射频第二讲含作业讲述ppt课件

RFCircuitDesign:TheoryandApplications,1,Topic2,1.无源元件的射频特性,2.传输线,2,主要内容,金属导线射频电阻射频电容射频电感传输线等效电路传输线理论基础,3,金属导线Wire1,在直流和低频领域一般认为金属导线就是一根连接线，不存在电阻、电感和电容等寄生参数。射频/微波范围金属导线不仅具有自身的电阻和电感或电容，而且还是频率的函数寄生参数对电路工作性能的影响十分明显,4,金属导线Wire2,金属导线电阻随频率的变化规律设圆柱状直导线的半径为a，长度为l，材料的电导率为，则其直流电阻可表示为直流交流,集（趋）肤效应,5,集（趋）肤效应,当信号频率f500MHz时，直导线相对于直流状态的电阻和电感可分别表示为由于趋肤效应，交流状态下沿导线轴向的电流密度可以表示为,式中=(f)-1/2集肤深度,J(x)贝塞尔函数,6,金属导线电阻随频率的变化规律,半径a=1mm的铜导线在不同频率下的Jz/Jz0相对于r的曲线,交流状态下铜导线横截面电流密度对直流情况的归一化值,多芯导线的优点,7,WireInductor1,InductanceofStraightWires:L,len,d,美国线规AmericanWireGauge(AWG):,len,d:incmL:innano(10-9)Henry,dinmilli-inch(mil),1mil=10-3inch=0.0254mm,为了使导线尺寸标准化，在美国，普遍采用美国线规（AWG）系统，导线的尺寸由他的AWG值决定。一般规律是每6个线规，导线直径近似提高1倍。起始AWG50，直径1mil。,直导线电感的计算,工程上：,8,WireInductor2,等效电路及模拟结果,9,导线的电容效应,金属导线可以看作一个电极，它与地线或其他电子元件之间存在一定的电容量，这个电容对射频/微波电路的工作性能也会有较大的影响。对导线寄生电容的考虑是射频/微波工程设计的一项主要任务。,10,射频/微波等效模型,金属导线的电阻、电感和电容是射频/微波电路的基本单元。工程中，严格计算这些基本元件的寄生参数是没有必要的，关键是掌握存在这些参数的物理概念，合理地使用或回避，实现电路模块的功能指标。等效准则电流流过磁场电感特性电势差电场电容特性,11,射频/微波电阻,基本功能是将电能转换成热产生电压降。在射频/微波电子电路中使用最多的是薄膜片电阻，一般使用表面贴装元件（SMD）。单片微波集成电路中使用的电阻有三类半导体电阻沉积金属膜电阻金属和介质的混合物在射频应用中，电阻的等效电路比较复杂，不仅具有阻值，还会有引线电感和线间寄生电容，其性质将不再是纯电阻，而是“阻”与“抗”兼有。,12,Resistor1,高频电阻:,equivalentcircuit,R,Ls,Ls,Cp,Z:impedancefr:resonancefrequency(谐振频率),13,Resistor2,例子:,金属薄膜电阻具有#14的引线,两端各0.5英寸长。R=10k,C=0.3pF,1.,2.阻抗-频率曲线:,ZR,Freq.,fr,fr/2,14,Resistor3,等效电路及模拟结果,15,电容（Capacitor）1,各类电容：,goodcapacitorsathighfreq.:ceramic(陶瓷),mica(云母)largecapacitance:tantalum(钽),electrolytic(电解),电源稳定电路:,Vcc,optional,C1,C2,C3,device,C1:10Felectrolytic(电解)C2:0.1Fmylar(薄膜)C3:1nFceramic(陶瓷),C1,C2,C3asclosetodeviceaspossible,应用实例,16,Capacitor2,高频电容:,equivalentcircuit:,Ls,C,Rs,Rp,Ls:leadinductanceRs:heat-dissipationlossRRp:isolationR(漏电流产生)C:idealcapacitance,17,Capacitor3,电容在高频中的阻抗:,Note:1.Atlowf:acapacitorlookslikeaR=Rs+Rp2.Atveryhighf:acapacitorlooklikeaninductorL3.AsmallCcanbemorecapacitor-likethanalargeCbecauseofL,18,Capacitor4,等效电路及模拟结果,19,射频电感,在电子线路中常用的电感器一般是线圈结构，在高频率下也称为高频扼流圈。