射频微波工程设计基础.ppt

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1、射频射频/微波电路设计微波电路设计授课教师授课教师耿志卿耿志卿课程性质：考试课课程性质：考试课 学科基础：微波技术与天线学科基础：微波技术与天线 其其他他说说明明：1、缺缺勤勤及及作作业业未未交交：-3分分，累累计计4次次及及以以上按挂科处理。上按挂科处理。2、上课主动回答问题正确：、上课主动回答问题正确：+3分。分。3、上上课课被被动动回回答答问问题题正正确确：不不加加分分，被被动回答问题错误动回答问题错误-9分，可采取其他措施弥补。分，可采取其他措施弥补。课程性质和成绩评定课程性质和成绩评定参考书：参考书：1、微波电路设计、微波电路设计 韩庆文韩庆文 清华大学出版社清华大学出版社2、射频、

2、射频/微波电路设计导论微波电路设计导论 雷振亚雷振亚 西安电子科技大学出版社西安电子科技大学出版社3、射频与微波电子学、射频与微波电子学 拉德马内斯拉德马内斯 科学出版社科学出版社课程参考书课程参考书为什么要学习射频为什么要学习射频/微波电路课程微波电路课程为什么要学习射频为什么要学习射频/微波电路课程微波电路课程为什么要学习射频为什么要学习射频/微波电路课程微波电路课程为什么要学习射频为什么要学习射频/微波电路课程微波电路课程为什么要学习射频为什么要学习射频/微波电路课程微波电路课程课程目标课程目标1、掌掌握握射射频频/微微波波电电路路设设计计的的基基本本概概念念、基基本本分分析方法。析方法

3、。2、了了解解常常用用微微波波元元器器件件的的基基本本参参数数指指标标，如如功功分器、衰减器等。分器、衰减器等。3、掌掌握握微微波波传传输输线线、匹匹配配网网络络、滤滤波波器器、放放大大器等基本微波电路的设计方法。器等基本微波电路的设计方法。4、掌掌握握常常用用微微波波电电路路设设计计软软件件的的基基本本操操作作方方法法，如史密斯圆图软件，如史密斯圆图软件，ADS软件等。软件等。射频射频/微波的频率范围微波的频率范围1射频射频/微波电路设计简介微波电路设计简介2 无源元件的射频特性无源元件的射频特性3射频射频/微波设计的重要参数微波设计的重要参数4射频射频/微波设计软件微波设计软件5第一章第一

4、章 射频射频/微波工程设计基础微波工程设计基础电磁波谱电磁波谱低频(Audio/RF)微波光学频率30M4GHz，射频（RF）频谱划分频谱划分无线电频段的基本用途无线电频段的基本用途频频段段基本用途基本用途备备注注VHF、UHF(30MHz3GHz)电视广播、警察、防灾、道路、电力、矿山、汽车、火车、航空、卫星通信、行业专用指挥系统、个人无线电、气象雷达、地面雷达、海事雷达、二次雷达、生物医学、工业加热等技术发展成熟，应用范围最广，频谱最拥挤SHF(3GHz30GHz)公用微波中继通信、行政专用中继通信、卫星电视、导航、遥感、射电天文、宇宙研究、探测制导、军用雷达、电子对抗等。穿透大气层，广泛

5、应用于空间技术EHF(30GHz300GHz)各种小型雷达、专门用途通信、外太空研究、核物理工程、无线电波谱学。尺寸更小，接近红外线，与近代物理学相关第一章第一章 射频射频/微波工程设计基础微波工程设计基础微波的频率范围微波的频率范围1射频射频/微波电路设计简介微波电路设计简介2 无源元件的射频特性无源元件的射频特性3射频射频/微波设计的重要参数微波设计的重要参数4射频射频/微波设计软件微波设计软件5射频射频/微波电路设计简介微波电路设计简介射频射频/微波的主要特性微波的主要特性射频射频/微波设计的基本特点微波设计的基本特点射频射频/微波设计的困难微波设计的困难射频射频/微波的主要特性微波的主

