微波毫米波电路分析与设计课件第一章下知识讲解.ppt

1南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系1.6 微带线谐振器微带线谐振器 用微带传输线结构用微带传输线结构(jiégòu)(jiégòu)构成的谐振器一般用一段终端开路或短构成的谐振器一般用一段终端开路或短路微带线构成由于电磁波在终端全反射，在微带传输线上形成驻波，路微带线构成由于电磁波在终端全反射，在微带传输线上形成驻波，发生谐振，贮存能量，故可构成谐振器发生谐振，贮存能量，故可构成谐振器 1.6.1 终端终端短路短路微带线谐振器微带线谐振器根据传输线理论，终端短路的有限长微带线，其归一化输入阻抗为：根据传输线理论，终端短路的有限长微带线，其归一化输入阻抗为： 当终端短路时，有当终端短路时，有 第一页，共30页2南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系微带线谐振器当当时，，即半导内波长时，，即半导内波长(bōcháng)(bōcháng)的整数倍，其输入阻抗为：的整数倍，其输入阻抗为： 由于由于(yóuyú)(yóuyú)微带线衰减很小，微带线衰减很小，故故 相当于串联谐振相当于串联谐振(xiézhèn)(xiézhèn)，为半波长串联谐振，为半波长串联谐振(xiézhèn)(xiézhèn)器。

器 当当 时，即四分之一导内波长的奇数倍，其输入阻抗为：时，即四分之一导内波长的奇数倍，其输入阻抗为： 由于微带线衰减很小，故由于微带线衰减很小，故 相当于并联谐振，为四分之一波长并联谐振器相当于并联谐振，为四分之一波长并联谐振器 第二页，共30页3南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系微带线谐振器1 1 半波长半波长(bōcháng)(bōcháng)串联谐振器串联谐振器 半波长串联谐振器等效电路半波长串联谐振器等效电路无载品质因数：无载品质因数：第三页，共30页4南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系微带线谐振器2 2 四分之一波长四分之一波长(bōcháng)(bōcháng)并联谐振并联谐振器器 1.6.2 终端终端开路开路微带线谐振器微带线谐振器 由于终端开路传输线与终端短路传输线互为对偶关系，半波由于终端开路传输线与终端短路传输线互为对偶关系，半波长终端开路线相当于并联谐振而四分之一波长终端开路线相当于长终端开路线相当于并联谐振而四分之一波长终端开路线相当于串联谐振。

串联谐振 1.6.3 其它平面结构谐振器其它平面结构谐振器 在混合微波集成电路中，经常采用的平面谐振器还有其它几种在混合微波集成电路中，经常采用的平面谐振器还有其它几种形式 第四页，共30页5南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系 微带圆形谐振器（也称为介质径向线谐振器），即介质基片上面的导体带微带圆形谐振器（也称为介质径向线谐振器），即介质基片上面的导体带是圆形或椭圆形，与接地板之间形成谐振腔，这种谐振器可以较方便与微带线是圆形或椭圆形，与接地板之间形成谐振腔，这种谐振器可以较方便与微带线耦合，其固有品质因数一般耦合，其固有品质因数一般(yībān)(yībān)较高可应用于微波半导体振荡器中的谐较高可应用于微波半导体振荡器中的谐振回路 导体圆盘导体圆盘接地板接地板介质基片介质基片接地板接地板导体圆环导体圆环介质基片介质基片金属层金属层介质基片介质基片槽缝槽缝接地板接地板微带圆形谐振器微带圆形谐振器微带圆环谐振器微带圆环谐振器槽线谐振器槽线谐振器微带环形谐振器，原理微带环形谐振器，原理(yuánlǐ)(yuánlǐ)与上面类似。

