微波電路及設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)

第頁微波電路及設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)1.微波電路的基本常識(shí)2.微波網(wǎng)絡(luò)及網(wǎng)絡(luò)參數(shù)3.Smith圓圖4.簡(jiǎn)單的匹配電路設(shè)計(jì)5.微波電路的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)及常用的CAD軟件6.常用的微波部件及其主要技術(shù)指標(biāo)7.微波信道分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、計(jì)算和指標(biāo)分配8.測(cè)試及測(cè)試儀器9.應(yīng)用電路舉例微波電路及其設(shè)計(jì)概述所謂微波電路，通常是指工作頻段的波長(zhǎng)在10m～1cm(即30MHz～30GHz)之間的電路。此外，還有毫米波（30～300GHz）及亞毫米波（150GHz～3000GHz）等。實(shí)際上，對(duì)于工作頻率較高的電路，人們也經(jīng)常稱為“高頻電路”或“射頻（RF）電路”等等。由于微波電路的工作頻率較高，因此在材料、結(jié)構(gòu)、電路的形式、元器件以及設(shè)計(jì)方法等方面，及一般的低頻電路和數(shù)字電路相比，有很多不同之處和許多獨(dú)特的地方。作為一個(gè)獨(dú)立的專業(yè)領(lǐng)域，微波電路技術(shù)無論是在理論上，還是在材料、工藝、元器件、以及設(shè)計(jì)技術(shù)等方面，都已經(jīng)發(fā)展得非常成熟，并且應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛。另外，隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展，目前芯片的工作速度已經(jīng)超過了1GHz。在這些高速電路的芯片、封裝以及應(yīng)用電路的設(shè)計(jì)中，一些微波電路的設(shè)計(jì)技術(shù)也已得到了充分的應(yīng)用。以往傳統(tǒng)的低頻電路和數(shù)字電路，及微波電路之間的界限將越來越模糊，相互間的借鑒和綜合的技術(shù)應(yīng)用也會(huì)越來越多。微波電路的基本常識(shí)2.1電路分類2.1.1按照傳輸線分類微波電路可以按照傳輸線的性質(zhì)分類，如：圖1微帶線圖2帶狀線圖3同軸線圖4波導(dǎo)圖5共面波導(dǎo)2.1.2按照工藝分類微波混合集成電路：采用分離組件及分布參數(shù)電路混合集成。微波集成電路（MIC）：采用管芯及陶瓷基片。微波單片集成電路（MMIC）：采用半導(dǎo)體工藝的微波集成電路。圖6微波混合集成電路示例圖7微波集成電路（MIC）示例圖8微波單片集成電路（MMIC）示例2.1.3微波電路還可以按照有源電路和無源電路分類。其中，有源電路包括放大器、振蕩器等；無源電路包括分路器、耦合器、移相器、開關(guān)、混頻器和濾波器等。2.2常用的微波傳輸線電路組件和不連續(xù)性組件圖9傳輸線段圖10耦合線圖11開路線圖12短路線圖13直角拐彎線圖14階梯線圖15漸變線圖16縫隙圖17T型結(jié)圖18十字結(jié)其它還有一些如扇形線、Lange耦合器、交指電容和螺旋電感等等。2.3常用的微波元器件這里主要介紹一些常用的貼裝無源器件和微波半導(dǎo)體器件。圖19片狀迭層電容及單層電容圖20片狀迭層電感及線繞電感圖21片狀電阻圖22貼裝可調(diào)電容圖23貼裝電位器圖24微波二極管（封裝及芯片）圖25微波三極管和場(chǎng)效應(yīng)晶體管（封裝及芯片）圖26微波單片集成電路（MMIC）（封裝及芯片）2.4常用的微波介質(zhì)基片我們經(jīng)常使用的微波介質(zhì)材料如表1所示。