射频微波电路作业1-7(答案版)

1、第一章射频/微波工程介绍1.简述常用无线电的频段划分和射频的定义。频段ELFC极低频）频率3。30。Hz波长- 110 0001000 kmVFf音频）3003000 Hz1000100 kmVLF（甚低频）330 kHz100 - 10 km】尸（低频）30300 kH，10'1 kmMF（中频）HF（高频）30g 3000 kHi330 MHz10. 1 km10010 mYHF（甚高频）30 30。MHz1。1 mUHF（特高频）&HFC超高频）3003000 MHz330 GHz10QC cm10- 1 vmEHF（极高频）亚毫米波30300 GHz3003000 GH

2、z1 0. i cm1 0, mm射频/微波处于普通无线电波与红外线之间，是频率最高的无线电波，它的频带宽度比所有普通无线电波波段总和大1000倍以上2.简述巳L, S, C, X, Ku, K, Ka波段的频段划分方法。P波段0.237 GH11303。cmL波段1 - 2 GHw30 15 cmS波段24 GHz|157. 5 cmC波段4g GHz7,5-3. 75 cmX波段872.5 GHz3. 752. 4 cmKu波段12.578 GHz2. 4.67 cmK波段18-26.5 GHzL 67*- L 13 aaKa波段）26. 540 GHz1. 13。. 75 cm3.简述射

3、频/微波的四种基本特性和相比普通无线电的优点。四个基本特性：1、似光性；2、穿透性3、非电离性4、信息性优点：（1）频带宽。可传输的信息量大。（2）分辨率高。连续波多普勒雷达的频偏大，成像更清晰，反应更灵敏。（3）尺寸小。电路元件和天线体积小。(4)干扰小。不同设备相互干扰小。(5)速度快。数字系统的数据传输和信号处理速度快。(6)频谱宽。频谱不拥挤，不易拥堵，军用设备更可靠。4.简述射频铁三角的具体内涵。由于频率、阻抗和功率是贯穿射频/微波工程的三大核心指标振荡器、压控振荡器、频率合 成器、分频器、变频器、倍频 器、混频器、滤波器等，故将其称为射频铁三角。V/阻抗测量仪卜/，7网络分析仪/一

4、 阻抗: 标重/矢重：网络分析仪阻抗变换、阻抗匹配、天线等i频率计数器/功率小、频谱XX 分析仪i技减命、功分命、耦台，端：、大器、开关等频率单位物理量定义说明邓比值描述衰减或增益10脸如啥德波器，放大器.耦合器、 开关等器件的指标cIBm比值功率单位10 tHTmW振荡器的输出功率dBc比值功率的相对大小10 W 今=振荡耦的谐(杂)波抑制dBc/Hz比值功率的相对大小10 1星- 10 lg RBW振蔷器的相位噪声，与测域 仪器有美5. 给出几种分贝的定义：dB, dBm, dBc, dBc/Hz, 10 dBm+10 dB=?10dBm+10dB=20dBm第二章传输线理论1 .解释何为

5、 集肤效应”？集总参数元件的射频特性与低频相比有何特点？在交流态下，由于交流电流会产生磁场 ，根据法拉第电磁感应定律 ，此磁场又会产生电 场，与此电场联系的感生电流密度的方向将会与原始电流相反。这种效应在导线的中心部位 （即r=0位置）最强，造成了在r=0附近的电阻显著增加，因而电流将趋向于在导线外表面附近流 动,这种现象将随着频率的升高而加剧，这就是通常所说的集肤效应电阻：在低频率下阻抗即等于电阻 R,而随着频率的升高达到 10MHz以上，电容C a的影 响开始占优，导致总阻抗降低；当频率达到 20GHz左右时，出现了并联谐振点； 越过谐振点 后，引线电感的影响开始表现出来，阻抗又加大并逐渐

