2022年微波电路及设计的基础知识.docx
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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 微波电路及设计的基础学问1. 微波电路的基本常识 2. 微波网络及网络参数 3. Smith 圆图 4. 简洁的匹配电路设计 5. 微波电路的电脑帮助设计技术及常用的 CAD 软件 6. 常用的微波部件及其主要技术指标 7. 微波信道分系统的设计、运算和指标安排 8. 测试及测试仪器 9. 应用电路举例1 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 37 页精选学习资料 - - - - - - - - - 微波电路及其设计1. 概述所谓微波电路,通常是指工作频段的波长在10m 1cm 即30MHz 30GHz 之间的电路;此外,仍有
2、毫米波30 300GHz 及亚毫米波 150GHz 3000GHz 等;实际上,对于工作频率较高的电路, 人们也常常称为 “ 高频电路”或“ 射频 RF电路” 等等;由于微波电路的工作频率较高, 因此在材料、结构、电路的形式、元器件以及设计方法等方面, 与一般的低频电路和数字电路相比,有很多不同之处和很多特殊的地方;作为一个独立的专业领域, 微波电路技术无论是在理论上,仍是在材料、工艺、元器件、以及设计技术等方面,都已经进展得特别成熟,并且应用领域越来越广泛;另外,随着大规模集成电路技术的飞速进展,目前芯片的工作速度已经超过了 1GHz ;在这些高速电路的芯片、封装以及应用电路的 设计中,一些
3、微波电路的设计技术也已得到了充分的应用;以往传统的低频电路和数字电路, 与微波电路之间的界限将越来越模糊,相互间的借鉴和综合的技术应用也会越来越多;2. 微波电路的基本常识 2.1 电路分类2.1.1 依据传输线分类 微波电路可以依据传输线的性质分类,如:2 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 37 页精选学习资料 - - - - - - - - - 图 1 微带线图 2 带状线图 3 同轴线3 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 37 页精选学习资料 - - - - - - - - - 图 4 波导图 5 共面波导2.1.2 依据工艺分类微波混合集成电
4、路:采纳别离组件及分布参数电路混合集成;微波集成电路 MIC :采纳管芯及陶瓷基片;微波单片集成电路 MMIC :采纳半导体工艺的微波集成电路;图 6 微波混合集成电路例如4 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 37 页精选学习资料 - - - - - - - - - 图 7 微波集成电路 MIC 例如图 8 微波单片集成电路 MMIC 例如2.1.3 微波电路仍可以依据有源电路和无源电路分类;其中,有源电路包括放大器、振荡器等;无源电路包括分路器、耦合器、移相器、开关、混频器和滤波器等;2.2 常用的微波传输线电路组件和不连续性组件图 9 传输线段图 10 耦合线5 名师
5、归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 37 页精选学习资料 - - - - - - - - - 图 11 开路线图 12 短路线图 13 直角拐弯线图 14 阶梯线6 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 37 页精选学习资料 - - - - - - - - - 图 15 渐变线图 16 缝隙图 17 T 型结7 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共 37 页精选学习资料 - - - - - - - - - 图 18 十字结其它仍有一些如扇形线、 Lange 耦合器、交指电容和螺旋电感等等;2.3 常用的微波元器件这里主要介绍一些常用的贴装无源
