工学射频电路专题实验PPT教案
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方形波導（rectangular waveguide）
矩形波导
圓形波導（cylindrical waveguide）
圆波导
翼片波導（fin line）
加脊波导
介質波導（dielectric waveguide） 光纖（optical fiber)
第27页/共66页
2、基本传输线理论
i(z)
i(z+ z)
到底是用“场”的方法还是用“路”的方法,应由 研究的方便程度来决定。
第16页/共66页
i(z) u(z)
z
Cz
场的方法
i(z+ z) u(z+ z)
z+ z
Lz
Rz
Gz 路的方法
第17页/共66页
六、射频铁三角
由于频率、 阻抗和功率是贯穿射频/微波工程设 计的三大核心指标,故将其称为射频铁三角。它能 够形象地反映射频/微波设计的基本内容。这三方 面既有独立特性,又相互影响。
第26页/共66页
1、常见微波传输线的类型
同軸線（coaxial cable）
同轴线
微條線（microstrip）
微带线
條線（stripline）
带线
平面波導（coplanar waveguide）
共面波导
狹縫傳輸線（slot line）
槽线
懸式微條線（suspended microstrip）
悬式微带线
ELF（极低频） 30-300Hz
101000km
VH(音频）
300-3000Hz 1000-100km
传播损耗小，通信距离远，信号稳定可靠， 渗入地层、海水能力强
VLF（甚低频） 3-30kHz
100-10km
LF（低频） MF（中频）
30-300kHz 10-1km
3003000kHz
10-0.1km
i(z) u(z)
z Lz
i(z+ z) u(z+ z) z+ z Rz
Cz
Gz
传输线等效电路
第11页/共66页
2. 射频条件下的电路存在趋肤效应。在直流情况下， 电流在整个导体中流动。而在高频条件下电流 只在导体表面流动。高频的交流电阻要大于直 流电阻；
r0
直流电流均匀分布
r0
微波集肤效应
l=3cm、r0=2mm导线线损耗R： 直流 ：2.07 Ohm 10GHz：2.07*1515 Ohm
4. 电感
Cd
Rd Rd
L
Rs
Cs
Cs：寄生旁路电容 Rs：引线导体损耗 L ：导线电感
| Z | /
1 05 实际电感
1 04
理想电感
1 03
1 02
1 01 1 08
1 09
1 01 0
f / Hz
1 01 1
第25页/共66页
二、传输线理论
微波传输线是用以传输微波信息和能量的各种 形式的传输系统的总称, 它的作用是引导电磁波沿 一定方向传输, 因此又称为导波系统。 其所导引的 电磁波被称为导行波。将截面尺寸、形状、媒质分 布及边界条件均不变的导波系统称为规则导波系统, 又称为均匀传输线。
第6页/共66页
全球定位系统： 1227.60MHz,1575.42MHz 雷达远程警戒：P、L、S、C
精确制导：X、Ka
第7页/共66页
无线通讯系统 射频发、收机电路方块图
发射天线
升频器
功率放大器
IF带通 滤波器
IF放 大器
Base Processor Unit (BPU)
PLL
VCO
PAD
工学射频电路专题实验
会计学
第1页/共66页
1
第一章、绪论
常用无线电频段及其应用 射频微波主要应用领域 为什么要学射频电路专题实验课程 射频、微波与低频电路的区别 射频电路分析方法 射频铁三角
射频设计五大要素 实验说明
第2页/共66页
一、常用无线电频段及其应用
频段名称 频率范围 波长(λ=c/f) 传播特性或应用
第29页/共66页
I (z)
IF
V (z)
VF (z)
ZF
z
Zin
V I
Zc
ZF jZc Zc jZF
tan( z) tan( z)
0
Yin
1 Zin
Yc
YF jYc Yc jYF
tan( z) tan( z)
Zin Zc Zin Zc
归一化阻抗
zin
Zin Zc
1 1
归一化导纳
微带线：
第13页/共66页
3. 随着频率的增加，当波长与电路尺寸相比拟 时，电路会变为一个辐射体。这时，在电路 之间、电路和外部环境之间会产生各种耦合 效应，因而引出许多干扰问题;
第14页/共66页
4. 由于频率高的特性，许多在中、低频不会发 生的现象纷纷出现，其中因阻抗不匹配所产 生的反射尤为重要，其次线路板上一条线上 的两点间不能再视为“同电位”了，这条线 已由“短路线”变为“传输线”。
