微波有源电路 第四章 微波有源电路

1、第四章 微波有源电路微波放大器微波混频器与倍频器微波振荡器微波调制器与控制电路微波前端微波电路CAD微波电路测量微波前端与微波测量3无线系统微波系统发射机天线接收机微波通信系统雷达系统无线传感网络等发射机接收机天线 功率、噪声、效率、谐波抑制、杂波抑制等灵敏度、选择性、杂波响应、接收互调截止点等T/R组件发射机的任务是将语音、图像等基带信号对载波进行调制，实现频率的转换，利用电磁波将信息传送到远端，发射机的主要技术指标为功率、噪声与效率。接收机是信号的还原过程，它要在复杂的电磁环境中筛选出有用的信号，将微波信号转换为基带信号。接收机接收的信号的微弱性，空间环境的复杂性，使得接收机的主要指标是灵

2、敏度和信号的选择性。发射机通常与接收机组合成收发机，或称T/R组件。在收发机中，为了使用一个天线，必须采用双工器将发射信号或接收信号分离，防止发射信号直接进入接收机，使其烧毁。双工器可以是开关、环行器或滤波器的组合。微波发射机的主要功能对信号进行调制、上变频、功率放大和滤波，有时前两个功能会合并在一起。形式较固定，对发射机中如噪声、干扰抑制和频带选择等的要求要比在接收机中宽松得多。微波发射机的基本参数频率或频率范围功率最大输出功率、功率波动、功率时间/温度稳定性效率供电电源到输出功率的转换效率噪声调幅、调频和调相噪声谐波抑制对高次谐波的抑制能力2nd 3nd 杂波抑制除基波和谐波外的任何信号发

3、射支路中心频率：35GHz带宽： 600MHz功率增益： Gp30dB输出功率： P028dBm功率平坦度： 0.2dB效率： 10%工作重复频率：30KHz70KHz,占空比：50%谐波抑制：优于30dBc杂波抑制：优于45dBc某8mm收发组件发射机的典型结构不同的应用需求，可能形式稍有不同。雷达系统直接产生输出微波信号频率，再使用调制器进行幅度/相位调制，放大输出通信系统先将发射的低频信号调制到发射中频（如70MHz），再混频、滤波放大输出将发射的低频信号调制到发射中频上，经多次倍频得到发射机频率，再滤波放大输出。发射机的功率输出特性微波接收机在复杂电磁环境下检测微弱信号高工作频率、高集

4、成度、低电压、低功耗、低成本。低噪声系数、小互调失真（IMD）、大的频率动态范围、稳定的自动增益控制（AGC）、适当的射频和中频增益、低相位噪声等特性外差/超外差接收机、零中频接收机、数字中频接收机、其它微波接收机的主要性能参数接收机灵敏度描述接收机对小信号的接收能力。 式中，S为接收机灵敏度；k=1.38x10-23（J/K），是玻尔兹曼常数；T为绝对温度；BW是系统的等效噪声频宽；SNRd系统要求的信噪比；ZS是系统阻抗；FT是总等效输入噪声系数频率选择性描述接收机对邻近信道频率的抑制能力动态范围接收机线性放大能力微波接收机的主要性能参数接收杂波响应接收互调截止点等接收支路中心频率：35G

5、Hz带宽： 600MHz噪声系数： 5dB最大输入功率：-10dBm增益： 80dB0.5dB杂波抑制：35dBc保护开关： 30dB某8mm收发组件外差式接收机在收发的链路上引入中频（IF）、中频进行滤波处理相比微波频段具有很高优势外差式接收机的优缺点频带选择性好，动态范围大，稳定性高，干扰少，容易实现；组合频率干扰多，若落入中频通道，直接干扰有用信号。“镜像抑制滤波器”中频频率的选择（高中频、低中频等）双中频方案零中频接收机将射频信号经过一次变频直接转换为基带信号，零中频结构系统简单、所需集成电路芯片和外部元器件极少、集成度高、易单片集成无混频组合分量零中频收发机的特有问题载波频率与本振频

6、率相同，发射机信号部分会反馈回本振，恶化输出频谱，造成频率偏移，最终使调制频谱恶化零中频收发机的特有问题接收部分：直流分量大，接收机易饱和、基带信号易受干扰本振泄漏强干扰器件不理想造成接收干扰“正交失配”等要有一定的镜频抑制能力对其它零中频接收机的干扰大总体性能低于外差接收机但集成度高、易单片集成、成本低在对性能要求不是特别高的领域特别适用其它：低中频接收机、镜像抑制接收机等。微波测量微波测量技术的进展信号源方面，以模拟式和合成式扫频信号源为特征，扫频范围极宽，在微机控制下增加了智能和自动测量功能；在微波参数测量方面，阻抗与网络参数测量以自动网络分析仪（ANA）为重点，频率与功率测量仍属于信号

