微波傳輸線理論及應(yīng)用

1、第一章：引言隨著時(shí)代的發(fā)展，微波技術(shù)以及工藝在近年來等到了飛速的發(fā)展，這主要是得益于新的微波器件以及新一代的微波傳輸線的發(fā)展。在微波系統(tǒng)中，單刀雙擲開關(guān)作為最簡(jiǎn)單，最常用的微波控制器件在大型的微波設(shè)計(jì)中起著很重要的作用，我在指導(dǎo)老師劉老師和何老師的悉心指導(dǎo)下，我參閱了一些有關(guān)的設(shè)計(jì)資料，完成了對(duì)單刀雙擲開關(guān)的研制。在本文中，我將從原理開始，具體分析和介紹研制的過程。在第二章中，主要介紹單刀雙擲開關(guān)的基本構(gòu)造，主要參數(shù)，匹配網(wǎng)絡(luò)等等。在第三章中，主要介紹本次設(shè)計(jì)所使用的軟件MicroWave Office，其操作形式，優(yōu)化方法和自己的一些使用心得。第四章，將著重介紹本次設(shè)計(jì)的圖形，參數(shù)的測(cè)量、優(yōu)

2、化指標(biāo)。第三章 微波固態(tài)電路介紹微波固態(tài)電路的發(fā)展與微波集成電路技術(shù)密切相關(guān)，而微型化技術(shù)則是以提高集成度為基礎(chǔ)的。目前對(duì)雷達(dá)，電子戰(zhàn)和通訊等電子設(shè)備中微波電路“微型化”的呼聲甚高；“微型化”的含義遠(yuǎn)比其名詞本身寓意要廣泛，它至少還意味著：一致性，低價(jià)格和高可靠。微波集成電路(MIC)的概念來自低頻集成電路(IC)，其發(fā)展也是遵循著低頻的途徑。60年代后期隨著各種微波半導(dǎo)體器件的問世以及微帶傳輸線理論和薄膜工藝的成熟，以混合集成電路(HMIC)的形式出現(xiàn)。是采用薄膜或厚膜工藝在介質(zhì)襯底表面制作以分布參數(shù)為主的微波電路，其中有源器件和集總參數(shù)元件（電容，電阻等）通過鍵合，焊接或壓接加到襯底表面。

3、70年代HMIC發(fā)展迅速，應(yīng)用廣泛，使原先用分立元件實(shí)現(xiàn)的微波系統(tǒng)在小型化，輕量化方面起了變革，性能與價(jià)格方面也有所得益，而且逐漸出現(xiàn)了集成度提高的多功能HMIC。HMIC的發(fā)展對(duì)微波技術(shù)本身起了推動(dòng)作用，并為單片微波集成電路的研制奠定了基礎(chǔ)。MMIC的含義是采用半導(dǎo)體多層工藝（如外延，離子注入，濺射，蒸發(fā)，擴(kuò)散等方法或這些方法與其他方法的結(jié)合）將所有的微波或毫米波有源器件或無源元件（包括連接線）制成一整體或制作于半絕緣襯底表面以實(shí)現(xiàn)單個(gè)芯片的功能部件或整件。近10年來，MMIC事業(yè)蓬勃發(fā)展，歸因于：性能優(yōu)良的GaAs半絕緣襯底材料的大量應(yīng)用及外延，離子注入等工藝的成熟，MESFET的大力開發(fā)

4、并已成為多用途器件；肖特基勢(shì)壘二極管與各種MESFET（包括雙柵FET）可用相同工藝在同一襯底上制作；特別是可進(jìn)行精確定模和優(yōu)化設(shè)計(jì)的CAD工具日臻完善。與功能相同的HMIC相比，MMIC的體積，重量可減至1/100或更?。l率愈低，減少愈多，在L波段可減至1/1000，或更?。Ｒ騇MIC適于批加工，在材料均勻性好和工藝成熟的前提下可實(shí)現(xiàn)良好的電性能一致。由于大大減少接插件，聯(lián)線和外接元器件，可靠性改善因數(shù)可達(dá)20-100，由于寄生參量減至最小，MMIC具有寬帶本能，其抗輻射能力也較強(qiáng)。但MMIC也有其缺點(diǎn)。首先。采用半導(dǎo)體工藝在襯底上制成的電路，從占有面積來看，無源元件比有源元件大，因此不

