微波集成电路与系统 课件 第三章微波集成电路基础

第三章

微波集成电路基础

微波传输线微波元件微波连接器微波网络分析法微波集成电路

微波传输线的定义微波电路中的传输线（TransmissionLine）是将能量和信息从一个点传送到另一个点的各种形式电磁波传输结构的总称，它的作用是引导电磁波沿一定方向传输，因此又称为导波系统，其所导引的电磁波被称为导行波（guidedwave）。微波传输线的分类

（1）双导体结构的传输线，它由两根或两根以上平行导体构成，主要包括平行双线、同轴线、带状线和微带线等。（2）均匀填充介质的金属波导管，因电磁波在管内传播，故称为波导，主要包括矩形波导、圆波导、脊形波导和椭圆波导等；（3）介质波导传输线，因其电磁波沿传输线表面传播，故也称为表面波传输线，主要包括开放式的介质波导、介质镜像线等，以及半开放式的H形波导、G形波导等3.1微波传输线Whatisthis-微波传输线

平面形式的传输线利于实现微波电路的集成化，具有重量轻、尺寸小、集成度高、可靠性高、一致性好等优点，主要有两类：准TEM波传输线，主要包括微带线、倒置微带线、带状线和共面波导等；非TEM波传输线，主要包括槽线、鳍线等。3.1微波传输线Whatisthis-微波传输线微波元件的定义

微波元件是构造微波器件、电路的最基本要素，主要包括各类集总元件、通孔、空气桥和介质跨接器，以及各种传输线不连续性结构等。微波元件的分类（1）电感元件（2）电容元件（3）电阻元件（4）通孔（5）介质跨接器元件3.2微波元件Whatisthis-微波元件3.2微波元件Whatisthis-微波元件螺旋电感薄膜电阻交指电容MIM电容空气桥通孔微波电容元件、电感元件、电阻元件、通孔和介质跨接器元件的典型结构。3.2微波元件Whatneedit-电感元件的功能

电感在电路中主要起滤波、振荡、延迟、陷波、调谐和匹配作用。理想电感对直流信号短路，对交流信号呈现的阻抗与信号频率成正比，交流信号的频率越高，电感呈现的阻抗越大；电感的电感量越大，对交流信号的阻抗越大。除用非常基础的电感系数外，还常用以下参数评估电感元件的性能。3.2微波元件Howaboutit-电感元件的性能有效电感：若忽略串联电阻，电路中电感元件L的阻抗为频率

的函数，可以写为：时间常数：忽略寄生电容，当在串联电感电阻上施加直流电压时，将电感充电至施加电压所需的时间称为时间常数τ电感元件等效电路模型式中，，为并联谐振频率等效电感Le称为有效电感。3.2微波元件Howaboutit-电感元件的性能品质因数Q：品质因数Q的最一般定义是基于每周期电感中存储能量WS与耗散功率PD的比值，即。在较低频率下，电感元件的Q值可以写为：自谐振频率：设Re[Zin]和Im[Zin]分别是电感元件输入阻抗的实部和虚部。当Im[Zin]=0时，就可确定电感元件的自谐振频率。电感元件的第一谐振为并联谐振，此时Re[Zin]达到极大值，等效为一高阻。超过第一谐振频率fres后，电感元件呈现容性。3.2微波元件Howaboutit-电感元件的性能最大额定电流：电感元件能够承受的最大直流电流，而不会因其有限电阻而损坏（熔断或电迁移）或过热，称为最大额定电流。最大额定电流限制取决于导体材料、形状、内芯材料、周围环境和温度。最大额定功率：在不改变电感元件特性或因产生热量而破坏电感元件的情况下，可以安全应用于电感元件上的最大射频功率称为最大额定功率。最大功率限制取决于电感元件的Q、面积/体积、使用的内芯材料、周围环境和温度。3.2微波元件Whatneedit-电容元件的功能在电路设计中，通常大电容用于射频旁路、隔直和电抗性终端应用，而小电容在匹配网络中用作调谐元件，还用于实现紧凑型滤波器、功率分配器/合成器、耦合器、巴伦和变压器。电容元件除了非常基础的电容值参数外，还常使用有效容值、温漂系数、品质因数、等效串联电阻、串联和并联谐振频率、时间常数、额定电压、额定电流等评估其综合性能。

