第二章射频通信电路基础.ppt

第二章射频通信电路基础 本章节介绍了射频通信电路中噪声 非线性以及常用的微带传输线等各种元件的特性和工作原理 包括 1 噪声限制了系统所能处理的最低信号电平2 微带传输线射频通路中的连线不再仅仅表示连接关系3 S参数无法准确测量电压电流时测量入射波和反射波4 元件射频微波无源和有源元件5 非线性限制了系统所能处理的最高电平 3 等效网络表示 在低频电路理论中 以电压和电流关系表示的Z Y h或ABCD参数Z Y h或ABCD测试需要的开路 短路条件在微波频段难以实现 因此这些参数在高频情况下很难准确地测量 在微波频段 描述网络特性最常用的是S参数和T参数 这些参数是根据传输波来定义的 需要了解信号通过电路或被电路反射的情况 而可以不关心电路本身的细节 因此可以将电路看做是一个具有一个或多个端口的 黑箱 我们只需要知道 黑箱 各个端口之间的等效网络特性就足够了 没必要了解 黑箱 内的具体电路 3 1多端口网络 具有n个端口的多端口电路系统端口i处的总电压和电流为 端口i处的电压与所有端口的电流有线性关系 3 1多端口网络 整个电路因此可以用阻抗矩阵 Z 来表示 也可以用导纳矩阵 Y 来表示 阻抗矩阵和导纳矩阵互为逆矩阵 矩阵单元和就成为Z参数和Y参数 对于互易的电路 矩阵具有对称结构 即 按器件与系统连接的端口数分 一端口器件 终端匹配负载 终端失匹器 终端反射器 反射式谐振器 微波振荡器 激光器 微波检波器 光探测器 二端口器件 光纤连接器 衰减器 移相器 匹配器 隔离器 光纤光栅 通过式谐振器 滤波器 不同波导间的过渡器 三端口器件 环形器 矩形波导的E分支 H分支 Y分支 1 2光纤耦合器 解复用器 四端口器件 定向耦合器 矩形波导的双T 魔T 更多端口器件 光纤星形耦合器 3 1多端口网络 3 1多端口网络 两端口网络是最常见的多端口电路网络结构 当负载连接到端口2时 端口1的输入阻抗为 注意 测量的条件为Ik 0微波段不易实现宽频的短路和开路 对于放大器电路 负载短路可能会导致电路的不稳定 同样 测量的条件为Vk 0微波段不易实现宽频的短路和开路 3 1多端口网络 电路结构级联后的特性可以通过传输 T 矩阵来方便计算 这种矩阵又被称为ABCD矩阵 上图计算可得 网络级连的ABCD矩阵及其应用 3 2散射矩阵 在微波频率段由于频率过高 不能获得端口处的准确电压和电流 因而难以直接Z参数和Y参数 同时对于某些有源电路 测量引入的负载阻抗容易导致电路不稳定而容易烧毁 这种情况下入射波和反射波是易于测量的 因而用入射波和反射波表示网络端口状态就成为很自然的选择 散射参数或S参数通过测量入射波电压和反射波电压得到 3 2散射矩阵 对于一个通用的模型 例如同时具有同轴和波导接口的电路 特征阻抗应该可以取不同的值 因此为了便于分析 入射波和出射波电压需要归一化 总电压和电流用归一化电压可以表示为 进入i端口的功率为 从端口i流出的功率为 3 2散射矩阵 归一化波利用散射矩阵可以表达为 即 散射矩阵 S 就表示网络入射波和出射波之间关系 以矩阵单元的形式可以表示为 3 2散射矩阵 如果只以端口i为输入端 其他端口都接匹配负载 端口i的出射波即为此端口的反射波 反射系数 从端口i到端口j的传输功率增益 3 2散射矩阵 散射矩阵特性 1 互易电路其散射矩阵是对称的散射矩阵的转置不变大部分无源电路是互易的 而引入铁氧体元件的电路是个例外 2 无耗电路散射矩阵是幺正的 即矩阵的转置等于矩阵共轭的逆无耗电路散射矩阵的任意列或任意行 其平方和为1散射矩阵的任意两列和任意两行 其乘积之合为零 长度为l 特征阻抗为的无耗传输线 如图 所示 两端口的特征阻抗都为 当一个端口接匹配负载时另一端口的反射系数为0 因此 如果端口1的入射波电压为 端口2的出射波电压为 由于矩阵的对称性 3 2散射矩阵 例子 两段相连的传输线如图 2 38所示 传输线端口的特征阻抗分别为和 端口的参考面距离连接面 如果 则 电压传输系数为 从公式 2 61 2 62 可以得到出射波电压 如果 根据对称性可得 3 2散射矩阵 例子 3 2散射矩阵 3 负载为的单端口电路 它的散射矩阵仅有一个参数即传输线从负载获得的电压反射系数 5 改变端口的参考面仅改变S参数的相位值 如1端口移动参考面的电长度为 则变为 变为 变为而保持不变 4 S参数易于获得 如通过测量端口1的电压反射系数获得 此时其他所有端口都接匹配负载 3 2散射矩阵 当电路有多个模块级联时 