5、僅價(jià)格高，也不利于提高成品率，而且傳輸線損耗大。其次MMIC難以實(shí)現(xiàn)電路微調(diào)，故為獲得最佳性能，必須更多地依賴CAD技術(shù)。又由于元件密集，射頻耦合強(qiáng)，顧宜盡量采用集總元件，由CAD進(jìn)行鄰近效應(yīng)計(jì)算等。此外，由于GaAs導(dǎo)熱率不佳，散熱較難，高功率集成仍是難題。對(duì)MMIC的故障指示及監(jiān)測(cè)尚在研究中，其途徑是進(jìn)行微波預(yù)先測(cè)試研究，并將估計(jì)元件故障編入CAD程序。 以往，經(jīng)典的HMIC研制程序是：設(shè)計(jì)計(jì)算或CAD->電路布局->制版加工->試驗(yàn)微調(diào)->修改設(shè)計(jì)->。因基于不很精確的設(shè)計(jì)，上述過程往往需返復(fù)數(shù)次。其間由于等于等待加工，使整個(gè)周期延長(zhǎng)。這種方法顯然不適于先進(jìn)

6、的微型化組件的研制，特別因?qū)MIC不可能進(jìn)行微調(diào)，故首先必須研究精確的元器件定模和CAD技術(shù)。近幾年來國外已推出一些對(duì)MMIC設(shè)計(jì)行之有效的CAD軟件包。它們針對(duì)小信號(hào)或大信號(hào)工作可分別給出線性、非線性的頻域或時(shí)域分析。例如EEsof公司的Libra（包含線性和非線性頻域模擬）和Microwave Spice(時(shí)域模擬)；COMPACT公司的LINMIC、Microwave Harmonica等軟件均已廣為應(yīng)用?，F(xiàn)又推出可給出三維結(jié)構(gòu)分析乃至全局電磁模擬的軟件，如EEsof公司的EMsim和HP公司的HFSS，它們適于計(jì)算迭層螺旋電感、電壓器、空氣橋以及鄰近效應(yīng)等。采用這些軟件后可使MMIC

7、設(shè)計(jì)精度大為提高。不僅如此，目前的軟件還可對(duì)電路成品率進(jìn)行優(yōu)化，并使電路對(duì)加工容差的靈敏度最低，與CAD軟件逐步完善的同時(shí)，計(jì)算機(jī)輔助加工（CAM）和計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試（CAT）也已逐漸成熟。乃有可能改變以往的研制方法，而是借助計(jì)算機(jī)是模擬和制圖程序之間直接相互作用，對(duì)設(shè)計(jì)與加工進(jìn)行微調(diào)。目前已形成的集軟件與硬件與一身的MMIC CAE （=CAD+CAM+CAT） 工作站，可一次完成定模、綜合、模擬、線性與非線性分析、優(yōu)化、制圖、加工、測(cè)試和調(diào)整。目前EEsof和HP等公司均已開發(fā)出MMIC工作站。第三章：微波單刀雙擲開關(guān)。1 單刀雙擲開關(guān)。在微波控制電路中，最普通但又最常用的開關(guān)是單刀雙擲開關(guān)

8、。它把信號(hào)來回?fù)Q接到兩個(gè)不同的設(shè)備上，形成交替工作的兩條微波通路。其典型例子是雷達(dá)天線收發(fā)開關(guān)，發(fā)射機(jī)和接收機(jī)共用一個(gè)天線，由一個(gè)單刀雙擲開關(guān)控制。2 單刀雙擲開關(guān)的基本結(jié)構(gòu)。 圖1.01最簡(jiǎn)單的單刀雙擲開關(guān)如圖1.01所示。它們分別由兩個(gè)并聯(lián)或串聯(lián)型的單刀單擲開關(guān)并接構(gòu)成。在并聯(lián)型開關(guān)中，兩個(gè)PIN管，分別并接于離分支接頭點(diǎn)四分之一波長(zhǎng)處。如果處于正向?qū)顟B(tài)（近似短路），處與反向截止?fàn)顟B(tài)（近似開路），則通道A無功率通過。因?yàn)閺慕宇^參考面向通道A看，輸入阻抗為無限大，而通道B由于處近似開路，故不影響功率通過。此時(shí)，輸入端的微波信號(hào)從B通道輸出，反之，當(dāng)導(dǎo)通截止時(shí)輸入信號(hào)全部從A通道輸出。顯然

