[信息与通信]微波电路与器件中国电子学会培训资料.ppt

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1、微波电路与器件,1.耦合器传输线和集总参数元件,1.1 耦合传输线特性及应用,耦合线是平行放置的、靠得很近的两根传输线构成。传输线之间就存在着连续的耦合。在定向耦合器、滤波器、移相器、变换器、匹配网络等电路中，广泛地用作基本件。,1.1.1耦合微带线,图1为结构示意图，其中w为导体带条的宽度，H为介质基片的厚度，r为介质基片的介电常数，设图示微带线的特性阻抗为Zo，有效介电常数为re,1.1.2 单根微带线的分析与综合,1.1.2.1单根微带线的分析：由w/h、r 求z。、re;1.1.2.2由z。、re求w/h、r:,1.13 耦合徽带线的分析与综合,耦合微带线,s为耦台微带线之间距。耦台微

2、带线的奇模阻抗为Zoe，偶模阻抗为Zoo。根据下式计算“单根”微带线的特性阻抗：a)(Zoo)s=Zoo/2,(Zoe)s=Zoe/2 b)利用单根微带线综合公式(1)、(2)计算（Zoe)s、(Zoo)s 对应的尺寸:(W/h)so.(W/h)se;c)代入下面两式计算耦合微带线尺寸:W/h和S/h,1.1.4 耦合徽带线的优化计算,例1:10dB 耦合器，r=2.6,C=-10dB=10-10/10=0.1,Zoo=45,Zoe=55;Serenad:初值尺寸,1.1.5 窄带耦合带状线,特点：超宽频带(一般可达45倍频)；耦合度平坦的特点:起伏不超过土2dB；不及微带耦合器简便,但加工较

3、宽边耦合简单；屏蔽效果较好.,1.1.5.1 带状线耦合器综合设计的解析公式,1）由耦合器的阻抗：Xo、Xe 为对应、的变量，统称x 2）可以x 表示椭圆函数的自变量k：3）最后，综合表示尺寸wh、s/h,、,1.1.5.3 用软件设计的耦合器,例2:用介电常数r=96,b=2mm、铜箔厚 t=0.018mm 的介质板设计带线耦合器，在三个频段内，以45倍频的范围内计算4种典型的弱耦舍 15dB、20dB、25dB、30dB。,1.1.6 宽边耦合带状线,适合于强、弱、中等一切耦合器，具有定向性高、屏蔽好等特点 例:3dB耦合器：频率1.8-2.4GHz,1.2 集总参数元件,1.2.1 集总

4、参数元件简明设计原理 一般集总参数元件的尺寸比其工作波长要小,小于/10.集总参数元件:尺寸小、价格低、宽带、适合于单片MIC集成电路。,1.2.1电感器设计公式及实例,集总参数电感器用一小段短路线(ZL=0），其输入阻抗表示为：Zin=ZOLl=R+jL=jL 可以用金属线、带线来实现低电感，典型值2-3nH;螺旋电感具有较高的Q值和较高的电感量，一般0.5-5nH。,1.2.2.1电感器设计公式及实例,1)计算电感的近似公式，手工计算的零阶,估计为：误差正确值的30 以内。2)误差近似为5(与用场理论计算相比)的近似公式：,电感器设计公式及实例,例4:平面螺旋电感的匝数n=2.75,1.2

5、.3常用电容器设计实例,集总参数电容可看成一段开路传输线，YLY=0），其输入阻抗表示为：Yin=Yol=G+jC=jC 可以用微带片状结构来实现低电容，典型值0.2pF;较高的电容量，交指结构,一般0.05-0.PF;更高的MIM电容器,0.5-100PF。,1.2.3.1 交指结构,电容公式:在MIC电路中应用广泛,如滤波器.,1.2.4电阻器设计,单片集成电路、多层板设计中，薄膜电阻的使用.优点:提高性能、可靠性、缩小体积、减轻重量、降低成本。主要以工艺手段实现。,例6:全集成无源组件的备制过程：,2 谐振器,谐振器：终端开路或短路的一定长度的传输线，均可以理解为谐振器腔体。谐振器的等效

