微波毫米波电路分析与设计 课件 第一章 下.
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微波毫米波技术基本知识 ppt课件
可以说，DGS是PBG的一种特例。
微波毫米波技术基本知识
四、国外毫米波器件和系统应用
现代武器装备的需求促进了毫米波技术 的发展，毫米波技术发展的需要又带动 了半导体和微电子电路技术和工艺的进 步，使毫米波技术成为当今一门知识密 集的综合性技术学科，国外毫米波设备 快速发展，每年以30%-40%的速度增长， 成为军事电子领域的“ 朝阳”产业。
开波导
介质棒波导，哥保线
表面波传输线…特定的频 介质镜象线，光纤
率和波型
微波毫米波技术基本知识
微波集成电路传输线
带状线 ( stripoline ) 微带线（Microstrip） 悬置带线（suspended stripline） 共面线（coplanar line）
微波毫米波技术基本知识
微波集成电路传输线
计算电磁学及其应用
★随着集成密度的增加和工作频率的提高，设计者 必须认真对待互连和封装中的各种电磁效应问题， 如电路间的互耦，寄生谐振，电磁干扰和电磁兼容 性等问题。 ★在电磁场与微波技术学科中，以电磁场理论为基 础，以高性能计算技术为手段，运用计算数学提供 的各种方法，诞生了一门解决复杂电磁场理论和工 程问题的应用科学－计算电磁学(computational electromagnetics)
60GHz, 1W, PAE=20%, 60GHz，3.8W, 31dB，8个模块合成 95GHz, 480mW, PAE=20% TRW公司InP HEMT低噪声MMIC： 170－200GHz, G=15dB, Nf=4.8dB
微波毫米波技术微波毫米波技术基本知识基本知识2004年3月提纲提纲无线电频段划分无线电频段划分射频和微波传输线射频和微波传输线国外毫米波器件和系统应用国外毫米波器件和系统应用一无线电频段划分一无线电频段划分名称长波中波短波超短波微波频率15100khz1001500khz1530mhz30300mhz300以上波长20km3km3km200m200m10m10m1m1m以下微波频段划分微波频段划分uhfuhf名称频率225390mhz039155mhz15539ghz3969ghz69124ghz12418ghz18265ghz波长1332769cm769193cm193769cm769435cm435242cm242167cm167113cm毫米波频段毫米波频段ehfehf名称ka频率ghz2654033504060507560907511090140110170140220波长mm1137591675564533427332127172114大气透明窗口
微波毫米波技术基本知识
四、国外毫米波器件和系统应用
现代武器装备的需求促进了毫米波技术 的发展，毫米波技术发展的需要又带动 了半导体和微电子电路技术和工艺的进 步，使毫米波技术成为当今一门知识密 集的综合性技术学科，国外毫米波设备 快速发展，每年以30%-40%的速度增长， 成为军事电子领域的“ 朝阳”产业。
开波导
介质棒波导，哥保线
表面波传输线…特定的频 介质镜象线，光纤
率和波型
微波毫米波技术基本知识
微波集成电路传输线
带状线 ( stripoline ) 微带线（Microstrip） 悬置带线（suspended stripline） 共面线（coplanar line）
微波毫米波技术基本知识
微波集成电路传输线
计算电磁学及其应用
★随着集成密度的增加和工作频率的提高，设计者 必须认真对待互连和封装中的各种电磁效应问题， 如电路间的互耦，寄生谐振，电磁干扰和电磁兼容 性等问题。 ★在电磁场与微波技术学科中，以电磁场理论为基 础，以高性能计算技术为手段，运用计算数学提供 的各种方法，诞生了一门解决复杂电磁场理论和工 程问题的应用科学－计算电磁学(computational electromagnetics)
60GHz, 1W, PAE=20%, 60GHz，3.8W, 31dB，8个模块合成 95GHz, 480mW, PAE=20% TRW公司InP HEMT低噪声MMIC： 170－200GHz, G=15dB, Nf=4.8dB
微波毫米波技术微波毫米波技术基本知识基本知识2004年3月提纲提纲无线电频段划分无线电频段划分射频和微波传输线射频和微波传输线国外毫米波器件和系统应用国外毫米波器件和系统应用一无线电频段划分一无线电频段划分名称长波中波短波超短波微波频率15100khz1001500khz1530mhz30300mhz300以上波长20km3km3km200m200m10m10m1m1m以下微波频段划分微波频段划分uhfuhf名称频率225390mhz039155mhz15539ghz3969ghz69124ghz12418ghz18265ghz波长1332769cm769193cm193769cm769435cm435242cm242167cm167113cm毫米波频段毫米波频段ehfehf名称ka频率ghz2654033504060507560907511090140110170140220波长mm1137591675564533427332127172114大气透明窗口
