微波電路及設計的基礎知識

1、微波電路及設計的根底知識1 .微波電路的根本常識2 .微波網絡及網絡參數(shù)3 .Smith圓圖CAD軟件4 .簡單的匹配電路設計5 .微波電路的計算機輔助設計技術及常用的6 .常用的微波部件及其主要技術指標7 .微波信道分系統(tǒng)的設計、計算和指標分配8 .測試及測試儀器9 .應用電路舉例微波電路及其設計1 .概述所謂微波電路,通常是指工作頻段的波長在10m1cm(即30MHz30GHz)之間的電路.止匕外,還有毫米波(30300GHz)及亞毫米波(150GHz3000GHz)等.實際上,對于工作頻率較高的電路,人們也經常稱為“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

2、、結構、電路的形式、元器件以及設計方法等方面,與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特的地方.作為一個獨立的專業(yè)領域,微波電路技術無論是在理論上,還是在材料、工藝、元器件、以及設計技術等方面,都已經開展得非常成熟,并且應用領域越來越廣泛.另外,隨著大規(guī)模集成電路技術的飛速開展,目前芯片的工作速度已經超過了1GHz.在這些高速電路的芯片、封裝以及應用電路的設計中,一些微波電路的設計技術也已得到了充分的應用.以往傳統(tǒng)的低頻電路和數(shù)字電路,與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應用也會越來越多.2 .微波電路的根本常識2.1 電路分類2.1.1 根據傳輸線分類微波

3、電路可以根據傳輸線的性質分類,如：圖1微帶線圖2帶狀線圖3同軸線4圖4波導HDIELECTRICER圖5共面波導2.1.2 根據工藝分類微波混合集成電路：采用別離組件及分布參數(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:采用半導體工藝的微波集成電路.圖6微波混合集成電路例如圖7微波集成電路MIC例如圖8微波單片集成電路MMIC例如2.1.3 微波電路還可以根據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、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11開路線圖12短路線

4、W圖13直角拐彎線圖14階梯線7A圖18十字結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體器件.Termination(Finegrainedhighdensityceramicdielectric)圖19片狀迭層電容及單層電容Terminal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微波三極管和場效應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 常用的微波介質基片我們經常使用的微波介質材料如表1所示表1幾種經常使用的微波

5、介質材料名稱介電常數(shù)r備注聚四氟乙烯玻璃纖維基片2.7國產、進口陶瓷A2O3基片99%9.6國產、進口微波復合介質基片可選國產RT/duroid58802.2Rogers公司RO40033.38Rogers公司TMM10I9.8Rogers公司RT/duroid?SeriesRO4000?SeriesTMM?Series圖27Rogers公司生產的幾種微波介質基片3 .微波網絡及網絡參數(shù)3.1 具有特定內容含義的特殊微波網絡3.1.1 平行耦合線定向耦合器I圖28平行耦合線定向耦合器3.1.2 蘭格Lange定向耦合器0-5-15-25-35一DB(|S2,1|)LangeCoupler_DB

6、(|S3,1|)LangeCouplerDB(|S4,1|)LangeCoupler1012Frequency(GHz)14圖29Langete向耦合器3.1.3 威爾金森Wilkinson功分器/合路器11-40WilkinsonPowerDivider-10-20-30192120Frequency(GHz)1822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FPE0,以frq.GHz圖32微帶線低通濾波器3.1.6 平行耦合線帶通濾波器0il2LSLbaxtAIMJCSIBG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

7、移相器及分支線定向耦合器等,也都具有固定特定的網絡形式.3.2 一般網絡微波網絡是由各種微波組件根據需要組合而成,所以網絡的形式具有任意性.上面介紹的那些特殊網絡只是其中一些典型的形式而已.一般來說,簡單的網絡通常是窄帶的電路,如入g/4線.這一點,在設計寬帶匹配電路時,需要引起注意.3.3 網絡參數(shù)我們經常使用S參數(shù)即散射參數(shù)來描述微波網絡.以下面的二端口網絡為例.TWOPORTNETWORK圖34二端口微波網絡在圖34所示的二端口微波網絡中,al和bl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.二端口微波網絡的輸入和輸出之間的關系可以表示(