其结构一般是用直导线沿柱状结构缠绕而成。导线的缠绕构成电感的主要部分，而导线本身的电感可以忽略不计,20,绕线电感（Air-coilInductor）1,equivalentcircuit:,Rs,Cd,L,Rs:seriesresistanceofwireCd:distributedcapacitance,21,绕线电感2,绕线电感:,工程上：,绕线电感：,N为绕线匝数,22,绕线电感3,等效电路及模拟结果,23,实例1,一个N=3.5的铜电感线圈，线圈半径为1.27mm，线圈长度为1.27mm，导线半径为63.5m。假设它可以看做一细长螺线管，求其射频下的特性。电感部分求得L=61.4nH。导线的自身阻抗求得Rdc0.034。,铜的电导率,24,实例2,电容CsCs可以看做平板电容产生的电容极板间距离假设为两圈螺线间距离极板面积可求得Cs=0.087pF。,为绕成线圈的导线总长度,根据,25,实例3,26,常用射頻电路模拟软件,Ansoft_Designer_StudentVersion,AWRMicrowaveOffice,AgilentADS,EagleWareGENESYS,Ansoft_Designer,Ansoft_HFSS,27,传输线的信号传输:,z,Zo:characteristicsimpedance(特性阻抗)a:attenuationconstant(衰减常数)b:phaseconstant(相移常数)g:propagationconstant(传输系数、传播常数),传输线理论基础,*注意坐标原点的选取是在始端还是终端,28,传输常数（Propagationconstant,g）和特性阻抗（Zo）:,传输线等效电路:,R,L,G,C:forunitlength,传输线的等效电路1,29,传输线的等效电路2,解二阶微分方程得:,考虑到：,有：,定义特性阻抗：,30,一般传输线方程,传输线的传输系数可写成：,大多数射频传输线损耗都很小，即：,为传输线的衰减常数：,Y0定义为传输线的特性导纳：,特性阻抗Characteristicimpedance（Zo）:,传输线三大公式之一,相移常数：,31,传输常数和特性阻抗:,在无损耗情况下():,无损耗传输线,无耗传输线特性阻抗,波数或无耗线路的传播常数,相速度,特性阻抗和频率无关，L、C值是由实际传输线结构來決定的。,32,特性阻抗中L、C值是由实际传输线结构來決定的。,以同轴电缆线（CoaxialCable）为例：,传输线的特性阻抗实例,若介质为自由空间，,对于平板传输线：,d,w,33,1,1,终端反射系数：,VL=V-+V+,G,T,反射系数、传输系数,2,2,传输线三大公式之二,负载端（z0）情况,z,Z=0,反射系数和传输系数,波阻抗：,34,反射系数,定义归一化负载阻抗为：,其中L定义为负载端的电压反射系数:,当ZL=Z0或为无限长传输线时，L=0，无反射波，是行波状态或匹配状态当ZL为纯电抗元件或处于开路或者短路状态时，|L|1，全反射,为驻波状当ZL为其他值时，|L|1，为行驻波状态,线上任意点(z=-l)的反射系数为：,35,传输线输入阻抗,Distantreflection:,=,From:,Find:,传输线三大公式之三,l,2/,输入端（zl处）情况,Z=0,等效输入阻抗,36,Openandshortbranchesoftransmissionline:,When,np=bl,bl=(n+1/2)p,open,short,idealopen(并联谐振),idealshort(串联谐振),idealopen(开路，并联谐振),idealshort(短路，串联谐振),n/2,(2n+1)/4,(1/2波长),(1/4波长),*2/,开路和短路（Open&Short）传输线,37,波长和波长传输线,当传输线长度为1/2波长的整数倍时，输入阻抗负载阻抗，与特性阻抗无关,当传输线长度为1/4波长的整数倍时，,根据上述关系，可制成1/4波长阻抗变换器,38,回波损耗（ReturnLoss）:,ReturnLoss（RL)=,dB,Thehigherreturnlossimplieslessreflection.,电压驻波比（VoltageStandingWaveRatio）:,VSWR=,VSWR=1fornoreflectionandfortotalreflection.,插入损耗（InsertLoss）:,InsertLoss（IL)=,VSWR,RLandIL,39,请填入？