微波电路及设计的基础知识 - 图文

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

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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。

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。 2. 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：

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图1 微带线

图2 带状线

图3 同轴线

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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：采用分离组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

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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 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组件和不连续性组件

图9 传输线段

图10 耦合线

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图11 开路线

图12 短路线

图13 直角拐弯线

图14 阶梯线

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图15 渐变线

图16 缝隙

图17 T型结

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图18 十字结

其它还有一些如扇形线、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 片状迭层电容及单层电容

图20 片状迭层电感及线绕电感

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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）

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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）

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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 聚四氟乙烯玻璃纤维基片 陶瓷（Al2O3）基片(99%) 微波复合介质基片 RT/duroid 5880 RO4003 TMM10I

介电常数（εr） 2.7 9.6 可选 2.2 3.38 9.8 备注 国产、进口 国产、进口 国产 Rogers公司 Rogers公司 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

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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

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图28平行耦合线定向耦合器

3.1.2 兰格（Lange）定向耦合器

0-5-1514DB(|S[2,1]|)Lange CouplerDB(|S[3,1]|)Lange CouplerDB(|S[4,1]|)Lange Coupler-25-35623810Frequency (GHz)1214 图29 Lange定向耦合器

3.1.3 威尔金森（Wilkinson）功分器/合路器

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0Wilkinson Power Divider2-10DB(|S[1,1]|) ~PDDB(|S[2,1]|) ~PD-20DB(|S[3,1]|)PD1-30-40181920Frequency (GHz)21223 图30功分器/合路器

3.1.4 阶梯阻抗变换器

12 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

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0-20dB(S(1,1))dB(S(2,1))-40-60-809101112131415freq, 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分别为埠1的归一

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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

b1?s11a1?s12a2?? （1）

b2?s21a1?s22a2??a1??1b??S??? 即 ????a2??2b??s11其中 ?S????s21s12? （2） s22??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：

b1 S11=

a1b2 S22=

a2b1 S12=

a2b2 S21=

a1a2?0，即当埠2匹配时（ZL=Z0），埠1的反射系数； ，即当埠1匹配时（ZS=Z0），埠2的反射系数； ， 即当埠1匹配时，埠2到埠1的传输系数； ，即当埠2匹配时，埠1到埠2的传输系数。

a1?0a1?0a2?0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?S?为N×N维的矩阵。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/eoxf.html