8、1)bl=sllals12a2b2=s21a1s22a21b1a1|S|12bl匕2一其中,s11s12S=|s21s22(2)式1稱做散射方程,S】叫散射矩陣或散射參數(shù).由式1可以得出二端口網絡的S參數(shù)為:b1-I一,一一“S11=a24,即當埠2匹配時ZL=Z0,埠1的反射系數(shù)；a1b2,S22=|a1期即當埠1匹配時Zs=Z0,埠2的反射系數(shù)；a2b1,S12=aw,即當埠1匹配時,埠2到埠1的傳輸系數(shù)；a2b2,S21=a2白,即當埠2匹配時,埠1到埠2的傳輸系數(shù).a1通過上面的分析我們可以看出,微波網絡的S參數(shù)具有確定的物理意義.實際上,我們以往所經常使用的如Z參數(shù)、Y參數(shù)和H參數(shù)等

9、均可以通過計算與S參數(shù)互相換算.但在微波頻率上,只有S參數(shù)是可以測量出來的,這樣也就解決了微波網絡參數(shù)的測量問題.另外,對于端口數(shù)為N的多端口網絡,我們同樣可以得到類似于式1的表達式,這時S為NXN維的矩陣.4 .史密斯Smith圓圖Smith圓圖是一個非常有用的圖形化的匹配電路設計和分析工具,且方便有效,在微波電路設計過程中會經常用到.另外,Smith圓圖有阻抗圓圖和導納圓圖兩種形式,可以視具體情況選用.圖35Smith阻抗圓圖圖36Smith圓圖的應用例如TheCompleteSmithChartBlackMagicDesignRtriDJ圖37圖解用的Smith圓圖標準圖紙由圖35我們可

10、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jcoL、電容平面1/jaC、開路點、短路點和50Q點等等.當然,相對應的在導納圓圖中也存在等電導圓和等導納線等.5,簡單的匹配電路設計舉例晶體管放大器匹配電路設計例如6,微波電路的計算機輔助設計技術及常用的CAD軟件自20世紀70年代以來,微波電路CAD技術已經取得了很大的進步.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、幅員生成及輸出、與測試儀器接口等功能,并有許許多多的電路模型庫、組件庫、半導體器件的線性模型庫和非線性模型庫等

11、可供選擇,應該可以說是功能強大、使用方便、應有盡有.而另一方面,微波電路CAD軟件也已被廣泛應用于各種微波電路的設計,并成為微波工程師必須掌握的設計工具.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：線性/非線性微波電路仿真軟件；2.5D平面電路電磁場仿真軟件；3D電磁場仿真軟件；系統(tǒng)仿真軟件；專用電路的設計軟件.排版軟件表2主要的微波電路CAD軟件簡介序號名稱主要性能商1ADS綜合軟件包Agilent2Serenade綜合軟件包Ansoft3MWOffice線性/非線性電路、2.5D電磁場仿真AWR4GENESYS線,性/非線性電路、濾波器設計等Eagleware

12、5MMICAD線性/非線性電路設計OPTOTEK6Momentum2.5D平面電路電磁場仿真Agilent7Ensemble2.5D平面電路電磁場仿真Ansoft8em2.5D平面電路電磁場仿真Sonnet9HFSS3D電磁場仿真Ansoft10MWStudio3D電磁場仿真CST11Symphony系統(tǒng)仿真Ansoft12Clementine共形天線設計Ansoft13Protel電路板布線PROTEL14AutoCAD電路板布線Autodesk6.2 微波電路計算計輔助設計-簡介微波電路計算計輔助設計CAD技術是電子設計自動化EDA技術的一個分支,用于射頻及微波電路的計算機仿真和優(yōu)化設計.

13、6.2.1 微波電路CAD的特點及主要內容與其它電子EDA技術相比,微波電路CAD軟件具有以下幾個特點：必須有精確的傳輸線模型和各種器件模型;有時必須采用電磁場仿真等數(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、交調和諧波特性等、優(yōu)化設計、容差分析、2.5D及3D電磁場仿真、布線和幅員設計等,甚至還可以包括微波器件的建模和參數(shù)提取以及計算機輔助

14、測試.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)矩陣級聯(lián)計算.非線性電路：Spice、諧波平衡法、包絡仿真法等.電磁場仿真：常采用矩量法和有限元法等數(shù)值計算方法.6.2.3 優(yōu)化給定電路的網絡拓撲結構、各個組件的初始值,以及電路的設計指針的目標參數(shù),CAD軟件將自動改變各組件值,直到滿足要求.CAD軟件通常都具有的,也是最常用的優(yōu)化方法是隨機優(yōu)化和梯度法.當然,一些軟件還提供了其它的優(yōu)化方法供選擇.6.2.4 設計步驟微波電路CAD設計的步驟可大致總結如下：根據技術性能指針的要求,選擇半導體器件.對于不需要半導體器件的微波無源電路,根據技術性能指針的要求,選擇網絡拓撲結構.