《微波电路》课件
高频段、大带宽
随着信息技术的不断发展，微 波电路的工作频率和传输带宽
也在不断增大。
集成化、小型化
随着微电子技术的发展，微波 电路的集成化程度越来越高， 体积越来越小。
多功能化
微波电路正向着多功能化的方 向发展，如同时处理多种信号 、实现多种功能等。
低成本、低功耗
随着市场竞争的加剧，低成本 、低功耗的微波电路成为研究
测试技术
微波电路的测试包括信号源测试、接 收机测试和系统测试等。信号源测试 主要是测试信号源的频率、功率和调 制等特性；接收机测试主要是测试接 收机的灵敏度、动态范围和抗干扰能 力等特性；系统测试主要是将微波电 路与其他系统进行集成测试，验证整 个系统的性能和功能。
05
微波电路的典型应用案例
微波通信系统中的微波电路
微波电路与生物医学工程 的融合
生物医学工程中的无损检测、生物传感器等 技术需要利用微波电路进行信号传输和处理 ，这种交叉融合有助于推动两个领域的共同
发展。
THANKS
感谢观看
系统误差
系统误差是由测量系统的硬件设备、线路损耗、连接器失 配等因素引起的误差。这些误差可以通过校准和修正来减 小。
方法误差
方法误差是由测量方法本身引起的误差，如信号源的频率 稳定度、测量接收机的动态范围等。这些误差可以通过选 择合适的测量方法和条件来减小。
微波电路的调试与测试技术
调试与测试的重要性
新型微波半导体材料
新型微波半导体材料如宽禁带半导体材料（如硅碳化物和氮 化镓）具有高电子迁移率和化学稳定性，为微波电路的发展 提供了新的可能性。
新型微波器件在微波电路中的应用
新型微波电子器件
随着微电子技术的不断发展，新型微波 电子器件如微波晶体管、微波集成电路 等不断涌现，这些器件具有体积小、重 量轻、可靠性高等优点，在雷达、通信 、导航等领域得到广泛应用。
随着信息技术的不断发展，微 波电路的工作频率和传输带宽
也在不断增大。
集成化、小型化
随着微电子技术的发展，微波 电路的集成化程度越来越高， 体积越来越小。
多功能化
微波电路正向着多功能化的方 向发展，如同时处理多种信号 、实现多种功能等。
低成本、低功耗
随着市场竞争的加剧，低成本 、低功耗的微波电路成为研究
测试技术
微波电路的测试包括信号源测试、接 收机测试和系统测试等。信号源测试 主要是测试信号源的频率、功率和调 制等特性；接收机测试主要是测试接 收机的灵敏度、动态范围和抗干扰能 力等特性；系统测试主要是将微波电 路与其他系统进行集成测试，验证整 个系统的性能和功能。
05
微波电路的典型应用案例
微波通信系统中的微波电路
微波电路与生物医学工程 的融合
生物医学工程中的无损检测、生物传感器等 技术需要利用微波电路进行信号传输和处理 ，这种交叉融合有助于推动两个领域的共同
发展。
THANKS
感谢观看
系统误差
系统误差是由测量系统的硬件设备、线路损耗、连接器失 配等因素引起的误差。这些误差可以通过校准和修正来减 小。
方法误差
方法误差是由测量方法本身引起的误差，如信号源的频率 稳定度、测量接收机的动态范围等。这些误差可以通过选 择合适的测量方法和条件来减小。
微波电路的调试与测试技术
调试与测试的重要性
新型微波半导体材料
新型微波半导体材料如宽禁带半导体材料（如硅碳化物和氮 化镓）具有高电子迁移率和化学稳定性，为微波电路的发展 提供了新的可能性。
新型微波器件在微波电路中的应用
新型微波电子器件
随着微电子技术的不断发展，新型微波 电子器件如微波晶体管、微波集成电路 等不断涌现，这些器件具有体积小、重 量轻、可靠性高等优点，在雷达、通信 、导航等领域得到广泛应用。
微波电路西电雷振亚老师的课件1章射频微波工程介绍市公开课金奖市赛课一等奖课件
第4页
第1章 射频/微波工程介绍 表1-1
第5页
第1章 射频/微波工程介绍 以上这些波段划分并不是惟一,还有其它许多不同
划分方法,它们分别由不同学术组织和政府机构提出,甚 至还在相同名称代号下有不同范围,因此波段代号只是 大致频谱范围。其次,以上这些波段分界也并不严格,工 作于分界线两边临近频率系统并没有质和量上跃变,这 些划分完全是人为,
作为工科电子类专业学生,有必要掌握这方面知识。
第9页
第1章 射频/微波工程介绍 表1-3
第10页
第1章 射频/微波工程介绍
普通地,射频/微波技术所涉及无线电频谱是表 11 中甚高频(VHF)到毫米波段或者P波段到毫米波段很 宽范围内无线电信号发射与接受设备工作频率。详细 地,这些技术涉及信号产生、 调制、 功率放大、 辐 射、 接受、 低噪声放大、 混频、 解调、 检测、 滤波、 衰减、 移相、 开关等各个模块单元设计和生 产。它基本理论是典型电磁场理论。研究电磁波沿传 播线克斯韦方程出发,在特定边界条件下解电磁 波动方程,求得场量时空改变规律,分析电磁波沿线各 种传播特性；
这些电路测量仪器有频谱分析仪、 频率计数器、 功率计、 网络分析仪等。
第23页
第1章 射频/微波工程介绍
2.
