以下幾點： 對于混頻器，應計算的組合頻率分量。m和n一般可以取6階左右； 對于系統(tǒng)中的放大器、振蕩器等，應考慮其諧波分量及三階