9、，在串聯(lián)型開關(guān)中，當(dāng)導(dǎo)通截止時(shí)，通道A為導(dǎo)通通道而B為段開通道；當(dāng)導(dǎo)通截止時(shí)，通道B為導(dǎo)通通道而A為段開通道。由此可見，只要控制、的工作狀態(tài)，就能使信號(hào)在兩條不同通道中換接，實(shí)現(xiàn)單刀雙擲功能。3 單刀雙擲開關(guān)的性能測(cè)量。（即開關(guān)的插入衰減和隔離度）一個(gè)理想的單刀雙擲開關(guān)，要求信號(hào)在導(dǎo)通通道上衰減為零；在斷開通道上隔離度為無窮大。由于PIN管的工作狀態(tài)不可能達(dá)到理想的導(dǎo)通和截止，所以雙擲開關(guān)其導(dǎo)通通道插入衰減實(shí)際上并不為零，斷開通道的隔離度也不是無窮大。下面以并聯(lián)型雙擲開關(guān)為例，對(duì)它的插入衰減和隔離度作一些分析討論。 圖1.02首先畫出單刀雙擲開關(guān)的等效電路如圖1.02所示。由于（1）、（2）兩

10、種在同一瞬間和的工作狀態(tài)不同，導(dǎo)納Y值各異，而器件并非理想元件，要考慮開關(guān)斷開支路對(duì)另一條支路阻抗的影響。例如計(jì)算SPDT開關(guān)插入衰減，令導(dǎo)通，且>較大，如>10，經(jīng)過/4傳輸線阻抗變換，在端口（3）呈現(xiàn)的阻抗為 圖1.03于是可將圖中（a）的等效電路表示為計(jì)算插入衰減的等效電路，如圖中（b）所示。此圖與圖1.03（c）有統(tǒng)一形式，故可由式求得插入衰減（式中將=90代入后） 式中， 顯然，SPDT開關(guān)的插入衰減比SPST的插入衰減大，這是由于信道（2）非理想短路所引入的附加衰減所致。下面近似計(jì)算SPDT開關(guān)的隔離度。理想情況下端口（2）應(yīng)無輸出，但實(shí)因有值，可求信道（2）電流在信道

11、（1）存在和不存在時(shí)兩種情況下的變化，從而求出泄漏至信道（2）的功率。 圖1.04圖1.04為確定信道（2）電流的等效電路，圖中（a）為兩信道均存在時(shí)端口（1）和端口（2）對(duì)信號(hào)源端口（3）的阻抗等效電路。設(shè)信道（1）處于傳輸狀態(tài)，端口（3）的輸入阻抗；而信道（2）處于短路狀態(tài)，其輸入阻抗 ，因此兩端的信號(hào)電壓近似為，流過的電流為。假定信道（1）不存在，信號(hào)源功率直接加在信道（2），相當(dāng)于SPST開關(guān)狀態(tài)，由于>>,流過的電流，因此在SPDT開關(guān)情況下，泄漏到信道（2）的功率僅為SPST工作狀態(tài)下的1/4，相當(dāng)于SPDT的隔離度增加了，于是SPDT開關(guān)的隔離度計(jì)算式為 圖1.05為

12、了改善單刀雙擲開關(guān)特性，可以采用多管串并聯(lián)或并串聯(lián)的形式。電路示意圖如圖1.05所示。為說明這種電路的特點(diǎn)，以單管串聯(lián)和單管并聯(lián)電路的級(jí)聯(lián)開關(guān)歸一化A矩陣表示 =并串級(jí)聯(lián)開關(guān)歸一化A矩陣表示式同樣可寫成 =由上兩式求出兩種開關(guān)的插入衰減和隔離度的表示均可寫成為 =10表1.1列出三種開關(guān)插入衰減和隔離度的計(jì)算結(jié)果，表中結(jié)果說明雙管串并聯(lián)開關(guān)的隔離度比其他兩種開關(guān)有很大提高。可見多管串并聯(lián)電路的性能更具有優(yōu)越性。當(dāng)然，它們的插入衰減比單管開關(guān)要大。在工作帶寬方面也適用于寬帶工作。 表1.1第四章：MicroWave Office軟件的應(yīng)用 本次設(shè)計(jì)將主要使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，使用的軟件為Micro