功率用来描述射频/微波信号能量大小。全部电路或系
统设计目标都是实现射频/
影响射
频/微波信号功率主要电路有:
(1) 衰减器: 控制射频/微波信号功率大小。通常由有耗 材料（电阻性材料）组成, 有固定衰减量和可调衰减量之分。
第22页
第1章 射频/微波工程介绍
(2) 频率变换器: 将一个或两个频率信号变为另一 个所希望频率信号,如分频器、 变频器、 倍频器、 混 频器等。
第1章 射频/微波工程介绍 表1-1
第5页
第1章 射频/微波工程介绍 以上这些波段划分并不是惟一,还有其它许多不同
划分方法,它们分别由不同学术组织和政府机构提出,甚 至还在相同名称代号下有不同范围,因此波段代号只是 大致频谱范围。其次,以上这些波段分界也并不严格,工 作于分界线两边临近频率系统并没有质和量上跃变,这 些划分完全是人为,
作为工科电子类专业学生,有必要掌握这方面知识。
第9页
第1章 射频/微波工程介绍 表1-3
第10页
第1章 射频/微波工程介绍
普通地,射频/微波技术所涉及无线电频谱是表 11 中甚高频(VHF)到毫米波段或者P波段到毫米波段很 宽范围内无线电信号发射与接受设备工作频率。详细 地,这些技术涉及信号产生、 调制、 功率放大、 辐 射、 接受、 低噪声放大、 混频、 解调、 检测、 滤波、 衰减、 移相、 开关等各个模块单元设计和生 产。它基本理论是典型电磁场理论。研究电磁波沿传 播线克斯韦方程出发,在特定边界条件下解电磁 波动方程,求得场量时空改变规律,分析电磁波沿线各 种传播特性；
这些电路测量仪器有频谱分析仪、 频率计数器、 功率计、 网络分析仪等。
第23页
第1章 射频/微波工程介绍
2.
功率用来描述射频/微波信号能量大小。全部电路或系
统设计目标都是实现射频/
影响射
频/微波信号功率主要电路有:
(1) 衰减器: 控制射频/微波信号功率大小。通常由有耗 材料（电阻性材料）组成, 有固定衰减量和可调衰减量之分。
第22页
第1章 射频/微波工程介绍
(2) 频率变换器: 将一个或两个频率信号变为另一 个所希望频率信号,如分频器、 变频器、 倍频器、 混 频器等。
微波电路西电雷振亚老师的课件1章射频微波工程介绍
射频微波工程的重要性
通信技术发展
随着通信技术的不断发展，射频微波 工程在移动通信、卫星通信、物联网 等领域发挥着至关重要的作用。
国家安全
科学研究
射频微波工程在物理学、化学、生物 学等基础学科的研究中也有广泛应用 ，为科学研究提供了重要的工具和手 段。
在军事和国防领域，射频微波技术对 于雷达探测、电子战和通信系统具有 重要意义，直接关系到国家安全。
各种参数。
测量流程
03
包括信号源校准、信号传输、接收和处理等步骤，以确保测量
结果的准确性和可靠性。
04
射频微波工程案例分析
无线通信系统中的射频微波电路设计
无线通信系统概述：无线通信系统是利用电磁波 进行信息传输的系统，包括移动通信、无线局域 网、蓝牙等。
无线通信系统中射频微波电路设计的挑战：无线 通信系统中的射频微波电路设计面临许多挑战， 如信号干扰、多径效应、频谱拥挤等。
雷达系统中的射频微波电路设计
雷达系统概述
雷达是一种利用电磁波探测目标的系统，广泛应用于军事、气象、航 空等领域。
射频微波电路设计在雷达系统中的作用
在雷达系统中，射频微波电路设计主要负责发射和接收电磁波，并进 行信号处理和分析。
雷达系统中射频微波电路设计的挑战
雷达系统中射频微波电路设计面临许多挑战，如电磁波的传播特性、 目标反射特性、干扰等。
电路仿真软件
如Multisim、PSPICE等，用于模拟电路的工作状 态和性能。
仿真设计流程
包括建立电路模型、设置参数、进行仿真分析和 优化等步骤，以提高射频微波电路的性能。
微波测量技术
测量原理
01
基于电磁波传播和散射的原理，研究微波信号的测量方法和技
微波课件第1.1节)
A1 ez cos(t z) A2 ez cos(t z)
结论
传输线上任意点上的电压和电流都由二部分组成，在任一点处电压或
电流均由沿-z方向传播的入射波和沿+z方向传播的反射波叠加而成。
不管是入射波还是反射波，它们都是行波。
行波在传播过程中其幅度按ez 衰减，称 为衰减常数。而相位随z 连续滞后z ，故称 为相位常数。
《微波技术与天线》
第一章 均匀传输线理论之•均匀传输线方程及其解
第二类是均匀填充介质的金属波导管，因电磁波在管内 传播，故称为波导，主要包括矩形波导、圆波导、脊形波 导和椭圆波导等。
第三类是介质传输线，因电磁波沿传输线表面传播， 故称为表面波波导，主要包括介质波导、镜像线和单 根表面波传输线等。
《微波技术与天线》
第一章 均匀传输线理论之•均匀传输线方程及其解
2. 均匀传输线方程
当高频电流通过传输线时，在传输线上有：
导线将产生热耗，这表明导线具有分布电阻； 在周围产生磁场，即导线存在分布电感； 由于导线间绝缘不完善而存在漏电流，表明沿线各处有分布电导； 两导线间存在电压，其间有电场，导线间存在分布电容。
通解为
U z A1ez A2ez
I z A1ez A2ez Z0
Z0 (R jL) /(G jC)称为传输线的特性阻抗。 A1 , A2 为积分常数，由边界条件决定。
《微波技术与天线》
第一章 均匀传输线理论之•均匀传输线方程及其解
传输线的边界条件通常有以下三种
已知始端电压和始端电流Ui、Ii 已知终端电压和终端电流Ul、Il
《微波技术与天线》
第一章 均匀传输线理论之•均匀传输线方程及其解
5. 传输线的工作特性参数
射频微波电路导论 课件(西电版)第1章
射频电路布线与PCB制作
高功率发射电路远离低功率接收电路 〃保证充足的物理空间 〃布置在PCB板的两面 〃加金属屏蔽罩
射频电路布线与PCB制作