表1幾種經(jīng)常使用的微波介質(zhì)材料名稱介電常數(shù)（εr）備注聚四氟乙烯玻璃纖維基片2.7國(guó)產(chǎn)、進(jìn)口陶瓷（Al2O3）基片(99%)9.6國(guó)產(chǎn)、進(jìn)口微波復(fù)合介質(zhì)基片可選國(guó)產(chǎn)RT/duroid58802.2Rogers公司RO40033.38Rogers公司TMM10I9.8Rogers公司RT/duroid?SeriesRO4000?SeriesTMM?Series圖27Rogers公司生產(chǎn)的幾種微波介質(zhì)基片3.微波網(wǎng)絡(luò)及網(wǎng)絡(luò)參數(shù)3.1具有特定內(nèi)容（含義）的特殊微波網(wǎng)絡(luò)3.1.1平行耦合線定向耦合器圖28平行耦合線定向耦合器3.1.2蘭格（Lange）定向耦合器圖29Lange定向耦合器3.1.3威爾金森（Wilkinson）功分器/合路器圖30功分器/合路器3.1.4階梯阻抗變換器圖31階梯阻抗變換器3.1.5微帶線低通濾波器圖32微帶線低通濾波器3.1.6平行耦合線帶通濾波器圖33平行耦合線帶通濾波器3.1.7其它，如交指濾波器、謝夫曼移相器及分支線定向耦合器等，也都具有固定（特定）的網(wǎng)絡(luò)形式。3.2一般網(wǎng)絡(luò)微波網(wǎng)絡(luò)是由各種微波組件根據(jù)需要組合而成，所以網(wǎng)絡(luò)的形式具有任意性。上面介紹的那些特殊網(wǎng)絡(luò)只是其中一些典型的形式而已。一般來說，簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)通常是窄帶的電路，如λg/4線。這一點(diǎn)，在設(shè)計(jì)寬帶匹配電路時(shí)，需要引起注意。3.3網(wǎng)絡(luò)參數(shù)我們經(jīng)常使用S參數(shù)（即散射參數(shù)）來描述微波網(wǎng)絡(luò)。以下面的二端口網(wǎng)絡(luò)為例。圖34二端口微波網(wǎng)絡(luò)在圖34所示的二端口微波網(wǎng)絡(luò)中，a1和b1分別為埠1的歸一化入射電壓波和反射電壓波；a2和b2分別為埠2的歸一化入射電壓波和反射電壓波。二端口微波網(wǎng)絡(luò)的輸入和輸出之間的關(guān)系可以表示為（1）即其中（2）式（1）稱做散射方程，叫散射矩陣或散射參數(shù)。由式（1）可以得出二端口網(wǎng)絡(luò)的S參數(shù)為：S11=，即當(dāng)埠2匹配時(shí)（ZL=Z0），埠1的反射系數(shù)；S22=，即當(dāng)埠1匹配時(shí)（ZS=Z0），埠2的反射系數(shù)；S12=，即當(dāng)埠1匹配時(shí)，埠2到埠1的傳輸系數(shù)；S21=，即當(dāng)埠2匹配時(shí)，埠1到埠2的傳輸系數(shù)。通過上面的分析我們可以看出，微波網(wǎng)絡(luò)的S參數(shù)具有確定的物理意義。實(shí)際上，我們以往所經(jīng)常使用的如Z參數(shù)、Y參數(shù)和H參數(shù)等均可以通過計(jì)算及S參數(shù)互相換算。但在微波頻率上，只有S參數(shù)是可以測(cè)量出來的，這樣也就解決了微波網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的測(cè)量問題。另外，對(duì)于端口數(shù)為N的多端口網(wǎng)絡(luò)，我們同樣可以得到類似于式（1）的表達(dá)式，這時(shí)為N×N維的矩陣。