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。,第一章 射频/微波工程设计基础,电磁波谱,30M4GHz，射频（RF）,频谱划分,无线电频段的基本用途,第一章 射频/微波工程设计基础,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,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：,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,令,一带引线的极板间填充Al2O3介质电容器的等效电路频率响应,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,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,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软件 ADS软件,ADS软件,ADS ( Advanced Design