6、表现为开路或有限阻抗值。电容：理想状态下，极板间介质中没有电流。 在射频/微波频率下，实际的介质并非理想介 质，故在介质内部存在传导电流 ，也就存在传导电流引起的损耗 ，更重要的是介质中的带电粒 子具有一定的质量和惯性，在电磁场白作用下，很难随之同步振荡，在时间上有1t后现象，也会 引起对能量的损。电感：电感线圈的高频特性已经完全不同于理想电感，在谐振点之前其阻抗升高很快 ，而在谐振点之后，由于寄生电容Q的影响已经逐步处于优势地位而逐渐减小。2 .简述微波电路中 Q值的概念。品质因素Q表示一个元件的储能和耗能之间的关系，即元件的储能Q =Q元件耗能3 .简述传输线有哪几种工作状及其对应的负载反

7、射系数。当Zl=Z0或为无限长传输线时，Tl=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,| r l| = 1，全反射，为驻波状态。当Zl为其他值时，| rUW1,为行驻波状态。4 .给出电压驻波比、回波损耗与负载反射系数的关系。 线上任意点的反射系数为:z =|-L|ej L -j2;z定义驻波比 VSWR和回波损耗 RL为VSWR =RL = -20lgTL5 .计算特征阻抗位 Z0,长度为L,负载接ZL的传输线的输入阻抗。Z 二 Z Zl jZ0t anL)ZinZ0 _. r xZl jZ0t anL)6 .史密斯圆图是由怎么构成的？史密斯圆图是将归

8、一化阻抗（Z=r+jx）的复数半平面（r>0）变换到反射系数为1的单位 圆（| r|=1 ）内。已知一点的阻抗或反射系数，用史密斯圆图能方便地算出另一点的归一化阻抗值和对应的反射系数。7 .微带线增加导带的宽度和介质基板的厚度对特征阻抗各有什么影响?增加导带宽度，阻抗减小；增加介质板厚度，阻抗增加。8 .简述矩形波导的尺寸选择原则，画出主模的电磁场结构图。尺寸选择原则：a=0.7 / b=a/2主模电磁场结构：9 .简述同轴线的尺寸选择原则，画出主模的电磁场结构图。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。1.2.3.第三章匹配理论简述直

9、流和交流电路中的阻抗匹配条件。直流：当Rl=Rs时可获得最大输出功率，此时为阻抗匹配状态。交流：当负载阻抗 Zl与信号源阻抗Zs共轲时，即Zl=Z*s ，能够实现功率的最大传输，称作 共轲匹配或广义阻抗匹配。射频电路的入射波为，源和负载反射系数分别为和，写出负载功率。P旷（1-卜2）PL ;e一1 - r r L G设计一个工作频率为 300MHz，输入阻抗75,输出阻抗50的L型匹配电路。（1.输入阻抗和输出阻抗均为纯电阻L型匹配电路的设计步骤如下:条件原则阻抗使用场合主模TEM模传输（以+用必 寓呼 60 ( b承受功率最大3a高功率传输线衰减最小 = 3,591 a76,71谐振器、滤波

10、器、 小信号传输线功率衰减均考虑：=文 30350通用传输线步骤一：确定工作频率fc、输入阻抗 R及输出阻抗RL。这三个基本参数由设计任务给出。步骤二：在如图3-5 (a)所示的L型匹配电路中，将构成匹配电路的两个元件分别与 输入阻抗Rs和输出阻抗Rl结合。当电路匹配时，由共轲匹配条件可以推得Qs 二 Ql 二QL = Rl / XL+Us<Qs=Xs / Rs(a)(b)+Ust(a) L型匹配电路(Rsv Rl)；(b)L型匹配电路(Rd )步骤三；判别&<凡或(1) 4<Rl ，如图3-5 (a)所示:*=Q思殳(2) 如图3-5 (b)所示:2Xl=QlRl步

11、骤四：若&如图3-6所示，选择乂£低通 式或Cj.高通式电路，根据下列公式计算出电路所需 电感及由杀值：（1） L低通式：2/1 f (3-13) = J(2) CL口高通式： q 尸C =-2叽X、。 2<(a)(b)(a) Cp-Ls低通式L型；(b) Lp-Cs高通式L型4.设计一个工作频率为 500MHz,带宽为50MHz的50100的兀型匹配电路。n型匹配电路的设计步骤如下：步骤一：确定工作频率fc、负载Q值、输入阻抗R及输出阻抗Rl,并求出RH=max（R, R.）o步骤二：根据图3-10（a）中所示及下列公式计算出42、2、 Xp1及人1：步骤三：依据电路

