微波电路及设计的基础知识

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. 微波电路的电脑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

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：

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：采用别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

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

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

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

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

42 3

1

图28平行耦合线定向耦合器3.1.2 兰格〔Lange〕定向耦合器

14

3 2

68101214

Frequency (GHz)

-35

-25

-15

-5

DB(|S[2,1]|)

Lange Coupler

DB(|S[3,1]|)

Lange Coupler

DB(|S[4,1]|)

Lange Coupler

图29 Lange定向耦合器3.1.3 威尔金森〔Wilkinson〕功分器/合路器

3

2

1

18

19

20

21

22

Frequency (GHz)

Wilkinson Power Divider

-40

-30

-20

-10

DB(|S[1,1]|) ~PD

DB(|S[2,1]|) ~PD

DB(|S[3,1]|)PD

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

9

10

11

12

13

14

15

-80

-60

-40

-20

freq, GHz

d B (S (2,1))

d B (S (1,1))

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