15、根據所選器件的具體參數(shù),設計匹配電路的拓撲結構. 確定或計算電路中各個組件的初始值. 根據技術性能指針的要求,設置優(yōu)化目標或參數(shù). 根據經驗或試驗性地選擇假設干優(yōu)化變量或組件. 選擇優(yōu)化方法,并進行優(yōu)化. 進行容差分析. 進行幅員的設計并輸出幅員. 進行性能指針的復核,進行幅員的檢查,并提出結構設計的要求.6.2.5幾點經驗和建議 必須保證器件選擇、匹配電路或網絡拓撲設計的正確性.電路中各組件初始值的選擇應盡量準確.這將有利于優(yōu)化計算的快速收斂,并保證優(yōu)化設計能夠到達全局最優(yōu)點,而不是局部的極小或極大點. 對于存在多個優(yōu)化目標參數(shù)的一般情況,應根據實際的需要,分出主次或考慮折衷,并進行加權.

16、關于優(yōu)化變量或組件的選擇,一方面可以根據自己的經驗,另一方面也可以先選擇其中幾個進行試探.特別是當組件或變量較多時,一般不主張都選擇為優(yōu)化變量. 對于優(yōu)化方法的選擇,通常是先隨機法,后梯度法,這樣將有助于使設計到達全局最優(yōu). 在電路設計的過程中,必須要考慮組件標稱值的因素.另外對于分布參數(shù)電路,電路參數(shù)的取值必須要符合相應的工藝要求.6.3設計舉例6.3.1 例1:2GHz低噪聲放大器的設計頻率范圍：1.952.05GHz;管子型號:AT-41411,為微波雙極晶體管CAD軟件：ADSOptimizationofannplifierinputandoutputmatchingneteorksf

17、orgain,inputmatch,outputmatch,ardnoisefigure.Ihegoalsbelowarenotdsatisfied.以K=RbMIWHf*RtrffCb-6fRi-naCod-91Cc-BbHRIM-5DQUHDG91CI膽LiralflfU&*rf-DsBEdTncStctkKs-n制葡餐才產IhcAGo-演射確厘Mt做3OfiiniiinW嗚htlOlfk鄴FUGHePARAMETERSWieiD中TSaHHtelH*MbrHMap明日首北m1心口區(qū)RfilnnH題由hGdIWjQM印1叫sr:MstaceNHYTkfa=Hk-1QFtyIF假113k%l

18、t孫第GlkIRok瓜包0陽.海于響酎瞇式博DCtMDlftd；GoJWitfFH鄴呀-slMZ二5fc-ID帆上叼岫曲川/啊煙13HlL=72-2七201內*C5圖382GHz低噪聲放大器電路徐咽Ten肉OiaGoFqFMBa-xMafcWkfa=lfax-Z2MgttiO際加Ra0MO堡GHz20.016.0msTBdmsTBd12.08.004.000.0000.001004006010800M0C20C40IG6CIC8(23D2(O(236CE800Gfreq,HzooooO0026048112_0.00019-2(vrfarneMlBd(VFrlaBd0.020(400600800

19、1M0(2O0O(6OC8(202C22(40!(60(8QO0Gfreq,Hzfreq,GHz圖382GHz低噪聲放大器仿真結果6.3.2 例2:5GHz發(fā)夾式微帶線帶通濾波器的設計CAD軟件：MomentumF|-:-:|7-:.|.|;:泡：|-:-|-:|:|:|1-:|FUNDAMENTAL(fv審土,1:1SLOP3RD-OROERPRODUCTS3:1SLOPE圖44基波分量、三階互調分量和三階交叉點舊=%421M3(9)或IM3=3Pout-2IP3(10)7.2 混頻器flFfRFffLO圖46混頻器混頻器可以進行下變頻或上變頻,其輸出的有用信號分別為f|F=|fRF-fLO(11)或fRF=fL0+f|