布线时作为常规应考虑以下基本原则 1、射频器件管脚间引线越短越好 2、可靠的接地是器件稳定工作的保证 3、射频信号间避免近距离平行走线，射频 输出远离射输入 4、保证印制板导线最小宽度 因设计条件的制约无法实施常规准则时，必须学会 进折中处理
ΓOUT = S’22
ΓL
' S22 S22
RL
放大器电路方块图
S12 S21S 1 S11S
小信号放大器设计步骤
小信号放大器设计步骤
1.根据指标选择适当晶体管 2.设计直流偏置电路 3.测量晶体管的S参数 3.判断稳定性 4.根据单向化系数确定单、双向化设计 5.设计输入输出匹配网络 ①最大增益设计 ②等增益设计 ③最佳噪声设计
两大步骤：布局、布线
布局 布局是设计中一个重要的环节，合理的布局是 PCB设计成功的第一步，是实现一个优秀RF设 计的关键。 布局规则 1、设置去耦电容 2、确保射频信号路径最短 3、高功率发射电路远离低功率接收电路
射频电路布线与PCB制作
电源设置去耦电容
射频电路布线
与PCB制作
确定射频信号最短路径
射频模块
项次 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 OPEN/SHORT/THRU п 型 T 型阻抗匹配器 电阻式功率分配器 威尔金森微带功率分配器 п 型 T 型衰减器 L－C 定向耦合器 微带线定向耦合器 滤波器 放大器 振荡器 压控振荡器 变频器，倍频器 混频器 微波控制电路 天线 模块
平行线定向耦合器的应用
微波毫米波电路分析与设计PPT
• 微波单片集成电路（MMIC） —利用单片集成工 艺将微波电路制作在一个半导体芯片上
优点：无需调整即可满足指标 可大量生产
集成电路的发明者：德州仪器公司
杰克·基尔比（Jack Kilby）1958年9月
微波毫米波电路分析与设计
17
1958年9月，美国德州仪器公司的青年工程师杰克·基尔比（Jack Kilby）， 成功地将包括锗晶体管在内的五个元器件集成在一起，基于锗材料制作了一 个叫做相移振荡器的简易集成电路，并于1959年2月申请了小型化的电子电 路专利（专利号为No.31838743，批准时间为1964年6月26日），这就是世界 上第一块锗集成电路。
• 20世纪五六十年代后，微波半导体器件出现
• 金属半导体二极管、硅双极晶体管、砷化镓金属半导体场效应管、雪崩 二极管、耿氏二极管、隧道二极管和PIN管
晶体管的发明人——肖克莱、巴丁、布拉顿 1947年 1956年获诺贝尔物理学奖
微波毫米波电路分析与设计
16
• 微波混合集成电路（MIC）—利用平面微波传输 线和薄膜淀积与光刻技术制作而成
Applications, 电子工业出版社（中、英本）
微波毫米波电路分析与设计
25
本课程的练习和考核方式
Hale Waihona Puke n 考核方式： n 平时考查（30%）：
学生到课、听 课、作业、 课堂问答等
n 期末考试（70%）： n 成绩评定依据 ：
闭卷考试
平时考查和期末考试综合考虑
微波毫米波电路分析与设计
26
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微波毫米波电路分析与设计
27
7
蜂窝电话系统 微波频率高，频带宽 信息容量大
优点：无需调整即可满足指标 可大量生产
集成电路的发明者：德州仪器公司
杰克·基尔比（Jack Kilby）1958年9月
微波毫米波电路分析与设计
17
1958年9月，美国德州仪器公司的青年工程师杰克·基尔比（Jack Kilby）， 成功地将包括锗晶体管在内的五个元器件集成在一起，基于锗材料制作了一 个叫做相移振荡器的简易集成电路，并于1959年2月申请了小型化的电子电 路专利（专利号为No.31838743，批准时间为1964年6月26日），这就是世界 上第一块锗集成电路。
• 20世纪五六十年代后，微波半导体器件出现
• 金属半导体二极管、硅双极晶体管、砷化镓金属半导体场效应管、雪崩 二极管、耿氏二极管、隧道二极管和PIN管
晶体管的发明人——肖克莱、巴丁、布拉顿 1947年 1956年获诺贝尔物理学奖
微波毫米波电路分析与设计
16
• 微波混合集成电路（MIC）—利用平面微波传输 线和薄膜淀积与光刻技术制作而成
Applications, 电子工业出版社（中、英本）
微波毫米波电路分析与设计
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本课程的练习和考核方式
Hale Waihona Puke n 考核方式： n 平时考查（30%）：
学生到课、听 课、作业、 课堂问答等
n 期末考试（70%）： n 成绩评定依据 ：
闭卷考试
平时考查和期末考试综合考虑
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7
蜂窝电话系统 微波频率高，频带宽 信息容量大
微波毫米波电路分析与设计 课件 第一章 下
方案一：
g 4
Zc
R in
方案二：
g 4
l支 Zl Zc l支
Z c支
Zl
Z c支
R in R in 支
Z l R l jX
Y l G l jB l
Im Z in 支 ＝ Z c 支
l
Z
c支
X l tg l 支
X
l
＋ Z c 支 tg l 支 － R l tg l 支
电光学院通信工程系
微带线滤波器
用微带结构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。 例：电感输入的五节低通滤波器的微带线图，截止频率 f c 5 . 0 GHz ， 通带内最大衰减 L Ar 0 . 1dB ，在f s 10 . 0 GHz 时带外衰减 L A 30 . 0 dB ； 输入、输出微带线特性阻抗为 50 ；采用RT/Dourid5880基片材料。
Yc
L
r 2 n 1 Y c
Q0
rC
G
1
r LG
g
1.6.2 终端开路微带线谐振器