3.2微波元件Howaboutit-电容元件的性能有效容值：若忽略串联电阻、并联寄生电容，电容元件的阻抗可以表示为：其中式中为串联谐振频率（

）。为等效电容，也称有效电容，在谐振频率以下，其值通常大于标称值。温漂系数：电容值随温度变化的速率称为其温漂系数(TemperatureCoefficient，TC)，以百万分之一每摄氏度表示。在大多数应用中电路温度稳定性至关重要，需要较小的TC值，TC值可能为负值或正值。有时，选择正确的TC值可使电路对温度依赖性最小化，小温漂系数电容元件的TC值小于±50ppm/℃。3.2微波元件Howaboutit-电容元件的性能品质因数：用于衡量电容元件的储能能力的重要参数。忽略寄生电抗，电容元件由电容C和电阻Rs的串联电路表示时，品质因数Q由以下关系式定义：

式中，

=2

f，f是工作频率。等效串联电阻：所有电容元件由于其有限尺寸而呈现寄生电感，并且由于连接处以及电极电阻呈现串联电阻。该串联电阻通常称为ESR（EquivalentSeriesResistance），是使用电容元件的电路设计中的一个重要参数。3.2微波元件Howaboutit-电容元件的性能串联和并联谐振频率：与电感不同，电容兼具串联和并联谐振特性。在串联谐振频率以下，电容正常工作。然而，在串联谐振频率以上，电容元件的总电抗是电感性的，并且在随后的并联谐振频率之后再次变为电容性。电容两个电极之间的输入阻抗可以写为：

图中显示了Zi的模值变化（带电抗正负符号）、假设C˃˃Cp，在角频率处发生串联谐振，C和Ls的电抗绝对值变为相等，此时电容元件等效为电阻Rs。随着频率继续增加，电容元件的电抗逐渐变小，在角频率处发生并联谐振，Ls和Cp的电抗绝对值变为相等，此时电容元件等效为一个非常大的电阻。3.2微波元件Howaboutit-电容元件的性能时间常数：在电路中，当理想电容C与电阻R串联，并施加直流电压时，电容充电至施加的电压需要的时间称为时间常数，由式给出：式中，、R和C的单位分别是s、Ω和F。额定电压：在不影响其可靠性或破坏其可靠性的情况下，可在电容元件两端之间安全施加的最大电压称为额定电压或工作电压。额定电流：允许通过电容元件而不损坏或过热的最大电流称为额定电流或最大额定电流。由于电容的击穿电压或功率消耗，额定电流受到限制。工作频率和电容值影响击穿电压，等效串联电阻ESR影响电容元件的功耗。3.2微波元件Whatneedit-电阻元件的功能电阻元件用于射频、微波和毫米波集成电路。可以作为终端、隔离电阻、反馈网络、有耗阻抗匹配、分压器、偏置元件、衰减器、增益均衡元件，以及作为防止寄生振荡的稳定电阻或阻尼电阻。理想电阻元件或与工作波长相比长度非常小的电阻元件仅耗散电能，并且由于相关寄生电容和电感可忽略不计，因此其电储能和磁储能可忽略。评价电阻元件性能的参数有额定功率、温漂系数、公差、最大工作电压、最大工作频率、稳定性、噪声、最大额定电流等。