6、器件和微波半导体器件;图 19 片状迭层电容及单层电容图 20 片状迭层电感及线绕电感8 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 37 页精选学习资料 - - - - - - - - - 图 21 片状电阻图 22 贴装可调电容图 23 贴装电位器图 24 微波二极管封装及芯片9 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页,共 37 页精选学习资料 - - - - - - - - - 图 25 微波三极管和场效应晶体管封装及芯片图 26 微波单片集成电路 MMIC 封装及芯片10 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页,共 37 页精选学习资料 - - -
7、 - - - - - - 2.4 常用的微波介质基片我们常常使用的微波介质材料如表 1 所示;表 1 几种常常使用的微波介质材料名称 介电常数 r备注聚四氟乙烯玻璃纤维基片 2.7 国产、进口陶瓷 Al 2O 3基片 99% 9.6 国产、进口微波复合介质基片 可选 国产RT/duroid 5880 2.2 Rogers 公司RO4003 3.38 Rogers 公司TMM10I 9.8 Rogers 公司RT/duroid . Series RO4000 . Series TMM . Series 图 27 Rogers公司生产的几种微波介质基片名师归纳总结 - - - - - - -第 1
8、1 页,共 37 页精选学习资料 - - - - - - - - - 3. 微波网络及网络参数 3.1 具有特定内容含义的特殊微波网络 3.1.1 平行耦合线定向耦合器1 24 3图 28 平行耦合线定向耦合器 3.1.2 兰格 Lange 定向耦合器0-5DB|S2,1|14-15Lange CouplerDB|S3,1|Lange Coupler-25DB|S4,1|Lange Coupler-3568101214Frequency GHz2 3图 29 Lange 定向耦合器 3.1.3 威尔金森 Wilkinson 功分器 / 合路器12 名师归纳总结 - - - - - - -第 1
9、2 页,共 37 页精选学习资料 - - - - - - - - - 0Wilkinson Power Divider2-10DB|S1,1| PDDB|S2,1| PD1-201819DB|S3,1|202122-30PD-40Frequency GHz3图 30 功分器 / 合路器 3.1.4 阶梯阻抗变换器1 2图 31 阶梯阻抗变换器 3.1.5 微带线低通滤波器图 32 微带线低通滤波器3.1.6 平行耦合线带通滤波器13 名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页,共 37 页精选学习资料 - - - - - - - - - 0dBS1,1dBS2,1-20-40-60-
10、809101112131415freq, GHz图 33 平行耦合线带通滤波器3.1.7 其它,如交指滤波器、谢夫曼移相器及分支线定向耦合器等,也都具有固定特定的网络形式;3.2 一般网络 微波网络是由各种微波组件依据需要组合而成,所以网络的形式具有任意性;上面介绍的那些特殊网络只是其中一些典型的形式而已;一般来说,简洁的网络通常是窄带的电路, 如 g/4 线;这一点,在设计宽带匹配电路时,需要引起留意;3.3 网络参数 我们常常使用 S 参数即散射参数 来描述微波网络; 以下面的二端口网络为例;图 34 二端口微波网络在图 34 所示的二端口微波网络中,a1 和 b1 分别为埠 1 的归一1
11、4 名师归纳总结 - - - - - - -第 14 页,共 37 页精选学习资料 - - - - - - - - - 化入射电压波和反射电压波; a2 和 b2 分别为埠 2 的归一化入射电压波和反射电压波;二端口微波网络的输入和输出之间的关系可以表示为即b 1Ss 11a1s 12a21b2s21a1s22a21bSa12ba22s 11s 12其中s21s22式1称做散射方程,S 叫散射矩阵或散射参数;由式 1可以得出二端口网络的 S 参数为:b 1S11= a 1 a 2 0,即当埠 2 匹配时 ZL=Z0,埠 1 的反射系数;b 2S22= a 2 a 1 0,即当埠 1 匹配时 Z
12、S=Z 0,埠 2 的反射系数;b 1S12= a 2 a 1 0, 即当埠 1 匹配时,埠 2 到埠 1 的传输系数;b 2S21= a 1 a 2 0,即当埠 2 匹配时,埠 1 到埠 2 的传输系数;通过上面的分析我们可以看出, 微波网络的 S 参数具有确定的物理意义;实际上,我们以往所常常使用的如Z 参数、 Y 参数和 H 参数等均可以通过运算与S 参数相互换算;但在微波频率上,只有S参数是可以测量出来的,这样也就解决了微波网络参数的测量问题;另外,对于端口数为 于式 1的表达式,这时N 的多端口网络,我们同样可以得到类似 S 为 N N 维的矩阵;名师归纳总结 - - - - - -