7、特性分析的主要内容。近代微波测量技术的内容概括起来可分为微波扫频信号的产生与控制、微波信号特性和微波网络特性测量技术等三类。微波测量设备价格昂贵；种类多，不同频率范围对应不同测试仪器 通用测试仪器和专用测试仪器等常见的微波测试仪器微波网络分析仪矢量/标量网络分析仪矢量网络分析仪主要用来测试如频响、增益、插损、带外抑制、VSWR、S参数（包括幅值和相位）、阻抗、插入相移、群延时等指标；而标量网络分析仪则只能测试上述指标中与相位无关的参数。矢量信号分析仪具有频域、相位域、时域和调制域（调幅、调频、调相）分析能力；具有猝发信号和瞬变信号分析以及瞬时功率测量的能力；具有眼图、星座图和矢量（即坐标图）等

8、显示形式，可用于采用数字调制体制的设备和系统的测试。频谱分析仪主要用来分析和测试信号的频谱、相位噪声、杂波以及谐波等。噪声系数分析仪进行噪声系数测试的专用仪器功率计、频率计等微波信号源可以产生CW及各种调制的微波信号。从实现方式和输出信号的频率特征模拟式微波扫频信号源 既可输出快速连续的扫频信号，又可输出点频信号。其输出信号的指标较差，但价格便宜，可应用于一般通用测试。微波合成信号源 可输出频率精确、频谱优良的信号，一般还可进行步进和列表扫频，价格较高。微波合成扫频信号源。微波合成扫频信号源将以上两种信号发生器有机结合，功能丰富，性能优良，但价格昂贵。相位噪声测试系统示波器微波测量微波噪声系数

9、测量的基本原理Y参数法：通过获得待测网络对不同温度的噪声源的噪声输出功率的比值，获得待测网络的等效噪声温度/噪声系数。噪声发生器(冷/热源)基本原理1.冷态时的噪声输出2.热态时的噪声输出3.热态与冷态噪声输出比4.等效噪声温度5.噪声系数微波网络参数测量A、反射参数测量原理B、传输参数测量原理C、S参数测量当测量S12时，微波信号经过开关SW1和右面的定向耦合器送到待测网络端口T2 ，通过待测网络的传输信号再经过SW2送到测试通道。衰减器是用来减少系统失配误差的。由三个定向耦合器、两个匹配负载和两个衰减器组成的。中间的定向耦合器作为功率分配器。在测量S11时，双口网络的T2端口经过开关SW2

10、接匹配负载、微波信号经过左面定向耦合器送到待测网络，同时经过中间定向耦合器送到参考通道，待测网络的反射信号经由开关SW2送入测试通道。C、S参数测量三通道S参数测量装置微波电路CAD 线性/非线性微波电路仿真软件； 2.5D平面电路电磁场仿真软件； 3D电磁场仿真软件； 系统仿真软件； 专用电路的设计软件。 排版软件名称主要性能厂商ADS综合软件包AgilentSerenade综合软件包AnsoftMW Office线性/非线性电路、2.5D电磁场仿真AWRGENESYS线性/非线性电路、滤波器设计等EaglewareMMICAD线性/非线性电路设计OPTOTEKMomentum2.5D平面电

11、路电磁场仿真AgilentEnsemble2.5D平面电路电磁场仿真AnsoftEm2.5D平面电路电磁场仿真SonnetHFSS3D电磁场仿真AnsoftMW Studio3D电磁场仿真CSTSymphony系统仿真AnsoftClementine共形天线设计AnsoftProtel电路板布线PROTELAutoCAD电路板布线Autodesk微波电路CAD软件的特点必须有精确的传输线模型和各种器件模型； 有时必须采用电磁场仿真等数值仿真工具； 一般都具有S参数分析的功能。在微波电路CAD技术中，各种传输线及其不均匀区模型、元件之间的寄生耦合模型以及微波有源器件的非线性模型等，在技术上的难度

12、都非常大。微波电路CAD 包括线性微波电路的S 参数计算、直流分析、线性/非线性噪声分析、非线性电路的瞬态分析、非线性电路的谐波分析（功率压缩、交调和谐波特性等）、优化设计、容差分析、2.5D及3D 电磁场仿真、布线和版图设计等，甚至还可以包括微波器件的建模和参数提取以及计算机辅助测试。常见的分析方法线性电路：采用等效电路模型和S 参数矩阵级联计算。非线性电路：Spice、谐波平衡法、包络仿真法等。电磁场仿真：常采用矩量法和有限元法等数值计算方法。优化给定电路的网络拓扑结构、各个元件的初始值，以及电路的设计指标的目标参数，CAD 软件将自动改变各元件值，直到满足要求。CAD 软件通常都具有的，也是最常用的优化方法是随机优化和梯度法。当然，一些软件还提供了其它的优化方法供选择。设计步骤 根据技术性能指标的要求，选择半导体器件。 对于不需要半导体器件的微波无源电路，根据技术性能指标的要求，选择网络拓扑结构。 根据所选器件的具体参数，设计匹配电路的拓扑结构。 确定（或计算）电路中各个元件的初始值。 根据技术性能指标的要求，设置优化目标（或参数）。 根据经验或试验性地选择若干优化变量（或元件）。 选择优化方法，并进行优化。 进行容差分析。 进行版图的设计并输出版图。 进行性能指标的复核，进行版图的检查，并提出结构设计的要求。总结：微波有源电路：放大器（功率放大器、低噪声放大器）、混