史密斯（Smith）圓圖Smith圓圖是一個(gè)非常有用的圖形化的匹配電路設(shè)計(jì)和分析工具，且方便有效，在微波電路設(shè)計(jì)過程中會(huì)經(jīng)常用到。另外，Smith圓圖有阻抗圓圖和導(dǎo)納圓圖兩種形式，可以視具體情況選用。圖35Smith阻抗圓圖圖36Smith圓圖的應(yīng)用示例圖37圖解用的Smith圓圖標(biāo)準(zhǔn)圖紙由圖35我們可以看到，在Smith阻抗圓圖中存在等電阻圓、等電抗線、純電阻線、電感平面（jωL）、電容平面（1/jωC）、開路點(diǎn)、短路點(diǎn)和50Ω點(diǎn)等等。當(dāng)然，相對(duì)應(yīng)的在導(dǎo)納圓圖中也存在等電導(dǎo)圓和等導(dǎo)納線等。5.簡(jiǎn)單的匹配電路設(shè)計(jì)舉例晶體管放大器匹配電路設(shè)計(jì)示例微波電路的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)及常用的CAD軟件自20世紀(jì)70年代以來，微波電路CAD技術(shù)已經(jīng)取得了很大的進(jìn)步。一方面是各CAD軟件廠商推出了很多通用和專用的微波電路CAD軟件產(chǎn)品，包括電原理圖輸入和微波電路的圖形輸入、電路的仿真和優(yōu)化、容差分析、版圖生成及輸出、及測(cè)試儀器接口等功能，并有許許多多的電路模型庫、組件庫、半導(dǎo)體器件的線性模型庫和非線性模型庫等可供選擇，應(yīng)該可以說是功能強(qiáng)大、使用方便、應(yīng)有盡有。而另一方面，微波電路CAD軟件也已被廣泛應(yīng)用于各種微波電路的設(shè)計(jì)，并成為微波工程師必須掌握的設(shè)計(jì)工具。6.1常用的微波電路CAD軟件微波電路的CAD軟件大致可以分成下面幾類：①線性/非線性微波電路仿真軟件；②2.5D平面電路電磁場(chǎng)仿真軟件；③3D電磁場(chǎng)仿真軟件；④系統(tǒng)仿真軟件；⑤專用電路的設(shè)計(jì)軟件。⑥排版軟件表2主要的微波電路CAD軟件簡(jiǎn)介序號(hào)名稱主要性能廠商1ADS綜合軟件包Agilent2Serenade綜合軟件包Ansoft3MWOffice線性/非線性電路、2.5D電磁場(chǎng)仿真AWR4GENESYS線性/非線性電路、濾波器設(shè)計(jì)等Eagleware5MMICAD線性/非線性電路設(shè)計(jì)OPTOTEK6Momentum2.5D平面電路電磁場(chǎng)仿真Agilent7Ensemble2.5D平面電路電磁場(chǎng)仿真Ansoft8em2.5D平面電路電磁場(chǎng)仿真Sonnet9HFSS3D電磁場(chǎng)仿真Ansoft10MWStudio3D電磁場(chǎng)仿真CST11Symphony系統(tǒng)仿真Ansoft12Clementine共形天線設(shè)計(jì)Ansoft13Protel電路板布線PROTEL14AutoCAD電路板布線Autodesk6.2微波電路計(jì)算計(jì)輔助設(shè)計(jì)-簡(jiǎn)介微波電路計(jì)算計(jì)輔助設(shè)計(jì)（CAD）技術(shù)是電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）技術(shù)的一個(gè)分支，用于射頻及微波電路的計(jì)算機(jī)仿真和優(yōu)化設(shè)計(jì)。6.2.1微波電路CAD的特點(diǎn)及主要內(nèi)容及其它電子EDA技術(shù)相比，微波電路CAD軟件具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：必須有精確的傳輸線模型和各種器件模型；有時(shí)必須采用電磁場(chǎng)仿真等數(shù)值仿真工具；一般都具有S參數(shù)分析的功能。