与上面类似 微带槽线谐振器，它是在微带基板的一个金属覆盖面上用腐蚀的办微带槽线谐振器，它是在微带基板的一个金属覆盖面上用腐蚀的办法制作出一定法制作出一定(yīdìng)(yīdìng)形状与尺寸的槽缝，暴露出介质，而另一面金属形状与尺寸的槽缝，暴露出介质，而另一面金属完全腐蚀掉完全腐蚀掉 微带线谐振器第五页，共30页6南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系1.7 微带线滤波器微带线滤波器 微波滤波器是微波系统中非常重要的元件微波滤波器是微波系统中非常重要的元件(yuánjiàn)(yuánjiàn)之一，它是微之一，它是微波放大器、振荡器、变频器、倍频器等电路的重要组成部分，掌握微波波放大器、振荡器、变频器、倍频器等电路的重要组成部分，掌握微波滤波器的原理与设计对于完成微波混合集成电路与单片集成电路的分析、滤波器的原理与设计对于完成微波混合集成电路与单片集成电路的分析、设计及应用都有重要意义设计及应用都有重要意义 微波滤波器可看作是一二端口网络，具有选频的功能，可以分离阻微波滤波器可看作是一二端口网络，具有选频的功能，可以分离阻隔频率，使得信号在规定的频带内通过或被抑制。

滤波器按其插入衰减隔频率，使得信号在规定的频带内通过或被抑制滤波器按其插入衰减的频率特征来分有四种类型：的频率特征来分有四种类型： v 低通滤波器低通滤波器v 高通滤波器高通滤波器 v 带通滤波器带通滤波器 v 带阻滤波器带阻滤波器 第六页，共30页7南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系微带线滤波器第七页，共30页8南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系微带线滤波器微波滤波器的技术指标通常微波滤波器的技术指标通常(tōngcháng)(tōngcháng)有以下几项：有以下几项： 截止频率截止频率 频率范围和带宽频率范围和带宽(dài kuān) (dài kuān) 通带内最大衰减通带内最大衰减 一定带外频率下的带外衰减一定带外频率下的带外衰减 形状形状(xíngzhuàn)(xíngzhuàn)系数系数 寄生通带寄生通带 插入相移和时延频率特性插入相移和时延频率特性 品质因数品质因数 波纹波纹 微波滤波器的种类非常繁多，根据其采用的传输线类型可分为波导类微波滤波器的种类非常繁多，根据其采用的传输线类型可分为波导类型、同轴线类型、带状线类型和微带线类型等。

型、同轴线类型、带状线类型和微带线类型等 滤波器的设计方法也多种多样，一般采用的是滤波器的设计方法也多种多样，一般采用的是综合法综合法，即，即先设计出滤波器的先设计出滤波器的低通原型，然后应用频率变换，推导出其它种类滤波器的设计公式，最后用适低通原型，然后应用频率变换，推导出其它种类滤波器的设计公式，最后用适当的元件和结构来实现当的元件和结构来实现 第八页，共30页9南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系微带线滤波器1.7.1 微带线低通滤波器微带线低通滤波器 用微带结构用微带结构(jiégòu)(jiégòu)实现原型电路中串联电感和并联电容的方法有三类：实现原型电路中串联电感和并联电容的方法有三类：集总元件法、高低阻抗线法和开短路支线法集总元件法、高低阻抗线法和开短路支线法 例：电感输入的五节低通滤波器的微带线图，截止频率例：电感输入的五节低通滤波器的微带线图，截止频率 ，，通带内最大衰减通带内最大衰减 ，在，在 时带外衰减时带外衰减 ；；输入、输出微带线特性阻抗为输入、输出微带线特性阻抗为 ；采用；采用RT/Dourid5880RT/Dourid5880基片材料。

基片材料 1 12 2串联电感串联电感并联电容并联电容第九页，共30页10南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系1.7.2 微带线带通滤波器微带线带通滤波器（（a a）电容间隙耦合滤波器）电容间隙耦合滤波器 （（b b）耦合微带线滤波器）耦合微带线滤波器（（c c）发夹线滤波器）发夹线滤波器（（d d）短路支线滤波器）短路支线滤波器（（e e）开路支线滤波器）开路支线滤波器微带带通滤波器的结构微带带通滤波器的结构微带线滤波器第十页，共30页11南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系微带线滤波器Microwave Office 仿真仿真(fǎnɡ zhēn)模型：模型： 第十一页，共30页12南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系微带线滤波器1.7.3 微带线带阻滤波器微带线带阻滤波器（（a a）耦合谐振器带阻）耦合谐振器带阻滤波器滤波器（（b b）开路支线带阻滤）开路支线带阻滤波器波器（（c c）耦合微带带阻滤）耦合微带带阻滤波器波器微带带阻滤波器的结构微带带阻滤波器的结构第十二页，共30页。

