微波电路及设计的基础知识1

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  微波电路及设计的基础知识     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. 简单的匹配电路设计5. 微波电路的计算机辅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、计算和指标分配8. 测试及测试仪器9. 应用电路举例            第1章                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。实际上，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、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，都已经发展得非常成熟，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发展，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，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。  第2章   微波电路的基本常识

2.1 电路分类

2.1.1 按照传输线分类

微波电路可以按照传输线的性质分类，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 2.1.2 按照工艺分类

微波混合集成电路：采用分离元件及分布参数电路混合集成。微波集成电路（MIC）：采用管芯及陶瓷基片。微波单片集成电路（MMIC）：采用半导体工艺的微波集成电路。                    图6微波混合集成电路示例          图7 微波集成电路（MIC）示例  图8微波单片集成电路（MMIC）示例  2.1.3 按源分

微波电路还可以按照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 开路线              图12 短路线                  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

我们经常使用的微波介质材料如表1所示。表1 几种经常使用的微波介质材料

名称	介电常数（εr）	备注
聚四氟乙烯玻璃纤维基片	2.7	国产、进口
陶瓷（Al2O3）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  第3章   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图28平行耦合线定向耦合器3.1.2 兰格（Lange）定向耦合器      图29 Lange定向耦合器3.1.3 威尔金森（Wilkinson）功分器/合路器图30功分器/合路器3.1.4 阶梯阻抗变换器图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                  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元件根据需要组合而成，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，简单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，需要引起注意。3.3 网络参数我们经常使用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。实际上，我们以往所经常使用的如Z参数、Y参数和H参数等均可以通过计算与S参数互相换算。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圆图是一个非常有用的图形化的匹配电路设计和分析工具，且方便有效，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，可以视具体情况选用。                            图35 Smith阻抗圆图          图36 Smith圆图的应用示例                图37 图解用的Smith圆图标准图纸由图35我们可以看到，在Smith阻抗圆图中存在等电阻圆、等电抗线、纯电阻线、电感平面（jωL）、电容平面（1/ jωC）、开路点、短路点和50Ω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。5. 简单的匹配电路设计举例晶体管放大器匹配电路设计示例6.   微波电路的计算机辅助设计技术及常用的CAD软件自20世纪70年代以来，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，应该可以说是功能强大、使用方便、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须掌握的设计工具。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：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
1	ADS	综合软件包	Agilent
2	Serenade	综合软件包	Ansoft
3	MW Office	线性/非线性电路、2.5D电磁场仿真	AWR
4	GENESYS	线性/非线性电路、滤波器设计等	Eagleware
5	MMICAD	线性/非线性电路设计	OPTOTEK
6	Momentum	2.5D平面电路电磁场仿真	Agilent
7	Ensemble	2.5D平面电路电磁场仿真	Ansoft
8	em	2.5D平面电路电磁场仿真	Sonnet
9	HFSS	3D电磁场仿真	Ansoft
10	MW Studio	3D电磁场仿真	CST
11	Symphony	系统仿真	Ansoft
12	Clementine	共形天线设计	Ansoft
13	Protel	电路板布线	PROTEL
14	AutoCAD	电路板布线	Autodesk