空格之正确数值及找出数值错误者,较佳规格,基本规格,最低规格,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,常用回波损耗（RL）&电压驻波比（VSWR）对照表,反射损耗=,即插入损耗,40,同轴线（coaxialcable）,带状线（stripline）,微带线（microstrip）,带地共面波导（coplanarwaveguidew/GND）,常见传输线实际结构图,41,微带线应用实例,42,微带线应用实例,43,微带线,微带线已成为射频/微波电路中首选的电路结构，其主要特点有：微带线是一种准TEM波传输线，结构简单计算复杂，由于各种设计公式都有一定的近似条件，因而很难得到一个理想的设计结果工程效果不错，便于器件的安装和电路调试，产品化程度高主要有两大类：射频/微波信号传输类高速逻辑信号传输类,44,微带线基本设计参数,微带线的相关设计参数如下：基板参数:基板介电常数r、基板介质损耗角正切tan、基板高度h和导线厚度t。导带和底板（接地板）金属通常为铜、金、银、锡或铝。电特性参数:特性阻抗Z0、工作频率f0、工作波长0、波导波长g和电长度（角度）微带线参数：宽度W、长度L和单位长度衰减量AdB,45,微带线基本设计参数,构成微带的基板材料、微带线尺寸与微带线的电性能参数之间存在严格的对应关系。微带线的设计就是确定满足一定电性能参数的微带物理结构。相关计算公式有：综合公式分析公式,微带线的横截面结构示意图,46,综合公式,已知传输线的电特性参数（Z0、），求微带线的物理结构参数（W、L、AdB）。,高阻Z044-2r,47,综合公式,48,分析公式,已知微带线的物理结构参数（W、L、AdB）,求电特性参数（Z0、）,宽带W3.3h,窄带W3.3h,高阻Z044-2r,低阻Z044-2r,49,微带线的设计方法,目前使用的方法主要有：查表格按相对介电常数选表格查阻抗值、宽高比W/h、有效介电常数e三者的对应关系，只要已知一个值，其他两个就可查出计算，通常h已知，则W可得，由e求出波导波长，进而求出微带线长度用软件MicrowaveOfficeMathCAD,50,波导传输线简介,通常使用的是矩形波导,基本结构尺寸是ab的矩形横截面，长度一般要大于几个波长。波导内传输的是色散波，波导内的波长比自由空间波长大,为波导的尺寸选择原则是，只有主模传输，有足够的功率容量，损耗小，尺寸尽可能小。考虑这些因素，通常取a=0.7,51,波导尺寸,波导尺寸与信号的工作频率有关，可以想象，波导ab一定，所能传输的信号只是一个频率段。为了加工方便，连接规范，国家对波导ab有标准规定，由铜材加工厂生产不同频段的标准波导。在此基础上设计波导元件，截短使用，进行加工和表面处理。下表给出了波导标准频段和尺寸,52,波导标准频段和尺寸,53,同轴线,同轴线广泛应用于射频和微波低端，同轴线与微带的连接很方便。一般地，同轴线分为三类：刚性同轴线主要是空气介质的同轴元件和陶瓷类刚性介质的同轴元件，这类元件尺寸比较灵活，由设计而定软同轴电缆用于信号传输、系统连接和测试仪器，尺寸有国家统一标准半刚性电缆主要是系统连接，尺寸有国家标准，根据实际需要选用。,54,同轴尺寸选择原则,对于软同轴电缆和半刚性电缆，其标准国内外厂家均有手册可参阅，这类电缆要和同轴接头配套使用。,同轴线的尺寸选择原则是，只有主模TEM模传输，有足够的功率容量，损耗小，尺寸尽可能小。尺寸的选择就是决定内导体外半径a和外导体内半径b的值。按照这些条件可归纳不同用途的同轴线尺寸：,55,微带线计算实例,已知Z0=75，=30，f0=900MHz，负载为50，计算无耗传输线的特性：反射系数L，回波损耗RL，电压驻波比VSWR输入阻抗Zin，输入反射系数in基板为FR4的微带线宽度W、长度L及单位损耗量AdB基板参数：基板介电常数r=4.5，损耗角正切tan=0.015，基板高度h=62mil，基板导线金属铜，基板导线厚度t=0.03mm。,56,微带线计算实例,解：,57,微带线计算实例,(3)用MicrowaveOffice和Mathcad11可以计算出微带物理参数如下：,W=1.3