第21页/共66页
一、 集总参数元件的射频特性
1. 金属导线
在直流和低频领域,一般认为金属导线就是一根连 接线,不存在电阻、 电感和电容等寄生参数。实际上, 在低频情况下,这些寄生参数很小,可以忽略不计。当 工作频率进入射频/微波范围内时,情况就大不相同。 金属导线不仅具有自身的电阻和电感或电容,而且还是 频率的函数。寄生参数对电路工作性能的影响十分明 显,必须仔细考虑,谨慎设计,才能得到良好的结果。
字母
P
L
Ls
S
C
Xc
X
频率 0.3-1.12 1.12-1.7 1.7-2.6 2.6-3.95 3.95-5.85 5.85-8.2 8.2-12.4
波段
m
23cm
15cm
10cm
6.5cm 4.5cm
3cm
字母
Ku
K
Ka
频率 12.4-18.0 18.0-26.5 26.5-40
波段 2cm
1.4cm 9.5mm
• 集肤效应带来的直接效果是：导体柱内部几乎物，并无能量传输。
微波传输线与低频传输线有着本质的不同：功率是通过导线 之间的空间传输的。导线（Guide Line）只是起到引导的作 用，而实际上传输的是周围空间(Space)。
第12页/共66页
矩形波导： 圆波导： 同轴线： 带线：
TE10
TE01模
射频/微波电路给人们的印象是抽象的概念和繁 琐的公式，射频/微波电路实验可以通过直观的 系统实验让学生了解所学何用。
第10页/共66页
四、射频、微波与低频电路的区别
1. 在直流和低频领域，一般认为金属导线就是一根 连接线,不存在电阻、 电感和电容等寄生参数。 而在射频/微波领域，金属导线不仅具有自身的 电阻和电感或电容,而且还是频率的函数。寄生参 数对电路工作性能的影响十分明显,必须仔细考虑, 谨慎设计,才能得到良好的结果。
实验内容： 1. 匹配网络设计； 2. 衰减器设计； 3. 功率分配器/合成器设计； 4. 微波/射频带通滤波器； 5. 低噪声放大器设计； 6. 微带天线设计； 7. 通信系统链路仿真；
考核方式：现场验收、实验报告
第20页/共66页
第二章、射频电路基础
集总参数元件的射频特性 传输线理论 Smith 圆图 微波网络理论 回波损耗和插入损耗 关于分贝的几个概念
I (z)
IF
V (z)
VF (z)
ZF
z
0
反射系数：
V V
V0e j z V0e j z
Fe j2z
负载反射系数：F
V V
V0
V z 0
0
［性质］ • 反射系数是针对传输线上的某一截面处的反射系数而言的； • 反射系数的模是无耗传输线系统的不变量，在传输线上处处相等； • 反射系数呈二分之一波长周期性；
第22页/共66页
2. 电阻
H
L
W
Ca
L
R
L
Cb
物质的体电阻 R L
WH
Ca：电阻引脚的极板间等效电容； Cb：引线间电容; L ：引线电感
| Z | /
1 03
1 02 理想电阻
1 01
1 00
电容效应
电感效应
电阻的阻抗绝对值与频率的关系
1 0－ 1
1 0－ 2
1
0－
3
1 06
1 07
1 08
0 Zin Zc zin 1
（2）短路负载 ZF 0 F 1 Zin jZc tan( z)
（3）开路负载 ZF
F 1 Zin (z) jZcctg z
第31页/共66页
三、Smith 圆图
阻抗与反射系数是传输线上两个重要的电特性参数。数学公式上的联系 可以简化为图解法。史密斯圆图是将归一化阻抗（z=r+jx）的复数半平面 （r>0）变换到反射系数为1的单位圆（|Γ|=1）内。已知一点的阻抗或反射 系数,用史密斯圆图能方便地算出另一点的归一化阻抗值和对应的反射系数。 史密斯圆图概念清晰,使用方便,广泛用于阻抗匹配电路的设计中。随着近年 来电子版圆图的普及,使得史密斯圆图得到了大量应用。
导航、长距离通信、无线电授时，长波 （1000m-2000m）
广播、传播通信、飞行通信，中波0.2m0.6m
普通RF 到MW
的过渡
MW
band
HF（高频） 3-30MHz
VHF（甚高频） 30-300MHz
UHF（特高频）
3003000MHz
SHF（超高频） 3-30GHz
EHF（极高频） 30-300GHz
第15页/共66页
五、射频电路分析方法
“场”的分析方法：从麦克斯韦方程出发,在特定 边界条件下解电磁波动方程,求得场量的时空变化 规律,分析电磁波沿传输线的各种传输特性；