6、集总电容和电感分别由相应的储能决定.,2.1谐振器参数,谐振频率：品质因数：相对带宽：BW=1/Q 阻尼因子:d=0/2Q,2.2耦合形式,2.2.1原则：1）电场激励装置：2）磁场激励装置：3）电流激励装置：,2.2.2耦合种类,种类：电场耦合;磁场耦合;电磁场耦合;,2.3腔体谐振器,有理想的屏蔽罩或腔体可以约束能量,理想导体为约束能量提供了一种方法.谐振腔是滤波器、转动交链等器件的基本元件2.3.1腔体谐振器种类同轴腔体谐振器、凹状同轴腔体谐振器、矩形波导谐振器、圆波导谐振器、椭波导谐振器。,2.3.1圆柱腔体谐振器设计,2.3.1.1概念：1)圆波导的谐振波数：（l=0,1,2）2)谐

7、振频率为：,2.3.1.2常用的工作模式,谐振腔常用的工作模式:TE111,TM010,TE011.TE111特点:是圆柱腔的最低次膜,单一模式的频带宽(1.5:1);Q值低,中等精度;加工精度高.,TM010特点:调谐方式在轴心加一个圆棒.频带宽(1.5:1),Q值小,中等精度.,TE011特点:可用作Q值高,高精度频率计稳频腔.,1)谐振频率:2)圆柱腔谐振模式图(f0D)2=9*1020(xml/)2+(p/2)2+(D/L)2)2)工作矩形:安全范围.,2.3.1.3设计步骤:1.确定谐振腔的工作模式;2.利用工作模式图和品质因数图选定“工作矩形”,计算腔体尺寸;3.利用工作模式和干扰

8、模式的场结构,选择耦合装置等,以抑制兼并模式.注意：决定工作模式:工作频段.频带宽度.精度.,2.3.1.4设计实例,例7:设计一个频率计的谐振腔,中心频率是3000MHz,工作频带:2800-3200MHz,2.3.2同轴腔体谐振器应用:转动交连,转动交连应用:实现旋转天线与地面固定设备之间的信号连接,天线扫描所需的转动,是关键的馈线器件;多功能雷达如多波束雷达、航管雷达等,需要传输多路微波信号，这需要多路交连。,2.3.2.1设计原则,1同轴腔谐振器应用在转动交连上，以二分之一或四分之一波长空腔作谐振腔。2良好的扼流槽是必不可少的.3多路转动铰链可以大小同轴腔嵌套，也可以同心叠加。4交连本

9、身采用同轴传输线结构，为了防止高次模出现，必须保证:(D+d)2min/,2.3.2.2设计实例,例:双路较连，分别为L.S波段、一为4倍频,另一路为十几千瓦高功率交连，。,设计方案,.特点：两交连传输模式准TEM模，性能良好；同轴线结构决定交连的耐功率较大。.交连同轴线谐振腔长度;.交连同轴线的直径尺寸;1.满足条件：2.为了防止高次模出现；3.兼顾实际尺寸限制；.决定输入/输出口(门钮)尺寸.设计扼流槽尺寸,2.4平面微带谐振结构设计,2.4.1微带结构谐振器微带谐振器用在定向耦合器、滤波器、震荡器中;种类:有矩形微带谐振器、圆盘形微带谐振器、圆环形微带谐振器、三角形微带谐振器等。2.4.

10、1.1矩形微带谐振器设计谐振器频率:例8:一个矩形微带谐振器,谐振频率f=6.5GHz.,2.5 介质谐振器设计,介质谐振器具有体积小、重量轻、温度稳定性好、价格便宜等特点。应用于移动通信、卫星电视广播通信、雷达、卫星定位导航系统等众多领域。介质谐振器天线:具有体积小、重量轻的特点介质损耗较小，具有高的辐射效率介质谐振器Q值较高，在微波波段可达l000多，振荡频率的稳定性好。介质滤波器有体积小、重量轻、结构简单、成本低、频率稳定度高等优点。,2.5.1介质谐振器常用材料,微波介质材料的主要参数:品质因数Q、介电常数、谐振频率的温度系数Tf。新一代微波介质材料的研究方向;微波介质材料;,2.5.