13南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系Microwave Office 仿真仿真(fǎnɡ zhēn)模模型：型： 微带线滤波器第十三页，共30页14南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系1.8 微带线阻抗变换器与阻抗匹配微带线阻抗变换器与阻抗匹配(zǔ kànɡ pǐ pèi)网络网络 它们的功能是把一个具有确定数值的阻抗，经过网络它们的功能是把一个具有确定数值的阻抗，经过网络(wǎngluò)(wǎngluò)的作用，变的作用，变换为另一个需要的阻抗换为另一个需要的阻抗 设计匹配网络的方法很多，主要有两种方式：通过阻抗设计匹配网络的方法很多，主要有两种方式：通过阻抗(zǔkàng)(zǔkàng)与导纳圆与导纳圆图设计微带线阻抗图设计微带线阻抗(zǔkàng)(zǔkàng)（可进一步决定线宽）及串并联线长度，还可以采（可进一步决定线宽）及串并联线长度，还可以采用网络综合法前一种方法一般适用于窄频带情况，后一种方法可在用网络综合法。

前一种方法一般适用于窄频带情况，后一种方法可在预定的各种指标下设计出所需的阻抗预定的各种指标下设计出所需的阻抗(zǔkàng)(zǔkàng)匹配网络匹配网络 在低于在低于1GHz1GHz频率下，阻抗变换器频率下，阻抗变换器一般由集总参数元件构成，最简单的一般由集总参数元件构成，最简单的阻抗匹配网络一般是由电感和电容组阻抗匹配网络一般是由电感和电容组成的成的‘‘两元件网络两元件网络’’ 当系统的工作频率提高到几个当系统的工作频率提高到几个GHzGHz范围，一般可以采用集总和分布参数混范围，一般可以采用集总和分布参数混合结构合结构. . 第十四页，共30页15南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系微带线阻抗(zǔkàng)变换器与阻抗(zǔkàng)匹配网络集总两元件匹配网络阻抗集总两元件匹配网络阻抗(zǔkàng)变换过程示意变换过程示意图图第十五页，共30页16南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系微带线阻抗变换器与阻抗匹配(zǔ kànɡ pǐ pèi)网络集总、分布参数集总、分布参数(cānshù)混合网络阻抗变换过程示意图混合网络阻抗变换过程示意图第十六页，共30页。

17南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系1.8.1 1.8.1 四分之一波长四分之一波长(bōcháng)(bōcháng)阻抗变阻抗变换器换器 微带线阻抗(zǔkàng)变换器与阻抗(zǔkàng)匹配网络 根据根据(gēnjù)(gēnjù)传输线理论，其输入阻抗为纯电阻传输线理论，其输入阻抗为纯电阻 ，取，取 ，，完成了完成了 到到 的变换这种阻抗变换机构一般只能对纯电阻性负载有效的变换这种阻抗变换机构一般只能对纯电阻性负载有效. . 对于任意负载对于任意负载 ，使用两种方案先完成到，使用两种方案先完成到 的变化方案一：方案一：方案二：方案二：第十七页，共30页18南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系微带线阻抗变换器与阻抗匹配(zǔ kànɡ pǐ pèi)网络1.8.2 四分之一波长阶梯四分之一波长阶梯(jiētī)阻抗变换器阻抗变换器 为加宽带宽为加宽带宽(dài kuān)(dài kuān)，常采用多节阶梯阻抗变换器：，常采用多节阶梯阻抗变换器： 1.8.3 渐变线渐变线阻抗变换器阻抗变换器 第十八页，共30页。

19南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系微带线阻抗变换器与阻抗匹配(zǔ kànɡ pǐ pèi)网络1.8.4 单株线阻抗单株线阻抗(zǔkàng)变换器变换器 单株线阻抗单株线阻抗(zǔkàng)(zǔkàng)变换器是依靠调整与主传输线相并联（或串联）的变换器是依靠调整与主传输线相并联（或串联）的终端短路（或开路）支线的长度及在主线上的接入位置（或主传输终端短路（或开路）支线的长度及在主线上的接入位置（或主传输线长度）来实现预定的阻抗线长度）来实现预定的阻抗(zǔkàng)(zǔkàng)变换的对于微带类型的微波电路来说，变换的对于微带类型的微波电路来说，经常采用的是所谓的经常采用的是所谓的‘ ‘ 形形’’或或‘‘反反 形形’’结构 形阻抗变换器形阻抗变换器 反反 形阻抗变换器形阻抗变换器 第十九页，共30页20南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系微带线阻抗变换器与阻抗匹配(zǔ kànɡ pǐ pèi)网络形阻抗形阻抗(zǔkàng)(zǔkàng)变换器变换器 设计参数有四个：主线和支线的长度，主线和支线的特性阻抗（取决设计参数有四个：主线和支线的长度，主线和支线的特性阻抗（取决于主线和支线线宽）。