13、 -第 15 页,共 37 页精选学习资料 - - - - - - - - - 4. 史密斯 Smith 圆图Smith 圆图是一个特别有用的图形化的匹配电路设计和分析工具,且便利有效,在微波电路设计过程中会常常用到;另外,Smith 圆图有阻抗圆图和导纳圆图两种形式,可以视详细情形选用;图 35 Smith 阻抗圆图Z=30+j25 图 36 Smith 圆图的应用例如16 名师归纳总结 - - - - - - -第 16 页,共 37 页精选学习资料 - - - - - - - - - 图 37 图解用的 Smith 圆图标准图纸 由图 35 我们可以看到, 在 Smith 阻抗圆图中存在
14、等电阻圆、 等 电抗线、纯电阻线、 电感平面j L、电容平面1/ j C、开路点、短路点和 50 点等等;当然,相对应的在导纳圆图中也存在等电导圆和等导纳线等;17 名师归纳总结 - - - - - - -第 17 页,共 37 页精选学习资料 - - - - - - - - - 5. 简洁的匹配电路设计举例 晶体管放大器匹配电路设计例如6. 微波电路的电脑帮助设计技术及常用的 CAD 软件 自 20 世纪 70 岁月以来,微波电路 CAD 技术已经取得了很大的 进步;一方面是各 CAD 软件厂商推出了很多通用和专用的微波电路CAD 软件产品,包括电原理图输入和微波电路的图形输入、电路的 仿真
15、和优化、容差分析、版图生成及输出、与测试仪器接口等功能,并有许很多多的电路模型库、 组件库、半导体器件的线性模型库和非线性模型库等可供挑选, 应当可以说是功能强大、 使用便利、 应有尽有;而另一方面,微波电路CAD 软件也已被广泛应用于各种微波电路的设计,并成为微波工程师必需把握的设计工具;6.1 常用的微波电路 CAD 软件 微波电路的 CAD 软件大致可以分成下面几类: 线性/ 非线性微波电路仿真软件; 2.5D 平面电路电磁场仿真软件; 3D 电磁场仿真软件; 系统仿真软件; 专用电路的设计软件; 排版软件序名称表 2 主要的微波电路CAD 软件简介厂商主要性能号18 名师归纳总结 -
16、- - - - - -第 18 页,共 37 页精选学习资料 - - - - - - - - - 1 ADS 综合软件包Agilent 2 Serenade 综合软件包Ansoft AWR Eagleware OPTOTEK Agilent Ansoft Sonnet Ansoft CST Ansoft Ansoft PROTEL Autodesk 线性 / 非线性电路、2.5D 电磁场仿3 MW Office 真4 GENESYS 线性/ 非线性电路、滤波器设计等5 MMICAD 线性/ 非线性电路设计6 Momentum 2.5D 平面电路电磁场仿真7 Ensemble 2.5D 平面电路
17、电磁场仿真8 em 2.5D 平面电路电磁场仿真9 HFSS 3D 电磁场仿真10 MW Studio 3D 电磁场仿真11 Symphony 系统仿真12 Clementine 共形天线设计13 Protel 电路板布线14 AutoCAD 电路板布线6.2 微波电路运算计帮助设计-简介微波电路运算计帮助设计 CAD 技术是电子设计自动化 EDA技术的一个分支,用于射频及微波电路的电脑仿真和优化设计;6.2.1 微波电路 CAD 的特点及主要内容 与其它电子 EDA 技术相比,微波电路 CAD 软件具有以下几个特 点:19 名师归纳总结 - - - - - - -第 19 页,共 37 页精
18、选学习资料 - - - - - - - - - 必需有精确的传输线模型和各种器件模型; 有时必需采纳电磁场仿真等数值仿真工具; 一般都具有 S 参数分析的功能;在微波电路 CAD 技术中,各种传输线及其不匀称区模型、组件之间的寄生耦合模型以及微波有源器件的非线性模型等,在技术上的难度都特别大;微波电路 CAD 包括线性微波电路的S 参数运算、直流分析、线性/ 非线性噪声分析、非线性电路的瞬态分析、非线性电路的谐波分 析功率压缩、交调和谐波特性等 、优化设计、容差分析、 2.5D 及 3D 电磁场仿真、布线和版图设计等,甚至仍可以包括微波器件的建 模和参数提取以及电脑帮助测试;6.2.2 常用的
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- 2022 微波 电路 设计 基础知识
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