11、2介质谐振器,介质谐振器的谐振频率.孤立的圆柱介质谐振器;圆柱谐振器的TE01模与微带线、鳍线、磁环、金属波导和介质波导等耦合。有三种电路形式：带阻加载型、反馈型、反射型;串联反馈型有工作稳定、有载Q值高、相位噪声小、结构简单的优点。,2.5.3孤立的圆柱介质谐振器,常用的耦合:TE01与微带线的耦合;各类参数由介质谐振器与微带线的距离及位置决定;介质谐振器与微带线的耦合(MIC)等效电路,取决于介质谐振器的本质参数;孤立的介质谐振器公式;,孤立圆柱形介质谐振器,例10:设计孤立圆柱形介质谐振器,谐振模式为TE01,谐振频率为12GHz。,2.5.4 MIC中的介质谐振器,例11:MIC中的介

12、质谐振器的设计.根据上述计算结果的尺寸,设计其在耦合结构中的尺寸.谐振频率为12GHz.该滤波器的通带内衰减仅为0.25dB。,2.6可调谐振器,谐振器采用了PIN二极管、变容二极管、遂道二极管、场效应管这些谐振结构，调谐频率。当改变二极管的控制偏压，半导体层的电容值变化,谐振器的频率可调.2.6.1可调谐振器原理及设计,2.6可调谐振器,1)谐振器设计:MIC中传输型耦合DR,将DR置于两根50微带线之间,L1.L2.L3.L4约g/4。2)变容管的选取。变容管要满足三点：(1)大变容比;(2)线性度好;(3)噪声低。3)变容管偏压具有良好的线性度。,2.7微波振荡器,.高Q值的介质谐振器作

13、为稳频元件;.DRO两部分组成:介质谐振器和耦合加载网络;.有源网络部分:场效应管、源极串联反馈网络和漏极输出匹配网络;.源极串联反馈网络，作为产生负阻的串联反馈元件;.输出匹配网络,获得最大的输出功率。,3.阻抗变换技术,.阻抗变换技术的应用：在获得放大器理想的增益、效率、输出功率和动态范围；使从源到器件、从器件到负载、器件之间的功率传输最大；减少功率分配网络幅相不平衡度;减少馈线的损耗等。.阻抗匹配网络可分为3种（根据匹配负载特性）：阻抗变换器共轭匹配匹配网络,3.1窄带变换技术,窄带变换技术种类:分布元件技术、集总参数元件、分布元件与集总参数组合技术、T型/型网络技术。原理/窄带变换技术

14、:用史密斯圆图,可用软件.窄带的阻抗变换用途极为有限.,3.2宽带变换技术,宗旨:少量的级联网络实现阻抗渐变,以增加带宽.多级四分之一波长,多隔离;多级.多隔离穿插使用.阻抗变换结构形式:,3.2.1多节四分之一波长变换器,3.2.1.1二项式变换器 在指定的中心频率、一定的带宽内和带内最大的反射系数，把阻抗ZL变换为ZO 的变换网络，变换节的近似公式：带宽：,多节四分之一波长变换器及应用,例13:将阻抗ZL=100变换到Z0=50的双节阻抗变换器设计。带内最大的反射系数m为0.05，中心频率为1.5GHz。,3.2.1.2多阶阻抗变换器,设计多阶阻抗变换器时，馈线特性阻抗、负载阻抗R与匹配节

15、传输线特性阻抗之间应满足的关系：多阶阻抗变换器满足的关系,例14 验证二项式阻抗变换器：,3.2.1.3切比雪夫变换器,利用切比雪夫函数的等波纹特点，设计的网络函数在频带范围内为允许的小波纹，达到宽带变换的目的。例15:将阻抗ZL=100变换到Z0=50的切比雪夫阻抗变换器设计，相对带宽为0.6,带内的驻波比为1.02.,3.2.2渐变传输线变换器简介,渐变线阻抗变换器(长度L),可以看成无穷段dz的小阻抗变换器,获得小的阻抗步进dZ,输入的反射系数:Z可用指数规律变化,三角分布变化、切比雪夫变化等。,4.混合接头和耦合网络,混合接头和耦合网络是微波集成电路中广泛应用的器件之一结构诸如：平行线