3.2微波元件Howaboutit-电阻元件的性能额定功率：电阻元件的额定功率是指电阻在不影响其阻值和可靠性的情况下能够承受的最大功率。额定功率取决于其面积（面积越大，耗散功率越大）和环境温度。高额定功率电阻具有较大的面积和较强的寄生效应，这会影响其在微波频率下的性能。温漂系数：电阻值随温度的变化率称为电阻的温漂系数（TemperatureCoefficientofResistors，TCR）简称TC，单位为ppm/℃。3.2微波元件Howaboutit-电阻元件的性能公差：同规格电阻其阻值的变化起伏以公差表示。通常，根据电阻元件的制造技术和具体应用，电阻元件的公差可以有±1%、±5%、±10%或±20%的起伏。最大工作电压：在不影响电阻值的情况下，可以施加在电阻元件上的最大电压称为最大工作电压。最大工作电压Vm取决于电阻材料、可以容忍的起自小电压值的电阻变化以及电阻的物理结构。最大工作频率：电阻值还取决于其工作频率。平面电阻也存在寄生电抗，其值随频率增加而增加，从而影响净电阻值。在一定频率下，容性电抗和感性电抗变得相等，从而引起自谐振。3.2微波元件Howaboutit-电阻元件的性能稳定性：大多数情况下，电阻元件的性能会随着时间而变化。电阻元件的稳定性以电阻值长时间内的变化表示。噪声：噪声通常指热噪声或散粒噪声，源自电阻元件内产生的不需要的随机电压波动。电阻元件的热噪声与其电阻值成正比。额定电流：每个电阻元件都有一个指定的额定电流，如果超过该额定电流，电阻可能会因电流密度过高而失效。3.2微波元件Whatneedit-变压器元件的功能射频频率的变压器由两个或多个相互耦合的绕在公共铁芯上的线圈组成。变压器在射频和微波电路可用于阻抗匹配、功率分配器/合成器、双平衡混频器、功率放大器、信号耦合和相移。变压器可以是两端口、三端口或四端口元件。变压器有两个重要的性能参数：匝数比和磁耦合系数。

3.2微波元件Howaboutit-变压器元件的性能匝数比：初级线圈和次级线圈的匝数之比。若变压器的匝数比是1∶N，则次级阻抗是初级阻抗的N2倍。当N>1时，变压器称为升压变压器，次级阻抗大于初级阻抗；反之为降压变压器。例如，阻抗比为1∶4的变压器，其匝数比应为1∶2。磁耦合系数：变压器初级线圈和次级线圈之间的磁耦合程度由磁耦合系数k表示，表达式如下：式中，M为初级线圈和次级线圈之间的互感；L1、L2为线圈的自感。3.2微波元件Whatneedit-通孔的功能通孔是单片微波和毫米波集成电路的基本元素。按照其功能，可分为多层微波电路中不同金属层的信号连接通孔和用于接地的通孔，也可以用作电磁屏蔽通孔。

信号连接通孔：信号连接通孔是通过通孔技术，在不同层的电路和元件之间形成金属连接并使微波信号通过的微波元件。信号连接通孔是晶体管、电感、变压器和Lange耦合器设计中的重要元素。3.2微波元件Whatneedit-通孔的功能接地通孔：接地通孔通过通孔技术，为元件或电路建立良好的对地连接。在射频和微波电路中，低损耗和低电感接地对于获得良好的增益、噪声系数、插入损耗、VSWR、输出功率、功率附加效率（PAE、power-addedefficiency）和带宽性能非常重要。3.2微波元件Whatneedit-通孔的功能电磁屏蔽通孔：低成本射频和微波系统要求在更小的封装中实现更高的集成度和更多的电路功能。当部件彼此靠近时，主结构上的一部分功率耦合到其他结构上。一般来说，我们并不希望耦合效应存在，它可以被周期排布的金属通孔阵列降低或消除。此外，在多层电路板结构中，这种阵列结构中还可进一步采用金属条带将同排的金属通孔连通来提高屏蔽性，形成类似栅栏的结构。3.2微波元件Whatneedit-空气桥、介质跨接器的功能空气桥和介质跨接器结构相同，不同的是空气桥桥接位置下方为空气，而介质跨接器下方是一层低介电常数材料，主要目的是使两个不相连的传输线相互交叉。它们常用于晶体管阵列、电极、螺旋电感和变压器、MIM电容、Lange耦合器的设计，也可在基于共面波导（CPW）的微波单片集成电路中用来连接CPW两侧地平面。