设计中既可以确定于主线和支线线宽）设计中既可以确定(quèdìng)(quèdìng)特性阻抗而调整线长，又可以根特性阻抗而调整线长，又可以根据固定线长而仅调整特性阻抗据固定线长而仅调整特性阻抗 利用阻抗（导纳）圆图，设计线长度利用阻抗（导纳）圆图，设计线长度 和和 ：：1.1.设设 ，在主线圆图上标注出对应于，在主线圆图上标注出对应于 和和 归一化值的归一化值的 和和2.2. ，分别为阻抗变换的出发点和目标点，，分别为阻抗变换的出发点和目标点， 2. 2. 画出通过画出通过 点的等反射系数圆点的等反射系数圆①①，则，则 应在圆应在圆①①上；画出通过点上；画出通过点 的的等电导圆等电导圆②②，由于终端开路或短路支线并联于主线，而且从主线看去，由于终端开路或短路支线并联于主线，而且从主线看去的输入阻抗为纯电抗，故也应在圆的输入阻抗为纯电抗，故也应在圆②②上圆①①和圆和圆②②的交点有两个，的交点有两个，取其中一个认为是点取其中一个认为是点 ，这样主线长度即是从，这样主线长度即是从 出发、沿圆出发、沿圆①①、向信、向信号源方向旋转、到达号源方向旋转、到达 点的对应长度，点的对应长度， 第二十页，共30页。

21南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系微带线阻抗变换器与阻抗匹配(zǔ kànɡ pǐ pèi)网络3.3.设采用终端短路支线作为并联于主线上的株线，可在支线圆图上标出设采用终端短路支线作为并联于主线上的株线，可在支线圆图上标出4.4. 支线负载阻抗支线负载阻抗(zǔkàng) (zǔkàng) 对应点，并在其上画出通过对应点，并在其上画出通过 点的等反射系数圆点的等反射系数圆③③从主线圆图上可求出从主线圆图上可求出 和和 对应的电纳差，此电纳差即应该是支线输对应的电纳差，此电纳差即应该是支线输5.5. 入阻抗入阻抗(zǔkàng)(zǔkàng)对应的归一化电纳，在支线圆图上画出此归一化电纳对应的等对应的归一化电纳，在支线圆图上画出此归一化电纳对应的等6.6. 电纳圆电纳圆④④圆③③与圆与圆④④的交点对应阻抗的交点对应阻抗(zǔkàng)(zǔkàng)即为即为 这样支线长度即是从这样支线长度即是从7.7. 出发、沿圆出发、沿圆③③、向信号源方向旋转、到达、向信号源方向旋转、到达 点的对应长度。

点的对应长度4. 4. 应注意本问题还有另外一组解，即应注意本问题还有另外一组解，即 点的另外一个位置，求解过程与点的另外一个位置，求解过程与前类似支线前类似支线(zhīxiàn)(zhīxiàn)当然也可选取开路终端负载，其对应支线当然也可选取开路终端负载，其对应支线(zhīxiàn)(zhīxiàn)长度也可以很长度也可以很容易从支线容易从支线(zhīxiàn)(zhīxiàn)圆图上求得圆图上求得 第二十一页，共30页22南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系微带线阻抗(zǔkàng)变换器与阻抗(zǔkàng)匹配网络第二十二页，共30页23南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系微带线阻抗变换器与阻抗匹配(zǔ kànɡ pǐ pèi)网络③③ ④第二十三页，共30页24南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系微带线阻抗变换器与阻抗匹配(zǔ kànɡ pǐ pèi)网络设计设计(shèjì)线特性阻抗线特性阻抗 和和 ：：设设 、、 ，则有：，则有： 其正负号取决于支线其正负号取决于支线(zhīxiàn)(zhīxiàn)是短路还是开路终端是短路还是开路终端 设设 、、 ，则有：，则有： 假设采用终端开路支线可有：假设采用终端开路支线可有： 第二十四页，共30页。