在微波電路CAD技術(shù)中，各種傳輸線及其不均勻區(qū)模型、組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)上的難度都非常大。微波電路CAD包括線性微波電路的S參數(shù)計(jì)算、直流分析、線性/非線性噪聲分析、非線性電路的瞬態(tài)分析、非線性電路的諧波分析（功率壓縮、交調(diào)和諧波特性等）、優(yōu)化設(shè)計(jì)、容差分析、2.5D及3D電磁場(chǎng)仿真、布線和版圖設(shè)計(jì)等，甚至還可以包括微波器件的建模和參數(shù)提取以及計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試。6.2.2常用的分析方法線性電路：采用等效電路模型和S參數(shù)矩陣級(jí)聯(lián)計(jì)算。非線性電路：Spice、諧波平衡法、包絡(luò)仿真法等。電磁場(chǎng)仿真：常采用矩量法和有限元法等數(shù)值計(jì)算方法。6.2.3優(yōu)化給定電路的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、各個(gè)組件的初始值，以及電路的設(shè)計(jì)指針的目標(biāo)參數(shù)，CAD軟件將自動(dòng)改變各組件值，直到滿足要求。CAD軟件通常都具有的，也是最常用的優(yōu)化方法是隨機(jī)優(yōu)化和梯度法。當(dāng)然，一些軟件還提供了其它的優(yōu)化方法供選擇。6.2.4設(shè)計(jì)步驟微波電路CAD設(shè)計(jì)的步驟可大致總結(jié)如下：根據(jù)技術(shù)性能指針的要求，選擇半導(dǎo)體器件。對(duì)于不需要半導(dǎo)體器件的微波無源電路，根據(jù)技術(shù)性能指針的要求，選擇網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。根據(jù)所選器件的具體參數(shù)，設(shè)計(jì)匹配電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。確定（或計(jì)算）電路中各個(gè)組件的初始值。根據(jù)技術(shù)性能指針的要求，設(shè)置優(yōu)化目標(biāo)（或參數(shù)）。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或試驗(yàn)性地選擇若干優(yōu)化變量（或組件）。選擇優(yōu)化方法，并進(jìn)行優(yōu)化。進(jìn)行容差分析。進(jìn)行版圖的設(shè)計(jì)并輸出版圖。進(jìn)行性能指針的復(fù)核，進(jìn)行版圖的檢查，并提出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求。6.2.5幾點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)和建議必須保證器件選擇、匹配電路或網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)的正確性。電路中各組件初始值的選擇應(yīng)盡量準(zhǔn)確。這將有利于優(yōu)化計(jì)算的快速收斂，并保證優(yōu)化設(shè)計(jì)能夠達(dá)到全局最優(yōu)點(diǎn)，而不是局部的極小（或極大）點(diǎn)。對(duì)于存在多個(gè)優(yōu)化目標(biāo)參數(shù)的一般情況，應(yīng)根據(jù)實(shí)際的需要，分出主次或考慮折衷，并進(jìn)行加權(quán)。