 6.2 微波电路计算计辅助设计-简介微波电路计算计辅助设计（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。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：①      必须有精确的传输线模型和各种器件模型；②      有时必须采用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，各种传输线及其不均匀区模型、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，在技术上的难度都非常大。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、布线和版图设计等，甚至还可以包括微波器件的建模和参数提取以及计算机辅助测试。6.2.2 常用的分析方法线性电路：采用等效电路模型和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：常采用矩量法和有限元法等数值计算方法。6.2.3 优化给定电路的网络拓扑结构、各个元件的初始值，以及电路的设计指标的目标参数，CAD软件将自动改变各元件值，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，一些软件还提供了其它的优化方法供选择。6.2.4 设计步骤微波电路CAD设计的步骤可大致总结如下：①      根据技术性能指标的要求，选择半导体器件。②      对于不需要半导体器件的微波无源电路，根据技术性能指标的要求，选择网络拓扑结构。③      根据所选器件的具体参数，设计匹配电路的拓扑结构。④      确定（或计算）电路中各个元件的初始值。⑤      根据技术性能指标的要求，设置优化目标（或参数）。⑥      根据经验或试验性地选择若干优化变量（或元件）。⑦      选择优化方法，并进行优化。⑧      进行容差分析。⑨      进行版图的设计并输出版图。⑩      进行性能指标的复核，进行版图的检查，并提出结构设计的要求。6.2.5 几点经验和建议①      必须保证器件选择、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准确。这将有利于优化计算的快速收敛，并保证优化设计能够达到全局最优点，而不是局部的极小（或极大）点。③      对于存在多个优化目标参数的一般情况，应根据实际的需要，分出主次或考虑折衷，并进行加权。④      关于优化变量（或元件）的选择，一方面可以根据自己的经验，另一方面也可以先选择其中几个进行试探。特别是当元件（或变量）较多时，一般不主张都选择为优化变量。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达到全局最优。⑥      在电路设计的过程中，必须要考虑元件标称值的因素。另外对于分布参数电路，电路参数的取值必须要符合相应的工艺要求。6.3 设计举例6.3.1 例1： 2GHz低噪声放大器的设计频率范围:1.95～2.05GHz；管子型号:AT-41411，为微波双极晶体管CAD软件：ADS                     图38 2GHz低噪声放大器电路    图38 2GHz低噪声放大器仿真结果6.3.2 例2： 5GHz发夹式微带线带通滤波器的设计CAD软件： Momentum    图39 发夹式带通滤波器电路图                  图40 发夹式带通滤波器仿真结果7. 一些常用的微波部件及其主要技术指标在各种各样的微波电路中，放大器是相对最具有代表性的。因此，我们作为重点对其进行介绍，而对于其它的电路，则只介绍其特殊的性能指标，同样的内容不再重复。7.1 放大器图41 放大器框图①      频率范围： f1～f2 ②      增益(G)：G=Pout/Pin                     （3）③ 噪声系数(NF)：            （4）式中Nx是出现在放大器的输出端，由放大器内部产生的噪声。                        NF=10logF                     （5）    即                  NF=10log（ ）所以，噪声系数NF就代表了放大器自身噪声贡献的大小。④ 输入、输出反射损耗及电压驻波比（VSWR）   反射损耗（LR）是在输入信号保持不变的情况下，从短路器反射的电压与从被测负载反射的电压值比，并用dB表示。                        LR=20log                   （6）式中，ρ为被测负载的反射系数。                      （7）                      （8）⑤     1dB压缩点输出功率(P-1)：随着输入功率的增加，当放大器的增益被压缩了1dB时的输出功率，即为1dB压缩点输出功率。P-1是表示一个放大器的非线性特性和输出能力的一项重要指标。                     图42 放大器输入/输出功率关系曲线⑥ 互调分量和交叉点如图43所示，当频率为f1和f2的两个等幅信号同时加在放大器的输入端时，由于放大器非线性的影响，在输出端将出现互调失真的成份。其中f2±f1为二阶互调分量，而2f1±f2为三阶互调分量。另外，除非是对于宽带的电路，一般我们不考虑二阶互调失真的影响。下面以三阶互调失真为例进行分析。                  图43 放大器互调失真示意图图44是基波分量和三阶互调分量与输入功率之间的关系曲线。将它们线性延长的交点，即为三阶交叉点（IP3）。若IP3已知，那么我们就可以准确地预知三阶互调失真的大小。                   图44 基波分量、三阶互调分量和三阶交叉点                                                （9）或                                （10）7.2 混频器①      杂波抑制： 输出的有用信号的功率与杂波之间的差值。图45杂波抑制                                              图46 混频器混频器可以进行下变频或上变频，其输出的有用信号分别为                                      （11）或                                        （12）而实际上混频器所输出的频率成份为                                     （13）其中除了有用的信号外，其它均为杂波，需要通过改进电路设计、适当增加本振功率等方法来提高混频器的动态范围，或者通过滤波器来抑制杂波。