微波电路及设计的基础知识.docx

微波电路及设计的根底学问1. 微波电路的根本常识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. 微波电路的计算机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, 计算和指标支配8. 测试及测试仪器9. 应用电路举例微波电路及其设计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，还有毫米波〔30～300GHz〕及亚毫米波〔150GHz～3000GHz〕等事实上，对于工作频率较高的电路，人们也经常称为“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, 构造, 电路的形式, 元器件以及设计方法等方面，及一般的低频电路和数字电路相比，有许多不同之处和许多独特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，还是在材料, 工艺, 元器件, 以及设计技术等方面，都已经开展得特殊成熟，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开展，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，及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. 微波电路的根本常识2.1 电路分类 依据传输线分类微波电路可以依据传输线的性质分类，如：图1 微带线图2 带状线图3 同轴线图4 波导图5 共面波导 依据工艺分类微波混合集成电路：接受别离元件及分布参数电路混合集成微波集成电路〔MIC〕：接受管芯及陶瓷基片微波单片集成电路〔MMIC〕：接受半导体工艺的微波集成电路 图6微波混合集成电路例如图7 微波集成电路〔MIC〕例如 图8微波单片集成电路〔MMIC〕例如 微波电路还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元件和不连续性元件图9 传输线段图10 耦合线图11 开路途图12 短路途图13 直角拐弯线图14 阶梯线图15 渐变线图16 缝隙图17 T型结图18 十字结其他还有一些如扇形线, 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器件和微波半导体器件。

图19 片状叠层电容及单层电容 图20 片状叠层电感及线绕电感图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〕 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〕2.4 常用的微波介质基片我们经常运用的微波介质材料如表1所示表1 几种经常运用的微波介质材料名称介电常数〔εr〕备注聚四氟乙烯玻璃纤维基片国产, 进口陶瓷〔Al2O3〕基片(99%)国产, 进口微波复合介质基片可选国产RT/duroid 5880Rogers公司RO4003Rogers公司TMM10IRogers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 平行耦合线定向耦合器图28平行耦合线定向耦合器 兰格〔Lange〕定向耦合器图29 Lange定向耦合器 威尔金森〔Wilkinson〕功分器/合路器图30功分器/合路器 阶梯阻抗变换器图31阶梯阻抗变换器 微带线低通滤波器图32微带线低通滤波器 平行耦合线带通滤波器图33平行耦合线带通滤波器 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元件依据须要组合而成，所以网络的形式具有随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λg/4线这一点，在设计宽带匹配电路时，须要引起留意3.3 网络参数我们经常运用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分别为端口1的归一化入射电压波和反射电压波；a2和b2分别为端口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 〔1〕即 其中 〔2〕式〔1〕称做散射方程，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： S11=，即当端口2匹配时〔ZL=Z0〕，端口1的反射系数； S22=，即当端口1匹配时〔ZS=Z0〕，端口2的反射系数； S12=， 即当端口1匹配时，端口2到端口1的传输系数； S21=，即当端口2匹配时，端口1到端口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事实上，我们以往所经常运用的如Z参数, Y参数和H参数等均可以通过计算及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N的多端口网络，我们同样可以得到类似于式〔1〕的表达式，这时为N×N维的矩阵4. 史密斯〔Smith〕圆图Smith圆图是一个特殊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经常用到另外，Smith圆图有阻抗圆图和导纳圆图两种形式，可以视具体状况选用 图35 Smith阻抗圆图图36 Smith圆图的应用例如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. 微波电路的计算机帮助设计技术及常用的CAD软件自20世纪70年头以来，微波电路CAD技术已经取得了很大的进步一方面是各CAD软件厂商推出了许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, 电路的仿真和优化, 容差分析, 幅员生成及输出, 及测试仪器接口等功能，并有许许多多的电路模型库, 元件库, 半导体器件的线性模型库和非线性模型库等可供选择，应当可以说是功能强大, 运用便利, 无奇不有。

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驾驭的设计工具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：① 线性/非线性微波电路仿真软件；② 2.5D平面电路电磁场仿真软件；③ 3D电磁场仿真软件；④ 系统仿真软件；⑤ 专用电路的设计软件⑥ 排版软件表2 主要的微波电路CAD软件简介序号名称主要性能厂商1ADS综合软件包Agilent 2Serenade综合软件包Ansoft3MW OfficeAWR4GENESYS 线性/非线性电路, 滤波器设计等Eagleware5MMICAD线性/非线性电路设计OPTOTEK6MomentumAgilent7EnsembleAnsoft8emSonnet9HFSS3D电磁场仿真Ansoft10MW Studio3D电磁场仿真CST11Symphony系统仿真Ansoft12Clementine共形天线设计Ansoft13Protel电路板布线PROTEL14AutoCAD电路板布线Autodesk6.2 微波电路计算计帮助设计-简介微波电路计算计帮助设计〔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计算机仿真和优化设计。

微波电路CAD的特点及主要内容及其它电子EDA技术相比，微波电路CAD软件具有以下几个特点：① 必需有精确的传输线模型和各种器件模型；② 有时必需接受电磁场仿真等数值仿真工具；③ 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整区模型, 元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殊大微波电路CAD包括线性微波电路的S参数计算, 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, 布线和幅员设计等，甚至还可以包括微波器件的建模和参数提取以及计算机帮助测试 常用的分析方法线性电路：接受等效电路模型和S参数矩阵级联计算非线性电路：Spice, 谐波平衡法, 包络仿真法等电磁场仿真：常接受矩量法和有限元法等数值计算方法 优化给定电路的网络拓扑构造, 各个元件的初始值，以及电路的设计指标的目标参数，CAD软件将自动变更各元件值，直到满足要求CAD软件通常都具有的，也是最常用的优化方法是随机优化和梯度法当然，一些软件还供应了其它的优化方法供选择。

设计步骤微波电路CAD设计的步骤可大致总结如下：① 依据技术性能指标的要求，选择半导体器件② 对于不须要半导体器件的微波无源电路，依据技术性能指标的要求，选择网络拓扑构造③ 依据所选器件的具体参数，设计匹配电路的拓扑构造④ 确定〔或计算〕电路中各个元件的初始值⑤ 依据技术性能指标的要求，设置优化目标〔或参数〕⑥ 依据阅历或试验性地选择假设干优化变量〔或元件〕⑦ 选择优化方法，并进展优化⑧ 进展容差分析⑨ 进展幅员的设计并输出幅员⑩ 进展性能指标的复核，进展幅员的检查，并提出构造设计的要求 几点阅历和建议① 必需保证器件选择, 匹配电路或网络拓扑设计的正确性② 电路中各元件初始值的选择应尽量精确这将有利于优化计算的快速收敛，并保证优化设计能够到达全局最优点，而不是局部的微小〔或极大〕点③ 对于存在多个优化目标参数的一般状况，应依据实际的须要，分出主次或考虑折衷，并进展加权④ 关于优化变量〔或元件〕的选择，一方面可以依据自己的阅历，另一方面也可以先选择其中几个进展摸索特殊是当元件〔或变量〕较多时，一般不主见都选择为优化变量⑤ 对于优化方法的选择，通常是先随机法，后梯度法，这样将有助于使设计到达全局最优。

⑥ 在电路设计的过程中，必需要考虑元件标称值的因素另外对于分布参数电路，电路参数的取值必需要符合相应的工艺要求6.3 设计举例 例1： 2GHz低噪声放大器的设计频率范围:1.95。