散射矩阵不利于直接计算 此时可采用传输矩阵 T 对于两端口网络 二端口网络各种参数矩阵换算表 p 362 等价 典型电路和元件的网络参数 实质上 Z Y h ABCD S T等参数都是等价的 是同一电路或元件的不同表征形式而已 之所以微波段常用S参数 是因为其易测量 采用Agilent的矢量网络分析仪 但这并不表示微波电路设计中不能用Z Y或ABCD参数 实际上 在分析和设计微波电路时 巧妙地使用Z Y或ABCD参数往往能收到事半功倍的效果 建议流程 熟记典型电路的ABCD参数 当然 若记不住 用的时候能查到亦可 实际电路往往是多个典型电路的级联 ABCD矩阵相乘即可 查找转换关系表 写出相应的所需参数按定义求解是万能的 但应放在最后的方法ADS仿真中 可先仿S参数 再用stoabcd stoz stoy stot stoy 函数得到相应的其他参数 ADS演示 典型电路的ABCD参数 Pozarbook的扉页 思考 S参数的局限性 仅适用于线形系统 但射频电路中存在诸多的非线性 如何解决 有兴趣的同学可Google Xparameter 呵呵 不妨一试 4 微带元件 集总元件 如电容 电感 电阻可以用于几GHz以下 其相对尺寸远小于波长 当频率提高时集总元件的损耗会增加 寄生参数也会增大 如一个电容在一定频率下由于引线的寄生电感值增大而会变成一个谐振电路 分布式元件 可以由数段微带线或波导构成 工作于UHF频率以上的微波频段 其尺寸和波长是可比拟的 当频率进一步提高时 传输损耗也会逐渐加大 加工难度也会增加 准光波元件 其尺度远大于波长 可将空间传输的波看作射线来分析 通常在毫米波或次毫米波频率以上采用 4 1集总式元件 随着微电子工艺的进步 集总式微带元件线度越来越小 其工作频率不断提髙 已从x波段提高到60GHz 工作于如此高频率的集总式微带元件的精确设计 需要对这些元器件的工作特性有透彻的了解 其数学模型务必将诸如接地面 邻域效应 边缘效应 寄生效应等考虑进去 4 1集总式元件 电感 4 1集总式元件 电容 4 1集总式元件 电阻 4 1集总式元件 过孔 4 1集总式元件 集总MMICTR芯片 电感的电流结构图 存在寄生和分布参数 TRL校准传输线 无源器件网络参数特性 一端口器件 任何无源一端口器件 不管它的具体结构工作原理有多大差别 从S参数角度看 总可分为三类 一类是S11 0 通常叫匹配负载 另一类S11 1 叫做短路器 而0 S11 1一类就叫做失配负载 二端口器件 常用的有连接器 匹配器 衰减器 相移器 滤波器 波型变换器等等无耗互易二端口网络的基本性质 1 若一个端口匹配 则另一个端口自动匹配 2 若网络是完全匹配的 则必然是完全传输的 或相反 3 S11 S12和S22 的相角只有二个是独立的 已知其中二个相角 则第三个相角便可确定 对于有耗情况 如果网络完全匹配 则有 4 2分布参数微带元件 三端口器件无耗互易三端口网络不可能完全匹配无耗非互易三端口网络能够完全匹配 环行器 四端口器件无耗互易四端口网络可以完全匹配无耗互易四端口网络可以为一理想定向耦合器 无源器件网络参数特性 双向定向耦合器 同向定向耦合器反向定向耦合器 4 2分布参数微带元件 三端口器件器件无法做到所有端口同时匹配 4 2分布参数微带元件 功分器 上述公式不能同时成立 因此这种电路是不存在的 并联电纳B表示了T分支处不连续场产生的影响 三端口特征阻抗分别为 假定B 0 令 同时每个端口都连接匹配负载 这样端口1肯定是匹配的 输入的功率被等分到2 3端口上 但是由于2 3端口的输入阻抗为 而不是匹配阻抗 从而不能完全匹配 4 2分布参数微带元件 功分器 为了实现完全匹配 可以在功分网络中增加阻抗元件 包含集总电阻元件的功分电路 一半被反射的能量被电阻所吸收 尔金森功分器三个端口的特征阻抗为 并联两根长度为四分之一波长阻抗为的微带分支 同时2 3两个输出端口之间连接一个阻抗为的集总电阻 当两个输出端口都接匹配负载时 此电路是无损的 功分器一般是等比例功分的 但是通过调节电路参数也可以实现指定比例的功率分配 4 2分布参数微带元件 威尔金森功分器 威尔金森功分器的特点是 当输出端口 和 接匹配负载时 输入端口 无反射 从端口 输入的功率被等分到端口 和 且端口 和 相互隔离 4 2分布参数微带元件 威尔金森功分器 耦合微带线的奇偶模分析 两微带线单独存在时 它们传播的都是准TEM模 电场只有Ey分量 偶对称模式 对于x 0对称面是偶对称的 