關(guān)于優(yōu)化變量（或組件）的選擇，一方面可以根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)，另一方面也可以先選擇其中幾個(gè)進(jìn)行試探。特別是當(dāng)組件（或變量）較多時(shí)，一般不主張都選擇為優(yōu)化變量。對(duì)于優(yōu)化方法的選擇，通常是先隨機(jī)法，后梯度法，這樣將有助于使設(shè)計(jì)達(dá)到全局最優(yōu)。在電路設(shè)計(jì)的過程中，必須要考慮組件標(biāo)稱值的因素。另外對(duì)于分布參數(shù)電路，電路參數(shù)的取值必須要符合相應(yīng)的工藝要求。6.3設(shè)計(jì)舉例6.3.1例1：2GHz低噪聲放大器的設(shè)計(jì)頻率范圍:1.95～2.05GHz；管子型號(hào):AT-41411，為微波雙極晶體管CAD軟件：ADS圖382GHz低噪聲放大器電路圖382GHz低噪聲放大器仿真結(jié)果6.3.2例2：5GHz發(fā)夾式微帶線帶通濾波器的設(shè)計(jì)CAD軟件：Momentum圖39發(fā)夾式帶通濾波器電路圖圖40發(fā)夾式帶通濾波器仿真結(jié)果7.一些常用的微波部件及其主要技術(shù)指標(biāo)在各種各樣的微波電路中，放大器是相對(duì)最具有代表性的。因此，我們作為重點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行介紹，而對(duì)于其它的電路，則只介紹其特殊的性能指針，同樣的內(nèi)容不再重復(fù)。7.1放大器圖41放大器框圖頻率范圍：f1～f2增益(G)：G=Pout/Pin（3）③噪聲系數(shù)(NF)：（4）式中Nx是出現(xiàn)在放大器的輸出端，由放大器內(nèi)部產(chǎn)生的噪聲。NF=10logF（5）即NF=10log（）所以，噪聲系數(shù)NF就代表了放大器自身噪聲貢獻(xiàn)的大小。④輸入、輸出反射損耗及電壓駐波比（VSWR）反射損耗（LR）是在輸入信號(hào)保持不變的情況下，從短路器反射的電壓及從被測(cè)負(fù)載反射的電壓值比，并用dB表示。LR=20log（6）式中，ρ為被測(cè)負(fù)載的反射系數(shù)。（7）（8）1dB壓縮點(diǎn)輸出功率(P-1)：隨著輸入功率的增加，當(dāng)放大器的增益被壓縮了1dB時(shí)的輸出功率，即為1dB壓縮點(diǎn)輸出功率。P-1是表示一個(gè)放大器的非線性特性和輸出能力的一項(xiàng)重要指標(biāo)。圖42放大器輸入/輸出功率關(guān)系曲線⑥互調(diào)分量和交叉點(diǎn)如圖43所示，當(dāng)頻率為f1和f2的兩個(gè)等幅信號(hào)同時(shí)加在放大器的輸入端時(shí)，由于放大器非線性的影響，在輸出端將出現(xiàn)互調(diào)失真的成份。其中f2±f1為二階互調(diào)分量，而2f1±f2為三階互調(diào)分量。另外，除非是對(duì)于寬帶的電路，一般我們不考慮二階互調(diào)失真的影響。下面以三階互調(diào)失真為例進(jìn)行分析。圖43放大器互調(diào)失真示意圖圖44是基波分量和三階互調(diào)分量及輸入功率之間的關(guān)系曲線。將它們線性延長(zhǎng)的交點(diǎn)，即為三階交叉點(diǎn)（IP3）。若IP3已知，那么我們就可以準(zhǔn)確地預(yù)知三階互調(diào)失真的大小。圖44基波分量、三階互調(diào)分量和三階交叉點(diǎn)（9）或（10）7.2混頻器雜波抑制：輸出的有用信號(hào)的功率及雜波之間的差值。圖45雜波抑制圖46混頻器混頻器可以進(jìn)行下變頻或上變頻，其輸出的有用信號(hào)分別為（11）或（12）而實(shí)際上混頻器所輸出的頻率成份為（13）其中除了有用的信號(hào)外，其它均為雜波，需要通過改進(jìn)電路設(shè)計(jì)、適當(dāng)增加本振功率等方法來提高混頻器的動(dòng)態(tài)范圍，或者通過濾波器來抑制雜波。