“路”的分析方法：将传输线作为分布参数电路 处理,用基尔霍夫定律建立传输线方程,求得传输 线上电压和电流的时空变化规律,分析电压和电流 的各种传输特性。
1 09 1 01 0 1 01 1 1 01 2
f / Hz
第23页/共66页
3. 电容
C
L
Rg
Re
L ：引线电感； Rs：引线导体损耗 Re：介质损耗电阻
| Z | /
1 02
1 01
1 00 0－ 1
1
0－
2
1 08
实际电容
理想电容
1 09 f / Hz
1 01 0
1 01 1
第24页/共66页
U 40-60 6.2mm
E
F
G、R
60-90 90-140 140-325
4.2mm 2.7mm 1.5mm
第4页/共66页
二、射频微波主要应用领域
➢ 卫星通信：
C波段：上行6GHz，下行4GHz Ku波段：上行15GHz，下行12GHz 卫星间通信：36GHz
第5页/共66页
➢ 个人通信：
移动GSM900: 905-909MHz,950-954MHz 移动GSM1800: 1710-1720MHz,1805-1815MHz 联通GSM900: 909-915MHz,954-960MHz； 联通GSM1800: 1745-1755MHz,1840-1850MHz 计算机无线网络：2.5GHz，5.8GHz，36GHz
100-10m 10-1m
100-10cm 10-1cm 1-0.1cm
广播、中远距离通信，BBC：6090kHz 广播、移动通信、电视、雷达、导航，西安 音乐台：93.1MHz
与VHF雷同，还用于散射通信、卫星通信
第3页/共66页
有时用特定的字母来代表微波中的某一波段，这些字 母代号起源于早期雷达研究保密的需要.
频率
滤波器 ( LPF, BPF, …) 振荡器
压控振荡器(VCO) 倍频/混频/分频器
阻抗转换器 匹配网络
天线
第18页/共66页
衰减器 ( PADs) 功率分配器 耦合器
放大器 (LNA, PA )
七、射频/微波电路训练 五大要素
设计理论 RF Design
第19页/共66页
八、课程说明
参考书： 《射频/微波电路导论》 雷振亚，西安电子科技大学出版社 《ADS2008射频电路设计与仿真实例》 徐兴福，电子工业出版社
u(z)
u(z+ z)
z
z+ z
Lz
Rz
Cz
Gz
传输线波动方程：
d2I dz 2
2I
I 无耗传输线：
1 Zc
(V0e j z
V0e j z )
V V0e j z V0e j z
=+j (R jL)(G jC) ZY
第28页/共66页
Zc
L C
=j j LC
2、终端带负载的传输线分析
yin
Yin Yc
1 1
归一化阻抗、导纳和 传输线的特性阻抗无 关，即和传输线的形 式无关，本性质为 Smith阻抗圆图与导纳 圆图的基础。
V
max
1
F
V min
1 F
1
1
1
F
第30页/共66页
1 1
I (z)
IF
V (z)
VF (z)
ZF
z
0
（1）终端接匹配负载 ZF Zc
连续波多普勒雷达结构示意图
第9页/共66页
三、为什么要学射频电路专题实验课程
射频/微波电路是构成通信系统、雷达系统和微 波应用系统中的发射机和接收机的关键部件；
新型半导体制造技术的不断发展使得高速数字系 统和高频模拟系统的应用领域不断扩张。计算机 的运算次数进入十亿次，其频率也是微波频率。 超高速集成电路的互耦也是微波互耦问题。微波 的研究已进入集成电路和计算机领域。
RF滤 波器
功率分配器
PAD
RF滤波器
前置 放大器
LNA
Gain Controller
接收天线
IF放大器 IF滤波器
降频器 第8页/共66页
CW 振荡器
耦合器
环形器 f0
天线
f0 f0±fd
速度 显示
v1
检波器1
v2
检波器2
f0
滤波器1 滤波器1
混频器
fd 中放
… … …
vN 检 波 N器
滤 波 N器
矩形波导
圓形波導（cylindrical waveguide）
圆波导
翼片波導（fin line）
加脊波导
介質波導（dielectric waveguide） 光纖（optical fiber)
第27页/共66页
2、基本传输线理论
i(z)
i(z+ z)
到底是用“场”的方法还是用“路”的方法,应由 研究的方便程度来决定。
第16页/共66页
i(z) u(z)
z
Cz
场的方法
i(z+ z) u(z+ z)
z+ z
Lz
Rz
Gz 路的方法
第17页/共66页
六、射频铁三角