12、选用元件的不同，可有四种形式，如图3-10（b）、 （c）、（d）、 （e）所示。其中电 感及电容值的求法如下：r = 4Q +1X _ RLXpLd >Xs2 =QRR=JM1Xp2 = R QiXs2 =QiRX萩I12 fXcc5.画出波导感性和容性销钉调配元件结构及其等效电路。(a)半6.简述散射参数S的物理意义。口1=0, 1端口匹配7.已知双端口网络的z=a2i 一 1-y1 =a12 1一 1S11a11a12s12s21s22g=0, 2端口匹配%=0,1端口匹配A参数矩阵A11, A12; A21, A22,试写出S参数的表达式。a22aii一 a21 - a22a11

13、a12 - a21 - a222 a11a12 - a21 - a22a11a12a21a22a11a12a21a22一 a1a11+ a o1 a12 a21+ o + o +a12a21a22a22第四章功率衰减器1 .简述功率衰减器的基本原理和衰减量的定义。功率衰减器是一种能量损耗性射频/微波元件，元件内部含有电阻性材料。1Pl功率衰减器A(dB) -2P2A(dB)=10lgP2(mW)P1(mW)2 .设计一个5dB型同阻式固定衰减器(输入输出阻抗均为50欧)。步骤一：同阻式集总参数哀减器A=-5dB,由公式(4-6) 计算元件参数：A4=10值 = 82.24Q= 14.01。3

14、.设计一个10dB型异阻式固定衰减器(Z1=50欧，Z2=75欧)。步骤一：异阻式集总参数衰减器A=-10 dB,由公式(4- 9)计算元件参数：A。=10 石=0.1a - llJz.Z. 八Rp =- =87.14Q 14a1 B+l= 77.11。、T1 £7+11= 207.45Q4.同轴型吸收式衰减器有哪几种，试画出结构图。在同轴系统中，吸收式衰减器的结构有三种形式: 串联电阻和带状线衰减器转换为同轴形式。内外导体间电阻性介质填充、内导体(a)(b)(c)5 .波导型吸收式衰减器有哪几种，试画出结构图。固定式和可变式。前者吸收片的位置和面积固定不变，后者可以通过传动机构来改

15、变衰减片的位置或面积，实现衰减量的改变。吸收薄片(b)(a)(a)固定式；(b)可变式6 .简述PIN二极管的特性。(1)直流反偏时，对微波信号呈现很高的阻抗，正偏时呈现很低的阻抗。可用小的直流(低频)功率控制微波信号的通断，用作开关、数字移相等。(2)直流从零到正偏连续增加时，对微波信号呈现一个线性电阻，变化范围从几兆欧 到几欧姆，用作可调衰减器。(3)只有微波信号时,1区的信号积累与微波功率有关，微波功率越大，管子阻抗越大, 用作微波限幅器。(4)大功率低频整流器,1区的存在使得承受功率比普通整流管大的多。第五章功率分配器/合成器1 .功率分配器的技术指标有哪些？给出分配损耗，插入损耗和隔

16、离度的定义。功率分配器的技术指标包括频率范围、承受功率、主路到支路的分配损耗、输入输出间的插入损耗、支路端口间的隔离度、每个端口的电压驻波比等。分配损耗。主路到支路的分配损耗实质上与功率分配器的功率分配比有关。如两等分功率分配器的分配损耗是 3 dB,四等分功率分配器的分配损耗是6 dB。定义一PnAd =10lgPout式中Pn = kPout插入损耗。输入输出间的插入损耗是由于传输线(如微带线)的介质或导体不理想等因素，考虑输入端的驻波比所带来的损耗。定义Ai=A-Ad隔离度。支路端口间的隔离度是功率分配器的另一个重要指标。如果从每个支路端口输入功率只能从主路端口输出，而不应该从其他支路输