由此就已經(jīng)引出了頻率的選擇、計(jì)算和分配的問題了。7.3頻率合成器（包括振蕩器）輸出功率雜波、諧波抑制相位噪聲這里我們只介紹相位噪聲的概念，不進(jìn)行公式推導(dǎo)。我們知道，所有實(shí)際應(yīng)用的信號(hào)源都存在著不穩(wěn)定性，即存在著無用的信號(hào)幅度、頻率或相位起伏。通?？蓪⑦@些無用的頻率或相位的起伏描述為相位噪聲。如圖47所示，由于相位噪聲的存在，引起載波頻譜的擴(kuò)展，其范圍可以從偏離載波小于1Hz一直延伸到幾MHz（加性噪聲的影響）。圖47正弦信號(hào)的噪聲邊帶頻譜圖48一個(gè)實(shí)際信號(hào)的頻譜圖48為在頻譜分析儀上實(shí)際觀察到的RF信號(hào)的頻譜。對(duì)于一個(gè)實(shí)際的信號(hào)，一般存在下面三種情況：a.由于器件老化等導(dǎo)致的長(zhǎng)期不穩(wěn)定性，需要經(jīng)過長(zhǎng)期觀察才能看到。b.由于電源起伏、振動(dòng)等導(dǎo)致的短期不穩(wěn)定性（即在＜1s時(shí)間內(nèi)的頻率變化），為系統(tǒng)的、離散的信號(hào)，他們?cè)谛盘?hào)的頻譜邊帶上表現(xiàn)為截然不同的分量—雜散。通常我們所說的雜散還包括一些寄生的雜波分量。c.隨機(jī)效應(yīng)。隨機(jī)的和冪律噪聲只產(chǎn)生隨機(jī)的短期不穩(wěn)定性，這就是我們通常所說的相位噪聲。隨機(jī)噪聲包括熱噪聲、散粒噪聲和閃爍噪聲。圖49相位噪聲的定義如圖49所示，（單邊帶）相位噪聲通常用在相對(duì)于載波某一頻偏處，相對(duì)于載波電平的歸一化1Hz帶寬的功率譜密度表示（dBc/Hz）。圖50某10MHz溫補(bǔ)晶振（TCXO）的相位噪聲測(cè)試曲線7.4濾波器僅以帶通濾波器為例：插入損耗帶寬：BW-1dB；BW-3dB帶外抑制VSWR群延時(shí)其它圖51帶通濾波器（BPF）的測(cè)試曲線8.微波信道分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、計(jì)算和指標(biāo)分配本節(jié)僅就系統(tǒng)的噪聲、增益、功率以及頻率的指針分配問題作簡(jiǎn)單的討論和分析。8.1噪聲系數(shù)的分配圖52接收系統(tǒng)方框圖對(duì)于圖52所示的接收系統(tǒng)，系統(tǒng)的總噪聲系數(shù)為（14）NF=10logF所以，當(dāng)?shù)谝患?jí)的增益（G1）足夠大時(shí)，接收系統(tǒng)總的噪聲系數(shù)NF就主要取決于第一級(jí)的噪聲系數(shù)（NF1）。也就是說，對(duì)于一個(gè)接收系統(tǒng)，要求第一級(jí)（通常是一個(gè)低噪聲放大器）的噪聲系數(shù)應(yīng)盡可能小些，而增益應(yīng)足夠大。8.2增益和功率的分配增益和功率（實(shí)際上也包括NF）的分配需要結(jié)合在一起來（折衷）考慮。另外，在其分配的過程中所要遵循的主要有以下幾點(diǎn)：①一級(jí)的輸出功率通常應(yīng)滿足：Pout≤P-1-6dB;②考慮該級(jí)G和P-1等的實(shí)際可能情況，亦即實(shí)際部件（或器件）的可實(shí)現(xiàn)性；③功耗（如V,特別是I）；④進(jìn)行級(jí)聯(lián)后的G、NF、P-1、IP3和I等的（復(fù)核）計(jì)算。8.3頻率的分配和計(jì)算關(guān)于頻率的分配和計(jì)算，需要注意以下幾點(diǎn)：①對(duì)于混頻器，應(yīng)計(jì)算的組合頻率分量。m和n一般可以取6階左右；對(duì)于系統(tǒng)中的放大器、振蕩