射频微波工程设计基础.ppt

射频/微波电路设计 授课教师 耿志卿 课程性质：考试课 学科基础：微波技术与天线 其他说明：1、缺勤及作业未交：-3分，累计4次及以 上按挂科处理。 2、上课主动回答问题正确：+3分。 3、上课被动回答问题正确：不加分，被 动回答问题错误-9分，可采取其他措施弥补。 课程性质和成绩评定 参考书： 1、微波电路设计 韩庆文 清华大学出版社 2、射频/微波电路设计导论 雷振亚 西安电子科技大学出版社 3、射频与微波电子学 拉德马内斯 科学出版社 课程参考书 为什么要学习射频/微波电路课程 为什么要学习射频/微波电路课程 为什么要学习射频/微波电路课程 为什么要学习射频/微波电路课程 为什么要学习射频/微波电路课程 课程目标 1、掌握射频/微波电路设计的基本概念、基本分 析方法。 2、了解常用微波元器件的基本参数指标，如功 分器、衰减器等。 3、掌握微波传输线、匹配网络、滤波器、放大 器等基本微波电路的设计方法。 4、掌握常用微波电路设计软件的基本操作方法 ，如史密斯圆图软件，ADS软件等。 射频/微波的频率范围 1 射频/微波电路设计简介 2 无源元件的射频特性 3 射频/微波设计的重要参数 4 射频/微波设计软件 5 第一章 射频/微波工程设计基础 电磁波谱 低频(Audio/RF)微波光学频率 30M4GHz，射频（RF） 频谱划分 无线电频段的基本用途 频频段基本用途备备注 VHF、UHF (30MHz3GHz) 电视 广播、警察、防灾、道 路、电力、矿山、汽车、火 车、航空、卫星通信、行业 专用指挥系统、个人无线电 、气象雷达、地面雷达、海 事雷达、二次雷达、生物医 学、工业加热等 技术发 展成熟，应用范围最 广，频谱 最拥挤 SHF (3GHz30GHz) 公用微波中继通信、行政专 用中继通信、卫星电视 、导 航、遥感、射电天文、宇宙 研究、探测制导、军用雷达 、电子对抗等。 穿透大气层，广泛应用于空 间技术 EHF (30GHz300GHz) 各种小型雷达、专门 用途通 信、外太空研究、核物理工 程、无线电 波谱学。 尺寸更小，接近红外线，与 近代物理学相关 第一章 射频/微波工程设计基础 微波的频率范围 1 射频/微波电路设计简介 2 无源元件的射频特性 3 射频/微波设计的重要参数 4 射频/微波设计软件 5 射频/微波电路设计简介 射频/微波的主要特性 射频/微波设计的基本特点 射频/微波设计的困难 射频/微波的主要特性 似光性 射频/微波能像光线一样在空气或其他媒体中以光速沿直 线传播。 穿透性 射频/微波照射于介质物体时，能深入该物体内部的特点 称为穿透性。 非电离性 射频/微波与物质相互作用时，虽能改变其运动状态， 但不能改变物质分子的内部结构。 信息性 射频/微波波段信息容量巨大，即使很小的相对带宽也具 有很宽的可用频带。 射频/微波电路设计简介 射频/微波的主要特性 射频/微波设计的基本特点 射频/微波设计的困难 射频/微波设计的基本特点 “场”的分析方法 从麦克斯韦方程出发，在特定边界条件下求解 电磁波动方程，获得场量的时空变化规律，分 析电磁波沿线的各种传输特性； “路”的分析方法 传输线作为分布参数电路处理，用基尔霍夫定 律建立传输线方程，获得传输线上电压和电流 的时空变化规律，分析电压和电流的各种传输 特性。 射频/微波设计的基本特点 将“场”的分析方法和 “路”的分析方法用于研 究同一问题，所得结论是一致的 相对于严谨的麦克斯韦方程组及其数值解 法，“路”的方法具有更好的实用性射频/ 微波工程师们的常用方法。 射频/微波电路设计简介 射频/微波的主要特性 射频/微波设计的基本特点 射频/微波设计的困难 射频/微波设计的困难 射频/微波系统的设计不仅仅需要理论运算 支持，更加需要工程经验方面的保证 不同的设计师对于射频/微波电路设计中的 问题也可能有多种解决方案 设计者的经验积累是电路设计是否成功的 保证，这些需要在不断的实做过程中积累 进步。 