16、型混合环型、分支线型、级联型、交指线型等多种微带耦合器结构。在移动通信系统中，波束切换天线的应用。混合接头是一种直接耦合的电路，有分支线、环行分支线；耦合器可以直接耦合、平行耦合或孔耦合。,4.1.1混合接头设计,90混合接头设计实例“1”一端输入，“2”、“3”端口输出，有90 的相位差，“4”端口为隔离。这类耦合器一般可设计3-9dB的耦合度。带宽10%。,例16:设计8.5-10.5GHz的90混合接头,耦合系数变化小于c0.25dB,隔离度驻波系数小于25dB.设计步骤：1）方案：2）结构：3）Serende 软件计算，4）LAYOUT输出图纸。,4.2.2 90混合接头应用:波束切换

17、天线(波束切换网络),4.2.2.1使用背景波束切换天线系统原理。关键技术波束切换系统作用。复杂度和成本较低.,4.2.2.2波束切换原理,当波束合成系统硬件实现时，可以采用模拟合成器Butler矩阵来进行控制,Butler矩阵采用90或180相差的混合接头或耦合器。,4.2.2.3设计实例,实例17：L波段工作频率，相移器用微带传输线来实现，90相差的混合接头采用微带分支线定向耦合器结构.,4.2.3环形分支线混合接头,4.2.3.1.环形分支线原理 通常结构.传统用于混频器.鉴频器等.波束切换网络.波束切换天线.,4.2.3.2混合接头应用二:合差器.,例18:L波段工作频率，波束切换天线

18、用微带结构的4X4Butler。用微带结构实现，基片介质的相对介电参数2.6，厚度为1mm,4.3 耦合线定向耦合器,4.3.1准TEM线定向耦合器4.3.1.1单节高定向性耦合器：.微带线传输准TEM模，结构简洁,加工方便.便于发展单片集成电路;.奇偶模电容不等,奇偶模相速不等,定向性一般14分贝左右;.提高定向性,加补偿电容,使奇偶模相速相等。,4.3.1.2例19:设计一个微带耦合器，耦合度-20dB,驻波定向性20 dB.,4.3.2多节耦合器：三级最大平坦型耦合器,单节平行线定向耦合器优点；满足宽带要求，必须采用多节平行耦合线结构或耦合渐变线结构。多节平行耦合线定向耦合器的综合是以单

19、节为基础。多节平行耦合线定向耦合器有对称型和非对称型两类不同结构。,4.3.2.1三级最平坦型耦合器的一种综合技术,设计步骤：1）f0处驻波比R,总偶合系数C0:R=(C0+1)/(1-C0）阶梯驻波V1、V2:2)四分之一波长滤波器的阶梯阻抗:3)各级奇偶模阻抗:4)根据奇偶模阻抗,求各级耦合线尺寸,作为初值,进行优化计算,例20:频率:1.2-1.4GHz,耦合度:10dB,C0=-10dB=0.1,4.3.3多导体耦合器（交指耦合器,LANGE桥,多指耦合器或多导体偶合器,通常设计三分贝电桥,输出相位是正交的.交指线型是紧耦合、集成度最高、方向性最好、频带最宽的一种新型徽带耦器优点:体积

20、小、便于微带电路集成.缺点:金丝球焊接。,例21:L波段的3分贝桥,优化结果:采用4指结构,也可6、8 指。1)耦合度求指数2）仿真,4.4 高定向性耦合器方法（利用屏蔽.加补偿电容、覆加介质）,4.4.1利用屏蔽在平行耦合微带线的上部加接地屏蔽，使大量的场分布在耦合微带线上的空气介质中。缺点：加工困难，精度难以控制。,4.4.2补偿电容直接补偿奇模电容，使奇偶模电容相等，即增加奇模相角，使奇偶模电长度相等，输出到隔离的能量抵消。提高定向性，必须补偿奇偶模相速，加补偿电容，具体实现方式加叉指电容。,4.4.3利用介质重叠在平行耦合微带线的上部覆盖一层与微带线相同的介质，使奇偶模电容相等。缺点：