13、wave Office。由于放大器的各個(gè)元件，都集中在一塊基片上，分布參數(shù)的影響就不能忽略，有時(shí)還必須考慮傳輸線間電磁場(chǎng)的耦合效應(yīng)，對(duì)有源器件的模型，對(duì)它們的模擬精度非常重要。對(duì)于傳統(tǒng)的方法，存在著兩個(gè)主要的缺點(diǎn)：其一是它假設(shè)晶體管具有單向傳輸特性，這有時(shí)就會(huì)導(dǎo)致較大的誤差；其二在史密斯圓圖利用等增益圓設(shè)計(jì)晶體管的輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)的過程十分復(fù)雜而且不精確，通常只能在少數(shù)幾個(gè)頻率上進(jìn)行設(shè)計(jì)，故頻帶較窄。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（Computer Aided Design，縮寫為CAD）的快速發(fā)展始于70年代。CAD對(duì)于縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低產(chǎn)品成本起極其重要的作用。近年來隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)

14、的進(jìn)步，各種數(shù)值方法的提出，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)在微波領(lǐng)域中已經(jīng)取得了可喜的成果，現(xiàn)在不僅在微波無源網(wǎng)絡(luò)中廣采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，而且微波有源器件乃至微波系統(tǒng)也越來越多的采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。一方面，微波電路采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)可以提高效率，降低設(shè)計(jì)成本，達(dá)到事半功倍的效果；另一方面，它可以模擬實(shí)際工作中電路的調(diào)試過程，增加設(shè)計(jì)的可靠性和靈活性，提高設(shè)計(jì)電路的質(zhì)量。同時(shí)，由于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)中采用了能精確反映器件的數(shù)學(xué)模型，在目標(biāo)函數(shù)中綜合考慮了各頻率點(diǎn)增益，噪聲系數(shù)等因素，有計(jì)算機(jī)自動(dòng)選擇電路參數(shù)，并對(duì)電路進(jìn)行最優(yōu)設(shè)計(jì)，從而解決了許多用經(jīng)典方法無法解決的問題。因此，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)在微波放大器的設(shè)計(jì)中有著廣

15、泛的運(yùn)用。目前常用的方法有三種：選定網(wǎng)絡(luò)拓補(bǔ)直接優(yōu)化法、網(wǎng)絡(luò)綜合法和實(shí)頻技術(shù)設(shè)計(jì)法。微波電路是現(xiàn)代通信、雷達(dá)、導(dǎo)航、遙感等系統(tǒng)的重要組成部分。在CAD技術(shù)被廣泛應(yīng)用前，在微波工程方面，CAD技術(shù)的關(guān)鍵和電子工程的其他領(lǐng)域有所不同。在微波電路CAD技術(shù)中，各種傳輸線及其不均勻區(qū)模型，元件之間的寄生耦合模型以及微波有源器件的非線性模型等在技術(shù)上具有很大的難度。微波電路CAD和一般的電子線路CAD相比有以下幾特點(diǎn)：（1） 微波電路CAD中必須有精確的傳輸線模型和各種微波部件模型（2） 微波電路CAD中有時(shí)必須采用電磁仿真等數(shù)值仿真工具（3） 微波電路CAD軟件一般具備S參數(shù)分析的功能微波電路CAD軟

16、件這一設(shè)計(jì)工具已被廣泛應(yīng)用于微波低噪聲放大器、微波功率放大器、微波混頻器、微波壓控/介質(zhì)振蕩器、微波濾波器、微波功率合成/分配器、微波電調(diào)衰減器等部件的設(shè)計(jì)。為了縮短產(chǎn)品研制周期、降低產(chǎn)品成本、提高產(chǎn)品性能指標(biāo)，微波工程師以把微波電路CAD軟件看成了賴以生存的必備工具。1 MicroWave Office簡(jiǎn)介CAD在微波電路工程的大規(guī)模運(yùn)用始于70年代末COMPACT公司開發(fā)的軟件，今天，HPEESOF成為最大的一家微波電路CAD軟件廠商。HPADS是一套先進(jìn)的電路設(shè)計(jì)軟件，功能齊全，使用靈活，具有原理圖輸入，模擬方針，版圖繪制等先進(jìn)的功能，被廣泛運(yùn)用于微波低噪聲放大器、微波功率放大器、微波混

17、頻器、微波壓控/介質(zhì)振蕩器、微波濾波器、微波功率合成/分配器、微波電調(diào)衰減器等部件的設(shè)計(jì)。微波電路CAD和一般的電子線路CAD相比，由以下幾個(gè)特點(diǎn)：（1） 微波電路CAD中必須有精確的模型和各種微波部件的模型。（2） 微波電路CAD中有時(shí)必須采用電磁仿真等數(shù)值仿真工具。（3） 微波電路CAD軟件一般都具備S參數(shù)分析的功能。同時(shí)，微波CAD通常包括下面幾方面內(nèi)容：a 線性微波電路的交流小信號(hào)分析和S參數(shù)分析b 微波電路的直流分析c 非線性微波電路的諧波分析d 非線性微波電路的瞬態(tài)分析e 微波電路的噪聲分析f 微波電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)g 微波電路的容差分析和容差設(shè)計(jì)h 微波部件和電路的電磁仿真i 微波集