由此就已经引出了频率的选择、计算和分配的问题了。7.3 频率合成器（包括振荡器）①      输出功率②      杂波、谐波抑制③      相位噪声这里我们只介绍相位噪声的概念，不进行公式推导。我们知道，所有实际应用的信号源都存在着不稳定性，即存在着无用的信号幅度、频率或相位起伏。通常可将这些无用的频率或相位的起伏描述为相位噪声。如图47所示，由于相位噪声的存在，引起载波频谱的扩展，其范围可以从偏离载波小于1Hz一直延伸到几MHz（加性噪声的影响）。          图47 正弦信号的噪声边带频谱             图48 一个实际信号的频谱图48为在频谱分析仪上实际观察到的RF信号的频谱。对于一个实际的信号，一般存在下面三种情况：a. 由于器件老化等导致的长期不稳定性，需要经过长期观察才能看到。b. 由于电源起伏、振动等导致的短期不稳定性（即在＜1s时间内的频率变化），为系统的、离散的信号，他们在信号的频谱边带上表现为截然不同的分量—杂散。通常我们所说的杂散还包括一些寄生的杂波分量。c. 随机效应。随机的和幂律噪声只产生随机的短期不稳定性，这就是我们通常所说的相位噪声。随机噪声包括热噪声、散粒噪声和闪烁噪声。                     图49 相位噪声的定义如图49所示，（单边带）相位噪声通常用在相对于载波某一频偏处，相对于载波电平的归一化1Hz带宽的功率谱密度表示（dBc/Hz）。图50 某10MHz温补晶振（TCXO）的相位噪声测试曲线7.4 滤波器仅以带通滤波器为例：①      插入损耗②      带宽：BW-1dB； BW-3dB③      带外抑制④      VSWR⑤      群延时⑥      其它图51 带通滤波器（BPF）的测试曲线 8.微波信道分系统的设计、计算和指标分配本节仅就系统的噪声、增益、功率以及频率的指标分配问题作简单的讨论和分析。8.1 噪声系数的分配                图52 接收系统方框图对于图52所示的接收系统，系统的总噪声系数为           （14）NF=10logF所以，当第一级的增益（G1）足够大时，接收系统总的噪声系数NF就主要取决于第一级的噪声系数（NF1）。也就是说，对于一个接收系统，要求第一级（通常是一个低噪声放大器）的噪声系数应尽可能小些，而增益应足够大。8.2 增益和功率的分配增益和功率（实际上也包括NF）的分配需要结合在一起来（折衷）考虑。另外，在其分配的过程中所要遵循的主要有以下几点：① 一级的输出功率通常应满足：Pout≤P-1 - 6dB;② 考虑该级G和P-1等的实际可能情况，亦即实际部件（或器件）的可实现性；③ 功耗（如V,特别是I）；④ 进行级联后的G、NF、P-1、IP3和I等的（复核）计算。8.3 频率的分配和计算关于频率的分配和计算，需要注意以下几点：① 对于混频器，应计算 的组合频率分量。m和n一般可以取6阶左右；②      对于系统中的放大器、振荡器等，应考虑其谐波分量及三阶互调产物的影响；③      经常容易忽略的是各级之间的相互作用和影响，应综合考虑而不能只孤立地考虑某一级，或简单地认为在某一级是理想的（如后级是单频等）。另外对于较复杂的系统，有时可能还需要考虑系统中各部分之间的耦合和串扰等。 9.常用的微波测试仪器-简介在第6节中，我们已经就一些微波电路的主要技术指标进行了讨论，本节则针对这些性能指标测试所需的常用测试仪器作简单的介绍。我们都知道，微波测试仪器有两个特点：①      价格昂贵；②      种类多。对于微波测试仪器来说，经常是动辄几十万甚至上百万元。因此，在操作的过程中，一方面必须要注意电网的安全性并保证设备接地良好，另一方面应绝对禁止仪器的带电连接操作和调试时的带电焊接。在微波测试仪器当中，有许多针对各种技术指标的专用测试仪器；另外，一台测试仪器通常也只能覆盖某一个频率范围。所以往往是对于不同频段的产品或者是不同的指标，就需要不同的微波测试仪器。9.1 网络分析仪网络分析仪可以分成标量网络分析仪和矢量网络分析仪。矢量网络分析仪主要用来测试如频响、增益、插损、带外抑制、VSWR、S参数（包括幅值和相位）、阻抗、插入相移、群延时等指标；而标量网络分析仪则只能测试上述指标中与相位无关的参数。           图53 Agilent 8510网络分析仪及系统9.2 频谱分析仪频谱分析仪主要用来分析和测试信号的频谱、相位噪声、杂波以及谐波等。               （a）Agilent PSA-series             (b) Agilent 8560-series                 图54 频谱分析仪9.3 噪声系数测试仪噪声系数测试仪是进行噪声系数测试的专用仪器。                (a) Agilent 8970-series                 (b) Agilent NFA-series           图55 噪声系数测试仪及固态噪声源9.4 功率计用来测量功率的大小。                图56 功率计及功率探头9.5 频率计用来准确地测量信号的频率值。  图57 Agilent 53181A计数器及Agilent 5361B脉冲/CW计数器 9.6 信号发生器可以产生CW及各种调制的微波信号。      图58（a） Agilent ESG-series RF信号发生器           图58（b） Agilent PSG-series 微波合成信号源9.7 示波器                     图59 高频示波器9.8 相位噪声测试系统相噪测试系统是专门用来测试微波信号相位噪声指标的设备。         图60 Agilent E5500A-series 相位噪声测试系统9.9 矢量信号分析仪矢量信号分析仪具有频域、相位域、时域和调制域（调幅、调频、调相）分析能力；具有猝发信号和瞬变信号分析以及瞬时功率测量的能力；具有眼图、星座图和矢量（即坐标图）等显示形式，可用于采用数字调制体制的设备和系统的测试。           图61 Agilent 89441A及Agilent 89640A矢量信号分析仪 10. 应用电路举例10.1 10～10.5GHz 2W功率放大器(MIC)    2W功率放大器实例                  图62 10GHz功率放大器10.2 16选1射频开关16选1射频开关实例            图63 16选1射频开关10.3 5.5GHz微带线交指滤波器                  图64 微带线交指滤波器版图