6、要特性似光性似光性射射频频/微微波波能能像像光光线线一一样样在在空空气气或或其其他他媒媒体体中中以以光光速速沿沿直直线传播。线传播。穿透性穿透性射射频频/微微波波照照射射于于介介质质物物体体时时，能能深深入入该该物物体体内内部部的的特特点点称为穿透性。称为穿透性。非电离性非电离性 射射频频/微微波波与与物物质质相相互互作作用用时时，虽虽能能改改变变其其运运动动状状态态，但不能改变物质分子的内部结构。但不能改变物质分子的内部结构。信息性信息性射射频频/微微波波波波段段信信息息容容量量巨巨大大，即即使使很很小小的的相相对对带带宽宽也也具具有很宽的可用频带。有很宽的可用频带。射频射频/微波电路设计简

7、介微波电路设计简介射频射频/微波的主要特性微波的主要特性射频射频/微波设计的基本特点微波设计的基本特点射频射频/微波设计的困难微波设计的困难射频射频/微波设计的基本特点微波设计的基本特点“场”的分析方法从麦克斯韦方程出发，在特定边界条件下求解电磁波动方程，获得场量的时空变化规律，分析电磁波沿线的各种传输特性；“路”的分析方法传输线作为分布参数电路处理，用基尔霍夫定律建立传输线方程，获得传输线上电压和电流的时空变化规律，分析电压和电流的各种传输特性。射频射频/微波设计的基本特点微波设计的基本特点将“场”的分析方法和“路”的分析方法用于研究同一问题，所得结论是一致的相对于严谨的麦克斯韦方程组及其数

8、值解法，“路”的方法具有更好的实用性射频/微波工程师们的常用方法。射频射频/微波电路设计简介微波电路设计简介射频射频/微波的主要特性微波的主要特性射频射频/微波设计的基本特点微波设计的基本特点射频射频/微波设计的困难微波设计的困难射频射频/微波设计的困难微波设计的困难射频/微波系统的设计不仅仅需要理论运算支持，更加需要工程经验方面的保证不同的设计师对于射频/微波电路设计中的问题也可能有多种解决方案设计者的经验积累是电路设计是否成功的保证，这些需要在不断的实做过程中积累进步。第一章第一章 射频射频/微波工程设计基础微波工程设计基础微波的频率范围微波的频率范围1射频射频/微波电路设计简介微波电路设

9、计简介2 无源元件的射频特性无源元件的射频特性3射频射频/微波设计的重要参数微波设计的重要参数4射频射频/微波设计软件微波设计软件5无源元件的射频特性无源元件的射频特性在射频/微波波段，通常意义下的金属导线、电阻、电容和电感都不再是单纯的元件金属导线电阻电容电感 金属导线金属导线低频电路：传导(Conductor)，是一根良导体的连接线，电阻、电感、电容等寄生参数可以忽略不计，传导电流在整个导体横截面上呈均匀分布射频/微波频段：guide line，导线起的是引导作用，引导电磁波的传播方向具有自身的电阻、电感或电容，是频率的函数，寄生参数对电路工作性能影响极大金属导线金属导线一根半径为a，长度

10、为l，材料电导率为的圆柱形铜导体，直流电阻为：直流条件下，可认为导线的全部横截面都用于传输电路，电流密度为：金属导线金属导线“趋肤效应”交流情况下，交变电荷载流子流动形成了交变磁场，该磁场感应电场的电流密度与原始电流正好相反，这种效应在导体中心位置即r=0处表现最强，导致导体中心处电阻明显增加随着工作频率的提高，电流的分布也趋于导体外表面导体截面的电流密度已经不再均匀，而是随着观测点距离导体中心的位置而变化的不良效应：导体通过电流的有效横截面积减小，会导致导体的电阻增加。趋肤效应趋肤效应Z方向电流密度幅值：r=ar=a时的电流时的电流密度密度导体的趋肤导体的趋肤深度深度趋肤效应趋肤效应高频条件

11、下的电阻和电感的表达式：高电流密度低电流密度交流状态下横截面电流密度交流状态下横截面电流密度对直流电流密度归一化值对直流电流密度归一化值无源元件的射频特性无源元件的射频特性在射频/微波波段，通常意义下的金属导线、电阻、电容和电感都不再是单纯的元件金属导线电阻电容电感 电阻电阻单片微波集成电路中电阻有三类：半导体电阻、沉积金属膜电阻和金属与介质的混合物。等效电路 射频情况下一引线电阻的总阻抗对频率的射频情况下一引线电阻的总阻抗对频率的变化曲线变化曲线无源元件的射频特性无源元件的射频特性在射频/微波波段，通常意义下的金属导线、电阻、电容和电感都不再是单纯的元件金属导线电阻电容电感 电容电容电容器阻