18、成電路的布線和版圖設(shè)計(jì)j 微波元件和電路的計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試k 微波器件的建模和參數(shù)提取l 微波系統(tǒng)仿真m 微波濾波器和匹配網(wǎng)絡(luò)的綜合n微波電路和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的專家系統(tǒng)o微波部件和電路的熱分析與其它軟件相比，MicroWave Office的模型更為精確，適用范圍更為廣泛。在本課題中，主要掌握使用MicroWave Office進(jìn)行電路分析，仿真與優(yōu)化。這種軟件可用于計(jì)算S參數(shù)，并通過各個(gè)頻率點(diǎn)的S參數(shù)資料，自動(dòng)擬合出S參數(shù)曲線，采用它設(shè)計(jì)的電路具有一定的可靠性。同時(shí)，該軟件還能夠?qū)﹄娐愤M(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，能夠通過反復(fù)修改電路參數(shù)以達(dá)到預(yù)計(jì)的目標(biāo)（如給定的增益、頻帶、噪聲系數(shù)的等等指標(biāo)）。除此之外，該軟件還

19、可以對(duì)微波電路進(jìn)行直流分析和噪聲分析、對(duì)非線性微波電路進(jìn)行諧波分析和瞬態(tài)分析，微波部件和電路的電磁仿真。通過一段時(shí)間的熟悉之后，我對(duì)Microwave Office輔助設(shè)計(jì)軟件有了一定了解認(rèn)識(shí)。下面簡(jiǎn)單介紹一下這一軟件：進(jìn)入界面，可以看見Proj,Elem,Var三個(gè)功能塊：（1）Proj (a) Design Notes 用于做一些實(shí)驗(yàn)記錄 （b）roject Frequency 確定 實(shí)驗(yàn)的頻率范圍 （c）Global Equations 從中可以看到最終的優(yōu)化值 (d) Data Files 從中可以看到你選用元件的參數(shù)，包括直流參數(shù)，各個(gè)頻率段的S參量 (e) Schematics 從

20、中可以查閱你創(chuàng)建的文件以及電路圖等資料 (f) EM Structures 適用于一些電磁的研究 （g）Conductor Materials 用以確定一些電阻的特性 （h）Graph 用于創(chuàng)建圖表，觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果：右鍵點(diǎn)擊選擇Add Graph新建圖表，選擇圖象種類（如Rectangular矩形圖，Smith Chart史密斯圓圖等） （i）Optimizer Goals 確定優(yōu)化對(duì)象，產(chǎn)品指標(biāo)：右鍵點(diǎn)擊選擇Add Opt Goal，在New/Edit Meas中添加優(yōu)化目標(biāo)，然后在Goal中確定優(yōu)化指標(biāo)，最后在Goal Type中選擇期望值相對(duì)于指標(biāo)的大小關(guān)系。 (j) Yield Goal

21、 同樣起優(yōu)化作用 (k) Output Files 設(shè)定文件中的相關(guān)參數(shù)（2）Elem 這是一個(gè)器件庫，用于選擇一些元器件，比如電感，電容，電阻，電源，傳輸線以及各個(gè)公司的器件產(chǎn)品（3）Var 用于查閱一些優(yōu)化值我的畢業(yè)設(shè)計(jì)課題主要利用Microwave Office對(duì)微波電路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)：用戶給定電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、各元件初始值和電路的設(shè)計(jì)指標(biāo)目標(biāo)，CAD軟件自動(dòng)改變?cè)?，直到滿足電路的設(shè)計(jì)指標(biāo)目標(biāo)。設(shè)計(jì)步驟如下：（1） 根據(jù)所需指標(biāo)，確定適當(dāng)元件器（2） 確定電路，加直流偏置（3） 設(shè)置未知元件，優(yōu)化目標(biāo)，以及所需性能指標(biāo)（4） 利用軟件優(yōu)化，并調(diào)整優(yōu)化次數(shù)（5） 通過圖像確定產(chǎn)品性能具體操作如下：（1） 新建 ProjectAdd SchematicN