由于频率、 阻抗和功率是贯穿射频/微波工程设 计的三大核心指标,故将其称为射频铁三角。它能 够形象地反映射频/微波设计的基本内容。这三方 面既有独立特性,又相互影响。
第26页/共66页
1、常见微波传输线的类型
同軸線（coaxial cable）
同轴线
微條線（microstrip）
微带线
條線（stripline）
带线
平面波導（coplanar waveguide）
共面波导
狹縫傳輸線（slot line）
槽线
懸式微條線（suspended microstrip）
悬式微带线
ELF（极低频） 30-300Hz
101000km
VH(音频）
300-3000Hz 1000-100km
传播损耗小，通信距离远，信号稳定可靠， 渗入地层、海水能力强
VLF（甚低频） 3-30kHz
100-10km
LF（低频） MF（中频）
30-300kHz 10-1km
3003000kHz
10-0.1km
i(z) u(z)
z Lz
i(z+ z) u(z+ z) z+ z Rz
Cz
Gz
传输线等效电路
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2. 射频条件下的电路存在趋肤效应。在直流情况下， 电流在整个导体中流动。而在高频条件下电流 只在导体表面流动。高频的交流电阻要大于直 流电阻；
r0
直流电流均匀分布
r0
微波集肤效应
l=3cm、r0=2mm导线线损耗R： 直流 ：2.07 Ohm 10GHz：2.07*1515 Ohm
4. 电感
Cd
Rd Rd
L
Rs
Cs
Cs：寄生旁路电容 Rs：引线导体损耗 L ：导线电感
| Z | /
1 05 实际电感
1 04
理想电感
1 03
1 02
1 01 1 08
1 09
1 01 0
f / Hz
1 01 1
第25页/共66页
二、传输线理论
微波传输线是用以传输微波信息和能量的各种 形式的传输系统的总称, 它的作用是引导电磁波沿 一定方向传输, 因此又称为导波系统。 其所导引的 电磁波被称为导行波。将截面尺寸、形状、媒质分 布及边界条件均不变的导波系统称为规则导波系统, 又称为均匀传输线。
第6页/共66页
全球定位系统： 1227.60MHz,1575.42MHz 雷达远程警戒：P、L、S、C
精确制导：X、Ka
第7页/共66页
无线通讯系统 射频发、收机电路方块图
发射天线
升频器
功率放大器
IF带通 滤波器
IF放 大器
Base Processor Unit (BPU)
PLL
VCO
PAD
工学射频电路专题实验
会计学
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1
第一章、绪论
常用无线电频段及其应用 射频微波主要应用领域 为什么要学射频电路专题实验课程 射频、微波与低频电路的区别 射频电路分析方法 射频铁三角
射频设计五大要素 实验说明
第2页/共66页
一、常用无线电频段及其应用
频段名称 频率范围 波长(λ=c/f) 传播特性或应用
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I (z)
IF
V (z)
VF (z)
ZF
z
Zin
V I
Zc
ZF jZc Zc jZF
tan( z) tan( z)
0
Yin
1 Zin
Yc
YF jYc Yc jYF
tan( z) tan( z)
Zin Zc Zin Zc
归一化阻抗
zin
Zin Zc
1 1
归一化导纳
微带线：
第13页/共66页
3. 随着频率的增加，当波长与电路尺寸相比拟 时，电路会变为一个辐射体。这时，在电路 之间、电路和外部环境之间会产生各种耦合 效应，因而引出许多干扰问题;
第14页/共66页
4. 由于频率高的特性，许多在中、低频不会发 生的现象纷纷出现，其中因阻抗不匹配所产 生的反射尤为重要，其次线路板上一条线上 的两点间不能再视为“同电位”了，这条线 已由“短路线”变为“传输线”。
第21页/共66页
一、 集总参数元件的射频特性
1. 金属导线
在直流和低频领域,一般认为金属导线就是一根连 接线,不存在电阻、 电感和电容等寄生参数。实际上, 在低频情况下,这些寄生参数很小,可以忽略不计。当 工作频率进入射频/微波范围内时,情况就大不相同。 金属导线不仅具有自身的电阻和电感或电容,而且还是 频率的函数。寄生参数对电路工作性能的影响十分明 显,必须仔细考虑,谨慎设计,才能得到良好的结果。
字母
P