集总电感元件的结构主要有以下几类：一小段导线、环形、弯曲或蛇形线、螺旋形等。导线段可以是连接线或键合线的形式，也可以是平面微带线的形式。平面微带直导线电感用于实现低电感值，通常小于2nH，如需获得较大电感值或减小元件尺寸可使其来回弯折走线形成弯曲或蛇形线电感。环形电感元件的单位面积电感有限，螺旋电感元件可以采用矩形或圆形，圆形螺旋电感电性能更好，而矩形形状更容易布局。3.2微波元件Howtorealizeit-电感元件的设计常用的微带直导线、圆环形、圆形螺旋集总电感元件的等效电路模型如下图所示。注意蛇形线电感的等效电路亦可用下图(a)来表示，但其参数难以用统一的解析公式来表示，更适合用数值拟合的方法等效。3.2微波元件Howtorealizeit-电感元件的设计不同结构电感元件的等效电路模型3.2微波元件Howtorealizeit-电感元件的设计微带直导线电感导线段的等效电路导线的线宽、线厚、衬底厚度、导线长度和方阻分别用参数W、t、h、l和Rsh表示。其中：所有尺寸均以微米为单位。参数Kg代表了地板的影响。参数K是一个修正系数，它考虑了导体拐角处的电流不均匀现象。Kg、K的计算公式为：3.2微波元件Howtorealizeit-电感元件的设计平面圆环电感平面圆环电感的等效电路导线的线宽、线厚、衬底厚度、导线长度和方阻分别用参数W、t、h、l和Rsh表示。其中：a是圆环的平均半径3.2微波元件Howtorealizeit-电感元件的设计平面圆形螺旋电感圆形螺旋电感结构图其中N是匝数，Di是电感的内径，Do是电感的外径所有尺寸均以微米为单位。参数Kg的计算公式同前式，而参数K的计算公式则要进行修改。参数S是螺旋电感的线间距，通过保持S<W和S<h，可以减少地板对电感值的影响。圆形螺旋电感等效电路

集总电容元件的典型结构包括：微带片、交指结构和金属-绝缘体-金属（metal–insulator–metal，MIM）结构，如下图所示。由于基板较厚，一小段开路微带片可以用作单位面积电容值较低的集总电容元件，交指结构方便制作中等电容值。MIM电容元件是一种在两个平面金属电极之间夹着一层很薄介质块的结构，可实现很大的单位面积的电容值，但是制造工艺更复杂。3.2微波元件Howtorealizeit-电容元件的设计不同的电容元件形式3.2微波元件Howtorealizeit-电容元件的设计微带片电容Cp是平行板电容，Ce是边缘效应引起的电容。对于75μm厚基板和125μm厚GaAs基板，平行板对背面金属的电容可以分别表示为：其中A是上层板面积，单位为平方微米。另外，Ce的近似值对于上述两种厚度的基板分别为微带电容的物理模型非常简单，比如印刷在GaAs基底上的金属板，它和接地板间存在并联电容，其电容值C由下式给出：式中，P是电容的周长，单位为微米。3.2微波元件Howtorealizeit-电容元件的设计交指电容交指电容结构如图所示，通过薄层导体之间的狭窄间隙构造电容。这些间隙很长且来回弯折从而减小面积，从而实现紧凑、单层、小电容量的电容元件，通常电容值在0.05~0.5pF左右。电容量可以通过增加“手指”的数量来增加。交指电容的总宽长比越大，得到的寄生对地电容越大，寄生串联电感越低。交指电容可用作微波电路中，尤其是在较高的微波频率下的集总电容元件。这种电容元件的品质因数高于层叠电容，但尺寸要大得多。每单位面积的最大电容仅相当于层叠电容的1%，因此不适合做成分立片式形式。交指电容交指电容等效电路3.2微波元件Howtorealizeit-电容元件的设计交指电容式中，A1和A2是指状物每单位长度的电容，N是指状条的数量，尺寸l用微米表示。设交指电容制作在厚度为h的带地介质基板上，指宽S和指间距W相等，l≤λ/4，则：式中，Rsh是电容元件中使用的导体的方阻（sheetresistivity），单位为欧姆/方。交指电容的近似表达式由式给出：交指电容的串联电阻由式给出：3.2微波元件Howtorealizeit-电容元件的设计交指电容交指电容的品质因数Q由下式给出：当S/h≪1，且假设磁力线不是环绕每个“指”，而是绕交指宽度W'方向的横截面，就可以通过微带线理论计算L和Cs：其中，Zc和