12、抗特性表示为电导和电纳的并联形式介质的电导率介质的电导率令令 一带引线的极板间填充一带引线的极板间填充Al2O3介质电容器的介质电容器的等效电路频率响应等效电路频率响应在高频段实际电容与偏离理想电容偏差较大在高频段实际电容与偏离理想电容偏差较大无源元件的射频特性无源元件的射频特性在射频/微波波段，通常意义下的金属导线、电阻、电容和电感都不再是单纯的元件金属导线电阻电容电感 电感电感电感的等效电路 线圈电感阻抗的绝对值与频率的关系线圈电感的高频特性已经完全不同于理想电感线圈电感的高频特性已经完全不同于理想电感第一章第一章 射频射频/微波工程设计基础微波工程设计基础微波的频率范围微波的频率范围1射

13、频射频/微波电路设计简介微波电路设计简介2 无源元件的射频特性无源元件的射频特性3射频射频/微波设计的重要参数微波设计的重要参数4射频射频/微波设计软件微波设计软件5射频射频/微波设计的重要参数微波设计的重要参数频率功率阻抗频率频率频率是射频/微波工程设计所涉及的最基本参数，对应于无线系统的工作频谱范围，工作频率将直接决定电路的结构形式和所选用的器件与材料。直接影响射频/微波信号频率的电路：信号发生器频率变换器频率选择电路射频射频/微波设计的重要参数微波设计的重要参数频率功率阻抗功率功率功率描述射频/微波信号能量影响射频/微波信号功率的主要电路：衰减器功分器耦合器放大器射频射频/微波设计的重要

14、参数微波设计的重要参数频率功率阻抗阻抗阻抗阻抗是在特定频率下，描述各种射频/微波电路对微波信号能量传输影响的参数。阻抗参数所涉及的射频/微波电路：阻抗变换器阻抗匹配器天线第一章第一章 射频射频/微波工程设计基础微波工程设计基础微波的频率范围微波的频率范围1射频射频/微波电路设计简介微波电路设计简介2 无源元件的射频特性无源元件的射频特性3射频射频/微波设计的重要参数微波设计的重要参数4射频射频/微波设计软件微波设计软件5射频射频/微波设计软件微波设计软件MATHCAD史密斯圆图仿真软件Microwave Office软件ADS软件 MATHCADMATHCAD是由MathSoft公司推出的一种

15、交互式数值系统1、MATHCAD软件是功能全面的数学工具软件，既是一个优秀的计算平台，又是一个优秀的写作平台，并达到了双优的境界。2、MATHCAD能定义变量和函数等，能创建3D图，能进行数据分析和计算，常微分方程、最优化问题、统计函数、偏微分等的求解，以及丰富的函数库，这些功能一般都要在微波电路设计的辅助分析与计算当中用到射频射频/微波设计软件微波设计软件MATHCAD史密斯圆图仿真软件Microwave Office软件ADS软件 史密斯圆图仿真软件史密斯圆图仿真软件史密斯圆图软件是一种非常直观的理论验证软件，用户可以通过此软件，调整电路设计参数，检验电路的匹配特性，此软件可以使得用户能更

16、加深入的理解史密斯圆图的使用方法，对史密斯圆图理论的学习有很大帮助。射频射频/微波设计软件微波设计软件MATHCAD史密斯圆图仿真软件Microwave Office软件ADS软件 Microwave Office软件软件Microwave Office是美国AWR公司出品的高频电路和微波系统设计软件是一款针对微波混合、模块以及MMIC 设计的综合性性软件，能为线性与非线性微波电路设计提供完整的解决方案。工作界面工作界面射频射频/微波设计软件微波设计软件MATHCAD史密斯圆图仿真软件Microwave Office软件ADS软件 ADS软件软件ADS(Advanced Design System)是美国Agilent公司推出的电路和系统分析软件集成多种仿真软件的优点，仿真手段丰富多样，可实现包括时域和频域，数字与模拟，线性与非线性，高频与低频，噪声等多种仿真分析手段，范围涵盖小至元器件，大到系统级的仿真分析设计ADS能够同时仿真射频(RF)，模拟(Analog),数字信号处理(DSP)电路等。