L
Ls
S
C
Xc
X
频率 0.3-1.12 1.12-1.7 1.7-2.6 2.6-3.95 3.95-5.85 5.85-8.2 8.2-12.4
波段
m
23cm
15cm
10cm
6.5cm 4.5cm
3cm
字母
Ku
K
Ka
频率 12.4-18.0 18.0-26.5 26.5-40
波段 2cm
1.4cm 9.5mm
• 集肤效应带来的直接效果是：导体柱内部几乎物，并无能量传输。
微波传输线与低频传输线有着本质的不同：功率是通过导线 之间的空间传输的。导线（Guide Line）只是起到引导的作 用，而实际上传输的是周围空间(Space)。
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矩形波导： 圆波导： 同轴线： 带线：
TE10
TE01模
射频/微波电路给人们的印象是抽象的概念和繁 琐的公式，射频/微波电路实验可以通过直观的 系统实验让学生了解所学何用。
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四、射频、微波与低频电路的区别
1. 在直流和低频领域，一般认为金属导线就是一根 连接线,不存在电阻、 电感和电容等寄生参数。 而在射频/微波领域，金属导线不仅具有自身的 电阻和电感或电容,而且还是频率的函数。寄生参 数对电路工作性能的影响十分明显,必须仔细考虑, 谨慎设计,才能得到良好的结果。
实验内容： 1. 匹配网络设计； 2. 衰减器设计； 3. 功率分配器/合成器设计； 4. 微波/射频带通滤波器； 5. 低噪声放大器设计； 6. 微带天线设计； 7. 通信系统链路仿真；
考核方式：现场验收、实验报告
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第二章、射频电路基础
集总参数元件的射频特性 传输线理论 Smith 圆图 微波网络理论 回波损耗和插入损耗 关于分贝的几个概念
I (z)
IF
V (z)
VF (z)
ZF
z
0
反射系数：
V V
V0e j z V0e j z
Fe j2z
负载反射系数：F
V V
V0
V z 0
0
［性质］ • 反射系数是针对传输线上的某一截面处的反射系数而言的； • 反射系数的模是无耗传输线系统的不变量，在传输线上处处相等； • 反射系数呈二分之一波长周期性；
第22页/共66页
2. 电阻
H
L
W
Ca
L
R
L
Cb
物质的体电阻 R L
WH
Ca：电阻引脚的极板间等效电容； Cb：引线间电容; L ：引线电感
| Z | /
1 03
1 02 理想电阻
1 01
1 00
电容效应
电感效应
电阻的阻抗绝对值与频率的关系
1 0－ 1
1 0－ 2
1
0－
3
1 06
1 07
1 08
0 Zin Zc zin 1
（2）短路负载 ZF 0 F 1 Zin jZc tan( z)
（3）开路负载 ZF
F 1 Zin (z) jZcctg z
第31页/共66页
三、Smith 圆图
阻抗与反射系数是传输线上两个重要的电特性参数。数学公式上的联系 可以简化为图解法。史密斯圆图是将归一化阻抗（z=r+jx）的复数半平面 （r>0）变换到反射系数为1的单位圆（|Γ|=1）内。已知一点的阻抗或反射 系数,用史密斯圆图能方便地算出另一点的归一化阻抗值和对应的反射系数。 史密斯圆图概念清晰,使用方便,广泛用于阻抗匹配电路的设计中。随着近年 来电子版圆图的普及,使得史密斯圆图得到了大量应用。
导航、长距离通信、无线电授时，长波 （1000m-2000m）
广播、传播通信、飞行通信，中波0.2m0.6m
普通RF 到MW
的过渡
MW
band
HF（高频） 3-30MHz
VHF（甚高频） 30-300MHz
UHF（特高频）
3003000MHz
SHF（超高频） 3-30GHz
EHF（极高频） 30-300GHz
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五、射频电路分析方法
“场”的分析方法：从麦克斯韦方程出发,在特定 边界条件下解电磁波动方程,求得场量的时空变化 规律,分析电磁波沿传输线的各种传输特性；
“路”的分析方法：将传输线作为分布参数电路 处理,用基尔霍夫定律建立传输线方程,求得传输 线上电压和电流的时空变化规律,分析电压和电流 的各种传输特性。
1 09 1 01 0 1 01 1 1 01 2