25南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系微带线阻抗(zǔkàng)变换器与阻抗(zǔkàng)匹配网络反反 形阻抗形阻抗(zǔkàng)(zǔkàng)变变换器换器 ③ ②② ①① ④ 第二十五页，共30页26南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系1.8.5 滤波滤波(lǜbō)阻抗变换器阻抗变换器 它的设计思路及结构形式和一般滤波器是基本相同的，主要不同之它的设计思路及结构形式和一般滤波器是基本相同的，主要不同之点仅在于点仅在于(zàiyú)(zàiyú)一般滤波器的输入输出阻抗相等和接近相等，但滤波阻抗变换一般滤波器的输入输出阻抗相等和接近相等，但滤波阻抗变换器的输入输出阻抗可大不相同，在设计时有意把滤波器的两端阻抗设计器的输入输出阻抗可大不相同，在设计时有意把滤波器的两端阻抗设计成要求值即可成要求值即可 1.9 微带线平衡微带线平衡(pínghéng)－不平衡－不平衡(pínghéng)转换器转换器 平衡平衡-不平衡转换器简称为不平衡转换器简称为“巴仑巴仑”，即，即BALanced-UNbalanced transformer，缩写为，缩写为BALUN。

它的作用是将高频信号从单端输入它的作用是将高频信号从单端输入变成平衡输出，并完成阻抗匹配功能变成平衡输出，并完成阻抗匹配功能 第二十六页，共30页27南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系巴仑低频电路巴仑低频电路2 2 巴仑初级的一端是接地的，巴仑初级的一端是接地的，初级是不平衡端口巴仑次级初级是不平衡端口巴仑次级2 2和和3 3两端都不接地，对地都具有两端都不接地，对地都具有高阻抗，因而次级是平衡端口高阻抗，因而次级是平衡端口当初级两端与地之间都接有负载当初级两端与地之间都接有负载电阻电阻(diànzǔ)(diànzǔ)时，它们对地产生的电压大时，它们对地产生的电压大小相等而方向相反小相等而方向相反 改变变压器的变比改变变压器的变比 可使输入电阻与信号源电阻可使输入电阻与信号源电阻 相等相等(xiāngděng)(xiāngděng)而达到匹配而达到匹配 巴仑的线路和结构巴仑的线路和结构(jiégòu)(jiégòu)随工作波段和电路形式不同而不同，有同轴线随工作波段和电路形式不同而不同，有同轴线结构结构(jiégòu)(jiégòu)、微带线结构、微带线结构(jiégòu)(jiégòu)等，在平衡类型的微波混频器、放大器等电路中有等，在平衡类型的微波混频器、放大器等电路中有重要作用。

重要作用 微带线平衡－不平衡转换器第二十七页，共30页28南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系上金属带上金属带微带线平衡(pínghéng)－不平衡(pínghéng)转换器1.9.1 双面微带线巴仑双面微带线巴仑1 1介质夹心介质夹心横向剖面图横向剖面图双面微带线巴仑双面微带线巴仑上金属带上金属带下金属带下金属带介质基片（介质基片（ ））屏蔽盒屏蔽盒2 23 3上金属带上金属带下金属带下金属带纵向立体图纵向立体图1 12 2渐变微带线巴仑渐变微带线巴仑1 1介质夹心介质夹心2 23 3下金属带下金属带第二十八页，共30页29南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系1.9.2 共面微带线巴仑共面微带线巴仑微带线平衡(pínghéng)－不平衡(pínghéng)转换器1 12 2共面微带线及共面微带线巴仑共面微带线及共面微带线巴仑介质介质(jièzhì)(jièzhì)基片基片中心中心(zhōngxīn(zhōngxīn) )带带地板地板地板地板平衡输出口平衡输出口下地板下地板微带线输入微带线输入不平衡端口不平衡端口金属化接地孔金属化接地孔腐蚀掉区域腐蚀掉区域3 3第二十九页，共30页。

30南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系第一章第一章 作业作业(zuòyè)补充题：补充题： 试给出微带线三端口功率分配耦合器、微带环形电桥试给出微带线三端口功率分配耦合器、微带环形电桥（（18001800电桥）和分支线电桥（电桥）和分支线电桥（900900电桥）的结构示意图，并电桥）的结构示意图，并分别分别(fēnbié)(fēnbié)简述其工作原理简述其工作原理第二章第二章第三十页，共30页。