er是以W'和h作为微带参数计算的，c=3×108m/s是自由空间中的光速。3.2微波元件Howtorealizeit-电容元件的设计MIM电容当MIM电容的最大尺寸小于λ/10时，该电容元件可以用如下图所示等效电路表示，其中B和T分别表示底板和顶板。MIM（metal–insulator–metal）电容由两片金属及其中间的低损耗介质薄层构成，底板是未加镀层的金属薄板，顶板通常通过空气桥或介质跨接器连接到其它电路。MIM电容等效电路3.2微波元件Howtorealizeit-电容元件的设计MIM电容其余模型参数值可根据以下关系计算得出其中，

rd和tan

分别表示介质薄层的介电常数和损耗角正切；Rsh是底板的方阻，单位为欧姆/方；W是顶板宽度，l是顶板长度，d是顶板与地板间距，单位为微米，f的单位为GHz。L的值可由下式计算获得，同微带直导线的电感。其余模型参数值可根据以下关系计算得出：3.2微波元件Howtorealizeit-电容元件的设计MIM电容其中f单位为GHz，l和d的单位为微米。总的品质因数QT为：导体损耗和介质损耗对应的品质因数分别为Qc和Qd，表达式为：3.2微波元件Howtorealizeit-电阻元件的设计式中，ρ表示材料的电阻率，单位为Ω•m，σ表示体积电导率，单位为S/m，l是电阻沿电流方向的长度W表示宽度，t表示厚度，A表示横截面积，尺寸单位为米。也可以通过已知给定厚度为t的薄膜的方阻Rsh（欧姆/方）计算电阻：电阻元件通常采用长方形的平面导电薄膜结构来实现，此类电阻元件的直流电阻R的值取决于材料特性及其尺寸，由下式给出：平面电阻结构图3.2微波元件Howtorealizeit-电阻元件的设计在微波频段，前述平面结构的电阻元件的等效电路模型如下左图所示。假设电阻被分成两个对称的部分，R是总等效电阻，Cp是电阻元件端口之间的电容，并联电容Cs1和串联电感L是连接处的寄生参量。由于电阻元件上的电压差通常很大，因此Cp通常是不可忽略的。当电阻元件的一个端口接地时，其模型进一步简化如右图所示。电阻的等效电路模型(a)双端口模型(b)一端接地的简化模型3.2微波元件Howtorealizeit-电阻元件的设计对于电阻元件一端接地的情形，Ct=Cp+Cs1+2Cs2，Lt=2L。输入导纳Yin写为：谐振时（即Bin=0），输入阻抗为实阻抗，且大于R，由下式给出谐振频率ω0为：低于共振频率时，Bin为负值，电阻元件的寄生电抗是电感型的，反之则是容性的。3.2微波元件Howtorealizeit-微波元件的制备集成式的射频和微波集总元件的制备工艺包括印制电路板（PCB）、薄膜、低温共烧陶瓷（LTCC）及单片微波集成电路（MMIC）工艺等。其中薄膜工艺、LTCC工艺也可用来制作分立片式集总元件。（1）PCB制备技术PCB制备技术通过照相制版，即把拍摄下来的图片底版蚀刻在铜板上，然后印刷出所需的元件或电路图案。PCB制备技术广泛应用于微波元件、无源电路和印刷天线的制作。设计时要先选择基板，主要关注介电常数和损耗角正切及其随温度和频率的变化、材料均匀性、各向同性性、加工尺寸稳定性、工作温度和湿度、老化特性以及基板厚度均匀性等。（2）薄膜制备技术薄膜是指厚度介于单原子到几毫米间的薄金属或有机物层。薄膜制备技术是将薄膜制备在陶瓷或玻璃基板上，从而实现电气连接、元件搭载、表面改性的功能，制备过程需要在超净间环境实现。3.2微波元件Howtorealizeit-微波元件的制备（3）LTCC制备技术LTCC是将低温烧结陶瓷粉制成精确厚度的生瓷带，在生瓷带上利用激光打孔、微孔注浆、精密导体浆料印刷等工艺制出所需要的元件、电路图形以及导电孔等，对多条生瓷带重复上述过程并将它们依次叠压，最后在1000°C以下进行烧结，得到多层复合陶瓷基板封装的元件或电路。低温烧制的优点在于可以使用高电导率金属，如银、铜和金。（4）MMIC制备技术单片微波集成电路（MMIC）是在半导体衬底上用一系列的半导体工艺方法制造出无源和有源元器件，并连接起来构成应用于微波甚至毫米波频段的功能电路，MMIC技术消除了连接传统混合MIC中分立元件之间键合线带来的寄生效应。MMIC上集总元件的制备主要是通过气相沉积阻性材料制备电阻元件；通过反复光刻制作电容、电感元件。特别地，对于MIM电容，首先通过蒸镀金属形成电容元件下极板，然后通过沉积介电材料形成MIM电容的填充介质，最后通过蒸镀第二层金属形成电容元件的上极板。3.2微波元件微波元件的创新探讨由于电路寄生参数的影响，现有的集总电容、电感元件一般只能工作在微波中低频段，很难应用于微波高频段、毫米波频段甚至太赫兹频段电路的设计；同时，由于集总元件自身结构的限制，很难与波导、同轴等其他类型的传输线进行集成设计。因此，如何设计适用频率范围广、小尺寸、易集成的电容、电感元件是一个非常值得研究的问题。要求调研能工作在宽频率范围的新型集总元件的技术成果，就所调研的集总元件的结构、性能特点、制造工艺等撰写调研汇报。微波连接器的定义以较小的回波损耗和插入损耗连接微波线路与部件的连接体称为微波连接器，它通过插头与插座的机械啮合和分离，实现传输系统的电气连接和分离功能。微波连接器的分类