f / Hz
第23页/共66页
3. 电容
C
L
Rg
Re
L ：引线电感； Rs：引线导体损耗 Re：介质损耗电阻
| Z | /
1 02
1 01
1 00 0－ 1
1
0－
2
1 08
实际电容
理想电容
1 09 f / Hz
1 01 0
1 01 1
第24页/共66页
U 40-60 6.2mm
E
F
G、R
60-90 90-140 140-325
4.2mm 2.7mm 1.5mm
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二、射频微波主要应用领域
➢ 卫星通信：
C波段：上行6GHz，下行4GHz Ku波段：上行15GHz，下行12GHz 卫星间通信：36GHz
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➢ 个人通信：
移动GSM900: 905-909MHz,950-954MHz 移动GSM1800: 1710-1720MHz,1805-1815MHz 联通GSM900: 909-915MHz,954-960MHz； 联通GSM1800: 1745-1755MHz,1840-1850MHz 计算机无线网络：2.5GHz，5.8GHz，36GHz
100-10m 10-1m
100-10cm 10-1cm 1-0.1cm
广播、中远距离通信，BBC：6090kHz 广播、移动通信、电视、雷达、导航，西安 音乐台：93.1MHz
与VHF雷同，还用于散射通信、卫星通信
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有时用特定的字母来代表微波中的某一波段，这些字 母代号起源于早期雷达研究保密的需要.
频率
滤波器 ( LPF, BPF, …) 振荡器
压控振荡器(VCO) 倍频/混频/分频器
阻抗转换器 匹配网络
天线
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衰减器 ( PADs) 功率分配器 耦合器
放大器 (LNA, PA )
七、射频/微波电路训练 五大要素
设计理论 RF Design
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八、课程说明
参考书： 《射频/微波电路导论》 雷振亚，西安电子科技大学出版社 《ADS2008射频电路设计与仿真实例》 徐兴福，电子工业出版社
u(z)
u(z+ z)
z
z+ z
Lz
Rz
Cz
Gz
传输线波动方程：
d2I dz 2
2I
I 无耗传输线：
1 Zc
(V0e j z
V0e j z )
V V0e j z V0e j z
=+j (R jL)(G jC) ZY
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Zc
L C
=j j LC
2、终端带负载的传输线分析
yin
Yin Yc
1 1
归一化阻抗、导纳和 传输线的特性阻抗无 关，即和传输线的形 式无关，本性质为 Smith阻抗圆图与导纳 圆图的基础。
V
max
1
F
V min
1 F
1
1
1
F
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1 1
I (z)
IF
V (z)
VF (z)
ZF
z
0
（1）终端接匹配负载 ZF Zc
连续波多普勒雷达结构示意图
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三、为什么要学射频电路专题实验课程
射频/微波电路是构成通信系统、雷达系统和微 波应用系统中的发射机和接收机的关键部件；
新型半导体制造技术的不断发展使得高速数字系 统和高频模拟系统的应用领域不断扩张。计算机 的运算次数进入十亿次，其频率也是微波频率。 超高速集成电路的互耦也是微波互耦问题。微波 的研究已进入集成电路和计算机领域。
RF滤 波器
功率分配器
PAD
RF滤波器
前置 放大器
LNA
Gain Controller
接收天线
IF放大器 IF滤波器
降频器 第8页/共66页
CW 振荡器
耦合器
环形器 f0
天线
f0 f0±fd
速度 显示
v1
检波器1
v2
检波器2
f0
滤波器1 滤波器1
混频器
fd 中放
… … …
vN 检 波 N器
滤 波 N器