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 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。
1.6.3 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 形式。
微带线阻抗变换器与阻抗匹配网络
l1
z in支
g
③
④
z短
23
南京理工大学
设计线特性阻抗 Z c1 和 Z c 1 ： 设 l 1 g 4 、 3 8 ，则有： l1 g
g 4
Zc
R in
方案二：
g 4
l支 Zl Zc l支
Z c支
Zl
Z c支
R in R in 支
Z l R l jX
Y l G l jB l
Im Z in 支 ＝ Z c 支
l
Z
c支
X l tg l 支
X
l
＋ Z c 支 tg l 支 － R l tg l 支
电光学院通信工程系
微带线滤波器
用微带结构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。 例：电感输入的五节低通滤波器的微带线图，截止频率 f c 5 . 0 GHz ， 通带内最大衰减 L Ar 0 . 1dB ，在f s 10 . 0 GHz 时带外衰减 L A 30 . 0 dB ； 输入、输出微带线特性阻抗为 50 ；采用RT/Dourid5880基片材料。
Yc
L
r 2 n 1 Y c
Q0
rC
G
1
r LG
g
1.6.2 终端开路微带线谐振器
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 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。
1.6.3 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 形式。
微带线阻抗变换器与阻抗匹配网络
l1
z in支
g
③
④
z短
23
南京理工大学
设计线特性阻抗 Z c1 和 Z c 1 ： 设 l 1 g 4 、 3 8 ，则有： l1 g
微波毫米波电路分析与设计PPT
n 《微波固态电路》 电子科技大学出版社 喻梦霞， 李桂萍 编著
n 言华等， 微波固态电路，北京理工大学出版社 n 罗先明等，微波有源电路，人民邮电出版社 n 武国机，微波器件与电路，国防工业出版社 n 周月臣，微波电路，北京邮电学院出版社 n 李绪益，微波技术与微波电路，华南理工大学出版社 n R.Ludwig,P.Bretcho, RF circuit Design-Theory and
Applications, 电子工业出版社（中、英本）
微波毫米波电路分析与设计
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本课程的练习和考核方式
n 考核方式： n 平时考查（30%）：
学生到课、听 课、作业、 课堂问答等
n 期末考试（70%）： n 成绩评定依据 ：
闭卷考试
平时考查和期末考试综合考虑
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微波毫米波电路分析与设计
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微波毫米波电路分析与设计
14
微波电子电路与固态电路
• 微波电子电路—泛指构成微波系统中
各种功能模块的元器件与电路结构，也 称为有源电路。
• 无源电路—传输线和其他无源元件组
成的电路
• 固态电路—以半导体管为核心组成的
微波电子电路
微波毫米波电路分析与设计
15
微波电子电路与固态电路
• 20世纪五六十年代前，微波领域几乎全部使用电真空器件（电子 管），包括速调管、行波管、返波管、磁控管和正交场放大管
微波毫米波电路分析与设计
18
微波固态电路的优点
• 系统可靠性高
• 平均无故障时间达到105-106s
• 固态电路体积小、重量轻 • 成本低，且一致性好 • 系统设计快速简便
n 言华等， 微波固态电路，北京理工大学出版社 n 罗先明等，微波有源电路，人民邮电出版社 n 武国机，微波器件与电路，国防工业出版社 n 周月臣，微波电路，北京邮电学院出版社 n 李绪益，微波技术与微波电路，华南理工大学出版社 n R.Ludwig,P.Bretcho, RF circuit Design-Theory and
Applications, 电子工业出版社（中、英本）
微波毫米波电路分析与设计
25
本课程的练习和考核方式
n 考核方式： n 平时考查（30%）：
学生到课、听 课、作业、 课堂问答等
n 期末考试（70%）： n 成绩评定依据 ：
闭卷考试
平时考查和期末考试综合考虑
微波毫米波电路分析与设计
26
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微波毫米波电路分析与设计
27
微波毫米波电路分析与设计
14
微波电子电路与固态电路
• 微波电子电路—泛指构成微波系统中
各种功能模块的元器件与电路结构，也 称为有源电路。
• 无源电路—传输线和其他无源元件组
成的电路
• 固态电路—以半导体管为核心组成的
微波电子电路
微波毫米波电路分析与设计
15
微波电子电路与固态电路
• 20世纪五六十年代前，微波领域几乎全部使用电真空器件（电子 管），包括速调管、行波管、返波管、磁控管和正交场放大管
微波毫米波电路分析与设计
18
微波固态电路的优点
• 系统可靠性高
• 平均无故障时间达到105-106s
• 固态电路体积小、重量轻 • 成本低，且一致性好 • 系统设计快速简便
Mw-1.微波课件].ppt