即两微带线中所传输的电场沿y轴方向同为正值 在x 0对称面上 磁场的切向分量为零 电力线平行于对称面 对称面可等效为 磁壁 相当于开路 奇对称模式 对于x 0对称面是奇对称的 即两个微带线中所传输的电场沿y轴方向一个为正 另一个为负 对称面上电场的切向分量为零 对称面可等效为 电壁 相当于短路 等效电路偶模等效电路奇模等效电路 4 2分布参数微带元件 S参数 利用微带结构构造定向耦合器有两种方式 一种是利用平行微带耦合的方式 另一种是采用微带分支的方式 当两条微带线距离足够接近时电磁能量就会发生相互耦合的情况 一根微带上的波会在另外一根微带上激励起信号并传播 耦合微带的场分布与单根微带比会发生变化 4 2分布参数微带元件 偶模场分布情况下电场左右对称 方向相同 而奇模场分布情况下电场左右对称 方向相反 因此耦合微带线具有两个特征阻抗 偶模阻抗和奇模阻抗 由于两种场分布模式同时存在 因此它们都是其中单根微带对地的特征阻抗值 4 2分布参数微带元件 基片介电系数 r 10的耦合微带线偶模和奇模特征阻抗的计算曲线 微带线的耦合长度为l 端口1为输入端 其他端口接负载 当满足以下条件时所有端口都是匹配的 4 2分布参数微带元件 耦合微带线定向耦合器 当时 耦合端口4获得最大的能量而端口3为隔离端口 构成定向耦合器 此时耦合输出端口4和输入端口1在同一侧 耦合微带的特征阻抗与端口阻抗和电压耦合系数有关 耦合微带线定向耦合器 输入端口 信号从此输入直通端口 会有信号输出主线 信号输入的那根带线副线 另一根带线就叫做副线从端口 输入的部分信号功率耦合到副线是可以预期的 耦合线段的定向耦合效应是指 从主线端口 输入的信号耦合到副线有方向性 比如端口 耦合到的信号强 而端口 耦合到的信号很弱 通过耦合线段的适当设计 在理想情况下 甚至只有端口 有耦合信号输出 而端口 与端口 完全隔离 没有信号输出 副线有信号输出的端口 叫做耦合端口 而与信号输入隔离的端口 叫隔离端口 4 2分布参数微带元件 定向耦合器参数定义 设P1是由匹配源馈入端口1功率 P2 P3 P4分别在端口2 3 4可得到的功率 描述该四端口的网络参数主要有 耦合系数 dB 方向性 dB 隔离度 dB 通过功率 dB 耦合器的工作状态主要由以上四个网络参数及负载特性决定 通常隔离端口接匹配负载 4 2分布参数微带元件 耦合器的耦合端和直通端电压对频率的关系曲线 定向耦合器参数定义 由于端口1 3和2 4隔离在端口1 2匹配的情况下定向耦合器也具有互易性 可以得到定向耦合器S参数矩阵 4 2分布参数微带元件 对于3dB定向耦合器 当两输出端相位相差90度时 散射矩阵可以写为 对于3dB定向耦合器 当两输出端相位相差180度时 散射矩阵可以写为 此时端口1和4被称为端口 而2和3端口被称为端口 当波从端口输入时 输出信号的幅度和相位相同 而波从端口输入时 输出信号的幅度相等 相位相反 耦合微带线定向耦合器 宽带定向耦合器为了增加带宽可以采用多节1 4波长耦合微带结构增强耦合效果Langer定向耦合器可以实现3 6dB的耦合效果 这种耦合器的缺点在于需要采用跳线连接 加工难度较高 4 2分布参数微带元件 微带分支定向耦合器 宽带定向耦合器为了增加带宽可以采用多节1 4波长耦合微带结构增强耦合效果Langer定向耦合器可以实现3 6dB的耦合效果 这种耦合器的缺点在于需要采用跳线连接 加工难度较高 4 2分布参数微带元件 微带分支耦合器由主线 副线及两个耦合分支线组成 分支线的长度及其间距均为中心频率的四分之一波长 4 四个端口微带线的特征阻抗Zc相等 一般为50 两分支微带线特征阻抗也取Zc 而两分支线间主副线的特征阻抗取 微带分支3dB定向耦合器 微带分支定向耦合器的特点是 1 结构上有髙度的对称性 任何一个端口都可作输入端口 输出端口总是在与输入端口相反的一侧 而隔离端口就是输入端口同侧的另一个端口 2 3dB耦合度 且直通端与耦合端有90 相位差 4 2分布参数微带元件 微带环形耦合器 微带环形耦合器也叫做微带环形电桥 整个环的周长为1 5 g 如果环形耦合器的4个端口微带线特性阻抗Z0都是50 则圆环的特性阻抗Z1就是 除端口3和端口4之相隔3 4 其余各相邻端口间距均为 4 微带环形耦合器的特点是有两种工作状态 第一种状态 两个输出端口同相输出第二种二种工作状态 两个输出端口有180 相移如信号从端口1输入 则将在端口 和 等分成两个同相分量 而端口 被隔离 若信号从端口 输