17、出，这就要求支路之间有足够的隔离度。在主路和其他支路都接匹配负载的情况下，i 口和j 口的隔离度定义为Aj =10lgPniPoutj1P1功分器2 .简述功率分配器的原理和三端口的功率关系。2P23P3Pl=P2+ P33 .设计工作频率为 500MHz,特性阻抗为50欧，功率比例为0.2的集总LC功率分配器。4.设计工作频率为 750MHz,特性阻抗为50欧，功率比例为1的微带功率分配器。Z02=Z03=Z0=70.7Q R=2Z)=100 QZ=R0Z0=A RZ=R。PZ=R0l十4第六章定向耦合器1 .定向耦合器的技术指标有哪些？给出耦合度，隔离度和方向性的定义和关系。定向耦合器的技

18、术指标包括频率范围、插入损耗、 耦合度、 方向性、隔离度等。耦合度：描述耦合输出端口与主路输入端口的比例关系，通常用分贝表示，dB值越大，耦合端口输出功率越小。耦合度的大小由定向耦合器的用途决定。方向性:，方向性为无描述耦合输出端口与耦合支路隔离端口的比例关系。理想情况下 限大。隔离度：描述主路输入端口与耦合支路隔离端口的比例关系。理想情况下，隔离度为无限大。 描述定向耦合器特性的三个指标间有严格的关系，即方向性=耦合度-隔离度。2 .设计一个工作频率为 400MHz的10dB高通LC支路型耦合器（Z0=50欧），计算出元件步骤一：确定耦合器的指标，C=-10dB,fc=400MHz,Zo=5

19、0 Q步骤二：利用下列公式计算 K、Zos、 Z0p：步骤三：利用下列公式计算元件值：ClL218.59 pF2 f Zc乙0s互=56.68nH2 fc3 .设计一个工作频率为750MHz的10dB平行线型耦合器（Z0=50欧，FR4基板材料介电常数4.5,厚度1.6mm,损耗角正切0.015）,计算出元件值。步骤一：确定耦合器指标，包括 C=-10dBfc=750MHz, FR4基板参数 X4.5, h=1.6 mm, tan 8 =0.01材料为铜（1 mil）。步骤二：计算奇偶模阻抗：Z°e1 + 10C/20 Z01-10C/2069.3711i-10c/20Z0o = Z

20、0T = 36.04建步骤三：W=2.38mm,间电路拓扑如图6-7所示利用Mathcad11软件方f算，得出耦合线宽度 距 S=0.31mm,长度 P=57.16mm,且 50 微带线宽度 W50=2.92mm。50欧，中心频率5GHz,基板材料介电常数 9.6,厚度4 .设计3 dB分支线耦合器，负载为0.8mm步骤一：确定耦合器指标（略）。步骤二：计算归一化导纳：,a=1步骤三：计算特性阻抗:1-二50 1aYaZb1-35.3- 1 aY0步骤四：计算微带实际尺寸：支线 50 Q W=0.83 mm, L=6.02mm主线 35.3Q W=1.36 mm, L=5.84 mm第七章射频

21、/微波滤波器1.滤波器的技术指标有哪些？给出工作衰减的定义和四种滤波函数及其衰减图形。滤波器的指标：工作频率、插入损耗、带内纹波、带外抑制、承受功率通常采用工作衰减来描述滤波器的衰减特性，即LA = 10lg 与 dBPl续表类型传输函数j图形说明椭圆函数1JLA/dB jvJ铝构复杂.边沿陡 峭.适用干特殊场合高斯多项式t - aff=3-样=5/D，1.0Q结构筒单，群延时 好,适用于特殊场合2.写出最平坦型和切比雪夫型低通原形的元件数计算公式。最平坦型：_o ilg（10 叫s-1） n -2lg-s切比雪夫:coshT1 '105/10-1 /cosh-111 s3.画出低通原

22、形向带通滤波器的频率变换过程和元件关系。4.J-g(a)7.958 nH7.958 nH1.989 nH -1-6.366 pF1.592 pF-14 1.592 pF(b)L & gs - fbwT 0CsCp1t0rLsLp "Cp50 'J步骤一：确定指标： 特性阻抗 上通带边频 下通带边频 上阻带边频 下阻带边频Z0=50Q f1=75+5=80 MHz f2=75-5=70 MHz f=75+15=90 MHz f=75-15=60MHz设计一个集总LC切比雪夫带通滤波器，中心频率为75MHz, 3dB带宽为10MHz,带内波纹为1dB,带夕卜75± 15MHz的衰减大于 30dBz0=50欧。通带内最