21、加工难度增加，可以用多层板解决。,5.Wilkinso耦合器、功分器,5.1 Wilkinso功率分配器设计原理及应用 当需要把输入功率、按一定的幅度比、相位要求分配成若干路输出，或几路功率按一定幅相要求合成一路，这需要一多端口网络-功率分配器/合成器，同时器件的输入/输出驻波、器件使用前后的能耗不大。主要应用：通常两种实现方式，并馈多路功分器：简单功分器、隔离功分器。,5.1.1Wilkinso功率分配器设计要求：,1）按要求（幅度、相位）分配功率；2）输入/输出端口匹配；3）输出端间良好的隔离；,5.1.2一分二不等功率分配器设计原理,公式：算出各级1/4波长的特性阻抗Z0i（其中k2为端

22、口的功率比）,5.1.3大型Wilkinso功分网络设计步骤及实例,5.1.3.1功分网络设计步骤:1)根据网络的分布要求（数值分布）计算网络拓扑图。2)计算每级功率分配器单元的阻抗。3)选择合适的实现方式。,4)用serenade软件的模拟仿真各级分配器单元。5)在AUTO CAD软件上画出所需的功率分配网络。6)将AUTO CAD软件画出的功率分配网络图导入Desinger 软件，计算网络最终性能。7)LAYOUT 输出到AUTO CAD，直接出图。,5.1.3.2大型Wilkinso功分网络设计实例,实例22:设计P波段的一分十三不等功率分配网络.特点：采用一级隔离电阻，一级阻抗匹配段，

23、可以节省四分之一波长线,降低损耗。,5.1.3.3总结及本例特点,特点:1)拓扑图中给出了各级电路的功分比、线宽及隔离电阻值；2)该布局主要是综合考虑级数少和同一功分器分配比小得到。3)网络误差分析。,6.滤波器,微波滤波器在微波毫米波通信、卫星通信、雷达、导航、制导、电子对抗、测试仪表等系统中都有着广泛的应用，简单地说滤波器就是允许需要的频率信号以地损耗通过，不需要的频率信号以高隔离被阻挡。,6.1滤波器低通原型的几种响应形式,6.1.1最平坦响应特点：插损频响在零频点有最高阶数的频率导数为零，中心频率附近损耗最小，带外抑制度随频率而尽快的单调增加。工作频带窄。,6.1.2切比雪夫响应,特点

24、：通带内损耗小于指定值，通带较宽，有一定的等波纹损耗，带外抑制度随频率而尽快的单调增加。,6.1.3椭圆函数响应,特定：与最平坦响应、切比雪夫响应相比，椭圆函数响应有一定的衰减峰，不像切比雪夫响应滤波器那样有单调增长的衰减值，它有更陡的阻带边缘，衰减更快。,6.1.4几种滤波器比较,椭圆函数响应滤波器，它有更陡的阻带边缘，衰减更快。最平坦响应函数，在通带内可以得到平坦的幅频响应，选用Tchebychef响应。微带滤波器具有尺寸小、重量轻、成本低、易加工等优点，在微波平面电路和微波集成电路(MIC)中得以广泛应用。,6.2滤波器设计实例,6.2.1两极点滤波器 例23：中心频率为fo=10GHz

25、；带宽为f=1GHz；带内插损为LA 15dB；驻波系数为P20dB；带外衰减为在fo2GHz处，大于25dB；,6.3.2平行耦合线滤波器,6.3.2.1平行耦合线滤波器设计原理耦合线滤波器传统设计方法；各种仿真设计准确。,平行耦合线带通滤波器使用导纳倒置变换器和并联谐振器组成。,6.3.2.2平行耦合线滤波器：设计公式,1)查图表确定所需滤波器的级数及低通原型的参数gi。2)由低通原形到带通滤波器导纳倒置变换器的特性导纳：，其中3)由导纳变换起到耦合线的耦合系数或奇偶模电阻：4)由奇偶模电阻、电容可以求尺寸。,6.3.2.3平行耦合线滤波器,1用Serende 软件，滤波器模型计算所需性能