![Mw-1.微波课件].ppt](https://img.taocdn.com/s3/m/0a189ee3856a561252d36f4c.png)
(1.2.11a)
U l I l Z 0 j (t z ) U l I l Z 0 j (t z ) U ( z, t ) e e 2 2 U l I l Z 0 j (t z ) U l I l Z 0 j (t z ) (1.2.11b) I ( z, t ) e e 2Z 0 2Z 0
2 2 L1C , j 无耗传输线的传播常数; L1C1 ) 无耗传输线的相移常数;
Z0 L1 无耗传输线的特性阻抗. C1
(1.2 11) (1.2 12)
如果给定边界条件:在末端负载处,即
Ul z 0,U (0) U l , I (0) I l , Z l . Il
应用欧拉公式： e jz cos z j sin z
e jz cos z j sin z
(2).特解(三角函数的形式)：
(1.2.11)可以写成
U ( z ) U l cos z jIl Z 0 sin z I ( z ) j U l sin z I cos z l Z0
(1.2.1)
z 0
u ( z, t ) i ( z, t ) L1 z t
(1.2.3)
由基尔霍夫定律（电流定律：节点电流为 零）有
u ( z, t ) i ( z z, t ) C1z i( z, t ) 0 t
z 0 i ( z , t ) u ( z , t ) C1 z t
(m) 10
8
3 10 10
5
3
3 10 10
2
6
3 10 10
-1
9
3 10 10
-4
微波毫米波会议PPT
3 毫米波八等分功分器
• 经测试，毫米波八等分功分器输入端包括同轴接 头的驻波系数小于1.8 输出端端小于1.9，各端口 隔离度大于18dB，插损小于11.5dB 。整体来说仍 达到实际应用的要求。
4 毫米波八通道发射模块测试
图3 发射模块输入驻波系数（最大输入驻波系数1.9）
4 毫米波八通道发射模块测试
• 本发射模块的外形尺寸为55mm×42.2mm×4.1mm。通道的宽度仅为 4.2mm，装配难度很大。实现高密度组装主要依靠尺寸小、性能优良 的微波单片集成电路（MMIC）和多芯片模块微组装技术。
3 毫米波八等分功分器
• 毫米波八等分功分器要将信号等幅同相地 分配到八个通道内。
• 威尔金森功分器结构简单，适用性强。本 发射模块工作频率范围为25-31GHz，相对 带宽21.4％，为尽可能缩小体积，可选用单 级二进制威尔金森功分器来实现。
毫米波宽频带八通道发射模块
张雄建 黄家栋 周晓明 施耀新 （深圳华达微波科技有限公司 卫星通 信射频传输技术工程实验室 深圳 ）
1 引言
• 毫米波具有频带宽，能传送更多信息的特点。由于毫米波 波长短，天线波束窄，天线孔径较小，增益高，不易受电 磁干扰等优点，使得毫米波成为通信技术开发的热门频段。
• 相控阵天线在雷达和通信系统中得到了越来越多的应用。 通常，毫米波相控阵天线需要更高密度的集成。由于微波 单片集成电路MMIC和多芯片组件MCM，使得毫米波相控 阵天线可以更好地满足体积小、重量轻、成本低、高可靠 的要求。
基于砖块式的纵向集成和横向组装 基于瓦片式横向集成纵向组装。
2 毫米波发射模块的组成与设计
• 通信系统中很多采用收发分开体制的天线，收发组件分成 发射模块和接收模块两部分。
微波课件第.节
2020/3/3
标准波导BJ-32各模式截止波长图
2020/3/3
单模传输区域
截止区
[例2-1]设某矩形波导的尺寸为a=8cm,b=4cm，试
求工作频率在3GHz时该波导能传输的模式。
解：由f=3GHz得 c 10(cm)
f
而各模式的截止波长为
cTE10 2a16(cm) cTE20 acTE01 2b8(cm)
E y
j
m 1 n 1
k
2 c
nπ b
E mn
sin
mπ a
x cos
nπ b
y e jz
Hx
m 1 n 1
j
k
2 c
nπ b
E mn
sin
mπ a
x cos
nπ b
y e jz
a
x
H
x
ja π
H 10
sin
a
x
H
z
H 10
cos
a
x
Ex Ez H y 0
2020/3/3
TE10模场分布沿纵向传播瞬时图
2020/3/3
TE10模场分布横截面上瞬时图
2020/3/3
场强与y无关，各分量沿y轴均匀分布，沿x方向的变
其中，A1 、A2 、 B1 及B2为待定系数，由边界条件确定。
Hz应满足的边界条件为
H z x
|x0
H z x
|xa 0
H z y
|y0
H z y
|yb 0
精品课件-微波技术基础(廖承恩)-第1章
封闭金属波导使电磁波能量完全限制在金属管内沿轴向传 播，其导行波是横电(TE)波和横磁(TM)波。
开波导使电磁波能量约束在波导结构的周围(波导内和波 导表面附近)沿轴向传播，其导行波是表面波。
第1章 引论
● 导模(guided mode) 导行波的模式，又称传输模、 正规模，是能够沿导行系统独立存在的场型。其特点是: ①在 导行系统横截面上的电磁场呈驻波分布，且是完全确定的。这 一分布与频率无关，并与横截面在导行系统上的位置无关；② 导模是离散的，具有离散谱；当工作频率一定时，每个导模具 有唯一的传播常数；③导模之间相互正交，彼此独立，互不耦 合；④具有截止特性，截止条件和截止波长因导行系统和模式 而异。
第1章 引论
第1章 引论
从电子学和物理学的观点看，微波这段电磁谱具有不同于 其它波段的如下重要特点:
● 似光性和似声性 微波的波长很短，比地球上一般物 体(如飞机、舰船、汽车、坦克、火箭、导弹、建筑物等)的尺 寸相对要小得多，或在同一量级。这使微波的特点与几何光学 相似，即所谓似光性。因此，使用微波工作，能使电路元件尺 寸减小；使系统更加紧凑；可以设计制成体积小、波束很窄、 方向性很强、增益很高的天线系统，接收来自地面或宇宙空间 各种物体反射回来的微弱信号，从而确定物体的方位和距离， 分析目标的特征。