第一章 射频/微波工程设计基础 微波的频率范围 1 射频/微波电路设计简介 2 无源元件的射频特性 3 射频/微波设计的重要参数 4 射频/微波设计软件 5 无源元件的射频特性 在射频/微波波段，通常意义下的金属导线 、电阻、电容和电感都不再是单纯的元件 金属导线 电阻 电容 电感 金属导线 低频电路：传导(Conductor)，是一根良导 体的连接线，电阻、电感、电容等寄生参数 可以忽略不计，传导电流在整个导体横截面 上呈均匀分布 射频/微波频段：guide line，导线起的是引 导作用，引导电磁波的传播方向 具有自身的电阻、电感或电容， 是频率的函数， 寄生参数对电路工作性能影响极大 金属导线 一根半径为a，长度为l，材料电导率为的圆 柱形铜导体，直流电阻为： 直流条件下，可认为导线的全部横截面都用 于传输电路，电流密度为： 金属导线 “趋肤效应” 交流情况下，交变电荷载流子流动形成了交变 磁场，该磁场感应电场的电流密度与原始电流 正好相反，这种效应在导体中心位置即r=0处表 现最强，导致导体中心处电阻明显增加 随着工作频率的提高，电流的分布也趋于导体 外表面 导体截面的电流密度已经不再均匀，而是随着 观测点距离导体中心的位置而变化的 不良效应：导体通过电流的有效横截面积减小 ，会导致导体的电阻增加。 趋肤效应 Z方向电流密度幅值： r=a时的电流 密度 导体的趋肤 深度 趋肤效应 高频条件下的电阻和电感的表达式： 高电流密度 低电流密度 交流状态下横截面电流密度 对直流电流密度归一化值 无源元件的射频特性 在射频/微波波段，通常意义下的金属导线 、电阻、电容和电感都不再是单纯的元件 金属导线 电阻 电容 电感 电阻 单片微波集成电路中电阻有三类：半导体 电阻、沉积金属膜电阻和金属与介质的混 合物。 等效电路 射频情况下一引线电阻的总阻抗对频率的射频情况下一引线电阻的总阻抗对频率的 变化曲线变化曲线 无源元件的射频特性 在射频/微波波段，通常意义下的金属导线 、电阻、电容和电感都不再是单纯的元件 金属导线 电阻 电容 电感 电容 电容器阻抗特性表示为电导和电纳的并联形 式 介质的电导率 一带引线的极板间填充一带引线的极板间填充AlAl 2 2 OO 3 3 介质电容器的介质电容器的 等效电路频率响应等效电路频率响应 在高频段实际电容与偏离理想电容偏差较大 无源元件的射频特性 在射频/微波波段，通常意义下的金属导线 、电阻、电容和电感都不再是单纯的元件 金属导线 电阻 电容 电感 电感 电感的等效电路 线圈电感阻抗的绝对值与频率的关系线圈电感阻抗的绝对值与频率的关系 线圈电感的高频特性已经完全不同于理想电感 第一章 射频/微波工程设计基础 微波的频率范围 1 射频/微波电路设计简介 2 无源元件的射频特性 3 射频/微波设计的重要参数 4 射频/微波设计软件 5 射频/微波设计的重要参数 频率 功率 阻抗 频率 频率是射频/微波工程设计所涉及的最基本 参数，对应于无线系统的工作频谱范围， 工作频率将直接决定电路的结构形式和所 选用的器件与材料。 直接影响射频/微波信号频率的电路： 信号发生器 频率变换器 频率选择电路 射频/微波设计的重要参数 频率 功率 阻抗 功率 功率描述射频/微波信号能量 影响射频/微波信号功率的主要电路： 衰减器 功分器 耦合器 放大器 射频/微波设计的重要参数 频率 功率 阻抗 阻抗 阻抗是在特定频率下，描述各种射频/微波 电路对微波信号能量传输影响的参数。 阻抗参数所涉及的射频/微波电路： 阻抗变换器 阻抗匹配器 天线 第一章 射频/微波工程设计基础 微波的频率范围 1 射频/微波电路设计简介 2 无源元件的射频特性 3 射频/微波设计的重要参数 4 射频/微波设计软件 5 射频/微波设计软件 MATHCAD 史密斯圆图仿真软件 Microwave Office软件 ADS软件 MATHCAD MATHCAD是由MathSoft公司推出的一种交 互式数值系统 1、MATHCAD软件是功能全面的数学工具软件 ，既是一个优秀的计算平台，又是一个优秀的写 作平台，并达到了双优的境界。 2、MATHCAD能定义变量和函数等，能创建3D 图，能进行数据分析和计算，常微分方程、最优 化问题、统计函数、偏微分等的求解，以及丰富 的函数库，这些功能一般都要在微波电路设计的 辅助分析与计算当中用到 射频/微波设计软件 MATHCAD 史密斯圆图仿真软件 Microwave Office软件 ADS软件 史密斯圆图仿真软件 史密斯圆图软件是一 种非常直观的理论验 证软件，用户可以通 过此软件，调整电路 设计参数，检验电路 的匹配特性，此软件 可以使得用户能更加 深入的理解史密斯圆 图的使用方法，对史 密斯圆图理论的学习 有很大帮助。 射频/微波设计软件 MATHCAD 史密斯圆图仿真软件 Microwave Office软件 ADS软件 Microwave Office软件 Microwave Office是美国AWR公司出品的 高频电路和微波系统设计软件 是一款针对微波混合、模块以及MMIC 设计 的综合性性软件，能为线性与非线性微波 电路设计提供完整的解决方案。 工作界面 射频/微波设计软件 MATHCAD 史密斯圆图仿真软件 Microwave Office