26、的级数；2计算低同原形的g；3由公式计算谐振器（自互电容）、耦合线的奇偶模阻抗；4由Serende软件决定尺寸为初值；5Serende软件仿真计算滤波器尺寸。,例24：滤波器的设计指标为：中心频率：L波段；信号带宽BW：01GHz；通带内：S2l一3dB，Sll一20dB；带外抑制：频带两端fofo 20(即08GHz和12GHz)处，S2l一50dB；带内波纹：05dB。,6.3.3梳状线带通滤波器,滤波器对高Q值、窄通带、宽阻带滤波器的要求越来越高。滤波器窄通带的设计也是以增大损耗为代价的。减少辐射损耗成为窄通带滤波器设计的关键；以梳状导体杆来实现窄带高Q滤波器设计.,输入、输出端口耦合用

27、抽头形式。实现准同轴线的谐振线元,可以是矩形杆,也可以是圆杆.,6.3.3.1梳状线带通滤波器原理,概述及特点：1)每个线元的一半与相邻的线元的一半构成同端接地的平行偶合线。2)每条谐振器与地之间的自电容由三部分组成：3)线0、n+1是末端阻抗变换器；4)用抽头线输出；,5)谐振线导纳Yaj，滤波器有最佳无载Q值。6)通常的设计方式.7)滤波器中导体的自电容计算8)集总电容Cs1。9)结构实现时,集总电容调协区足够长,且不占滤波器体积.,6.3.3.2梳状线带通滤波器公式,1选定滤波器的水平导纳Yaj/YA，（一般Yaj/YA=0.677）；计算滤波器的导纳倒置变换器的电纳斜率参数：2计算导纳

28、倒置变换器的特性导纳：,梳状线带通滤波器公式,3计算每条线与地之间的单位长度的归一化电容：,梳状线带通滤波器公式,4.相邻线元间的单位长度互电容：5集总电容：6滤波器中各导体单位长归一化自电容和相邻杆间单位长归一化互电容，可进一步计算滤波器每一个导体杆的具体几何尺寸W、S。根据不同结构的滤波器选择不同的公式或软件。,例26：设计一个带通滤波器,fo中心频率1.3GHz,频响:切比雪夫式,波纹0.1dB,带宽:0.13GHz衰减40dB点(fo0.2)GHz。,6.小信号放大器设计,放大器是微波电路中的增益器件，是电路中在需要的频率提高射频能量的器件。功率增益：传递到负载的功率与从源到网络的资用

29、功率之比。当网络在输入、输出端口共轭匹配时，器件获得最大单项功率增益，称为资用功率。设计一个单级放大器：设计一个 输入匹配网络使s0，设计一个 输出匹配网络使L0，且在所有频率上稳定。,6.1小信号放大器设计1,噪声系数,任意网络的噪声系数：F=输入端信噪比/输出端信噪比N级串联放大器的噪声计算：FF1+(F2-1)/G1+(F3-1)/G1 G2+(F4-1)/G1 G2 G3.,6.1小信号放大器设计,例27：一个两级串联放大器，第一级的增益和噪声系数分别为9dB和2dB,第二级的增益和噪声系数分别为10dB和3dB，计算总噪声系数。,6.1小信号放大器设计2,稳定性判别：对应于任意ZL的输入反射系数in和对应于任意ZS的输出反射系数out,6.2小信号放大器设计,小信号微波晶体管放大器设计,根据对放大器提出的技术指标完成对输入输出匹配网络的设计。低噪声匹配网络是一定程度失配的网络。,低噪声放大器设计步骤：,1）按照电路性能（增益、噪声系数）要求选定管子，2）计算稳定性，判定稳定性：3）设计匹配网络。低噪声匹配网络的设计应从输入匹配网络开始逐步向后设计。s=optL=2,例28:性能指标要求：噪声系数NF1.3dB，可用增益GA30dB；工作中心频率f0;噪声系数端口驻波比1.5；带宽Bf：20MHz,Thanks!,