第1章 引论
第1章 引 论
1.1 微波及其特点 1.2 微波的应用 1.3 本书的内容框图 1.4 导行波及其一般传输特性 本章提要 习题
第1章 引论
1.1 微波及其特点 就现代微波理论和技术的研究和发展而论，微波 (microwave)是指频率从300 MHz至3 000 GHz范围内的电磁波， 其相应的波长从1 m至0.1 mm。这段电磁频谱包括分米波(频率 从300 MHz至3 000 MHz)、厘米波(频率从3 GHz至30 GHz)、 毫米波(频率从30 GHz至300 GHz)和亚毫米波(频率从300 GHz 至3 000 GHz)四个波段。 在雷达、通信及常规微波技术中，常用拉丁字母代号表示 微波的分波段。表1.1- 1(a)、(b)分别示出常用微波分波段代 号和家用电器的频段。
开波导使电磁波能量约束在波导结构的周围(波导内和波 导表面附近)沿轴向传播，其导行波是表面波。
第1章 引论
● 导模(guided mode) 导行波的模式，又称传输模、 正规模，是能够沿导行系统独立存在的场型。其特点是: ①在 导行系统横截面上的电磁场呈驻波分布，且是完全确定的。这 一分布与频率无关，并与横截面在导行系统上的位置无关；② 导模是离散的，具有离散谱；当工作频率一定时，每个导模具 有唯一的传播常数；③导模之间相互正交，彼此独立，互不耦 合；④具有截止特性，截止条件和截止波长因导行系统和模式 而异。
第1章 引论
第1章 引论
从电子学和物理学的观点看，微波这段电磁谱具有不同于 其它波段的如下重要特点:
● 似光性和似声性 微波的波长很短，比地球上一般物 体(如飞机、舰船、汽车、坦克、火箭、导弹、建筑物等)的尺 寸相对要小得多，或在同一量级。这使微波的特点与几何光学 相似，即所谓似光性。因此，使用微波工作，能使电路元件尺 寸减小；使系统更加紧凑；可以设计制成体积小、波束很窄、 方向性很强、增益很高的天线系统，接收来自地面或宇宙空间 各种物体反射回来的微弱信号，从而确定物体的方位和距离， 分析目标的特征。
第1章 引论
第1章 引 论
1.1 微波及其特点 1.2 微波的应用 1.3 本书的内容框图 1.4 导行波及其一般传输特性 本章提要 习题
第1章 引论
1.1 微波及其特点 就现代微波理论和技术的研究和发展而论，微波 (microwave)是指频率从300 MHz至3 000 GHz范围内的电磁波， 其相应的波长从1 m至0.1 mm。这段电磁频谱包括分米波(频率 从300 MHz至3 000 MHz)、厘米波(频率从3 GHz至30 GHz)、 毫米波(频率从30 GHz至300 GHz)和亚毫米波(频率从300 GHz 至3 000 GHz)四个波段。 在雷达、通信及常规微波技术中，常用拉丁字母代号表示 微波的分波段。表1.1- 1(a)、(b)分别示出常用微波分波段代 号和家用电器的频段。
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相当于并联谐振，为四分之一波长并联谐振器 。
2
南京理工大学
1 半波长串联谐振器
1 Z串 R jX R jL C
电光学院通信工程系
微带线谐振器
Z in Z串
R
n g Z c 2
半波长串联谐振器等效电路
Z c dtgl Z c l d tgl Z c 1 ng 1 L 2 d r 2 v d l r 2 v 2 cos2 l r 1 2r nZ c
形阻抗变换器
反 形阻抗变换器
19
南京理工大学
电光学院通信工程系
微带线阻抗变换器与阻抗匹配网络
形阻抗变换器
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 于主线和支线线宽）。设计中既可以确定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。
利用阻抗（导纳）圆图，设计线长度 l1 和 l1 ： 1. 设Z c1 Z c1 Z c 0 ，在主线圆图上标注出对应于 Z l 和 Z in 归一化值的 z l 和 z in ，分别为阻抗变换的出发点和目标点，
1.8.2 四分之一波长阶梯阻抗变换器
为加宽带宽，常采用多节阶梯阻抗变换器：
l1
R0 1
R1
l2 R2
R3 R
1.8.3 渐变线阻抗变换器
l
R0 1
Rl R
18
南京理工大学
1.8.4 单株线阻抗变换器
电光学院通信工程系
微带线阻抗变换器与阻抗匹配网络
单株线阻抗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 线长度）来实现预定的阻抗变换的。对于微带类型的微波电路来说， 经常采用的是所谓的‘ 形’结构。 形’或‘反
电光学院通信工程系
微带线滤波器
13
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电光学院通信工程系
1.8 微带线阻抗变换器与阻抗匹配网络
它们的功能是把一个具有确定数值的阻抗，经过网络的作用，变 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：通过阻抗与导纳圆 图设计微带线阻抗（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 预定的各种指标下设计出所需的阻抗匹配网络。 在低于1GHz频率下，阻抗变换器 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 成的‘两元件网络’。 当系统的工作频率提高到几个GHz 范围，一般可以采用集总和分布参数混 合结构.
l
20
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电光学院通信工程系
微带线阻抗变换器与阻抗匹配网络
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 支线负载阻抗 z 短 对应点，并在其上画出通过 z 短 点的等反射系数圆③。 从主线圆图上可求出 z l 和 zin 对应的电纳差，此电纳差即应该是支线输 入阻抗对应的归一化电纳，在支线圆图上画出此归一化电纳对应的等 电纳圆④。圆③与圆④的交点对应阻抗即为zin支。这样支线长度即是从 z 短出发、沿圆③、向信号源方向旋转、到达 zin支点的对应长度。 4. 应注意本问题还有另外一组解，即 z l 点的另外一个位置，求解过程与 前类似。支线当然也可选取开路终端负载，其对应支线长度也可以很 容易从支线圆图上求得。
L
C
Z in
Zl
l2
Z in
Zc
l1 C1 Z c
Zl
14
南京理工大学
电光学院通信工程系
微带线阻抗变换器与阻抗匹配网络
Zl
Z in
L
C
Zl
C
Zl
15
集总两元件匹配网络阻抗变换过程示意图
南京理工大学
电光学院通信工程系
微带线阻抗变换器与阻抗匹配网络
l2
Z in
Zc
l1 C1 Z c
Zl
集总、分布参数混合网络阻抗变换过程示意图
并联电容
1
2
串联电感
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1.7.2 微带线带通滤波器
电光学院通信工程系
微带线滤波器
（a）电容间隙耦合滤波器 （b）耦合微带线滤波器
（c）发夹线滤波器
（d）短路支线滤波器
（e）开路支线滤波器
10
微带带通滤波器的结构
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Microwave Office 仿真模型：
电光学院通信工程系
方案一：
g 4
Zc
Rin
方案二：
g 4
Zl l支
Zc
l支
Z c支
Zl
Z c支
Rin
Rin支
2
Yl Gl jBl
Yin支＝ jBl jYc支ctgl支
Z c Rin Gl
Z l Rl jX l Z X tgl X ＋Z tgl －R ImZ ＝Z Z X tgl R tgl
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。 滤波器的设计方法也多种多样，一般采用的是综合法，即先设计 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，最后用适当的元件和结构来实现。
8
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1.7.1 微带线低通滤波器
1.9 微带线平衡－不平衡转换器
平衡-不平衡转换器简称为“巴仑”，即BALanced-UNbalanced transformer，缩写为BALUN。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。
16
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1.8.1
电光学院通信工程系
微带线阻抗变换器与阻抗匹配网络
四分之一波长阻抗变换器
根据传输线理论，其输入阻抗为纯电阻 Rin Z c 2 Rl ，取 Z c Rin Rl ， 完成了Rl 到 Rin 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 Z l ，使用两种方案先完成到 Rl 的变化。
C
2 r nZ c
Q0
无载品质因数：
r L
R
1 r CR g
3
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2 四分之一波长并联谐振器
G 2n 1 g Yc 4
电光学院通信工程系
微带线谐振器
C
2n 1 Yc 4 r
L
4 r 2n 1Yc
Q0
rC
G
1 r LG g
2. 画出通过 z l 点的等反射系数圆①，则 z l 应在圆①上；画出通过点 zin 的 等电导圆②，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②上。圆①和圆②的交点有两个， 取其中一个认为是点 z l ，这样主线长度即是从 z l 出发、沿圆①、向信 号源方向旋转、到达 z 点的对应长度，
当终端短路时，有
0 1
1 e 2l e j 2 l z in 1 e 2l e j 2 l
1
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电光学院通信工程系
微带线谐振器
当 l n g 时，，即半导内波长的整数倍，其输入阻抗为：
2
1 e 2l z in 1 e 2l
微带线滤波器
11
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1.7.3 微带线带阻滤波器
电光学院通信工程系
微带线滤波器
g 4
g 2
g 4 g 4
（a）耦合谐振器带阻 滤波器
g 4 g 4 g 4 g 4
（c）耦合微带带阻滤 波器
（b）开路支线带阻滤 波器 微带带阻滤波器的结构
12
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Microwave Office 仿真模型：
设 l1 g 4 、 l1 3 g 8 ，则有：
Z l Z c21 Z l
Yl 1 Z l
Yin 1 Z in Yl jBin支
l1 3 g 8
1
jBin支
j Z c1
2 c1
其正负号取决于支线是短路还是开路终端
导体圆 盘 导体圆 环 金属层 槽缝
介质基 片
接地板
介质基 片
接地板
介质基 片
微带圆形谐振器
微带圆环谐振器
槽线谐振器
5
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电光学院通信工程系
1.7 微带线滤波器
微波滤波器是微波系统中非常重要的元件之一，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。 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 插入衰减的频率特征通信工程系
微带线阻抗变换器与阻抗匹配网络
zl
zin
zl
l1 g
22
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电光学院通信工程系
微带线阻抗变换器与阻抗匹配网络
l1 g
z in支
③
④
z短
23
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设计线特性阻抗 Z c1和 Z c1 ：
电光学院通信工程系
微带线阻抗变换器与阻抗匹配网络
c支 l 支 l in支 c支 c支 2 支 c支 l 支 l 支
l 2
tgl支
0
ReZ in支 ＝Z c支 Rl
2
Z
c支
X l tgl支 Rl tgl支
2
sec 2 l支
2
Rin支
17
Z c Rin Rin支
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