（1）有极性连接器：由完全匹配的一对插头和插座组成。

（2）无极性连接器：没有插头和插座之分，其外导体靠螺纹配合，可以前后伸缩，既可定义为插头，也可定义为插座；而内导体则靠其顶端的平面接触完成连接。（3）反极性连接器：其内导体的极性与我们的常规思维刚好相反，即定义插头的一端呈孔状，而定义插座的另一端呈针状。3.3微波连接器Whatisthis-微波连接器3.3微波连接器Whatisthis-微波连接器

从插头和插座外导体的配合方式看，同轴连接器又可以分为螺纹式、卡口式和推入式。(a)螺纹式(b)卡口式(c)插入式同轴连接器的不同配合方式3.3微波连接器Whatisthis-N型连接器N型连接器是有极性连接器，起源于1942年，是最早被发明的射频连接器。N型连接器的命名源自其发明者Bell实验室的PaulNeil的名字，也与Navy（海军）一词相关。早期的N型连接器的工作频率最高到4GHz，到了20世纪60年代后改良为11GHz。目前精密型N型连接器（插头）的工作频率可达到18GHz。N型连接器结构上比较牢固，常用于苛刻的工作环境或者需要多次反复插拔的测试领域。典型N型连接器的外形结构如下图所示。典型N型连接器的外形结构3.3微波连接器Whatisthis-BNC型连接器BNC型连接器起源于20世纪50年代，也是为了军事应用而研制的，称为卡口式的N型连接器，是一种介质填充的有极性连接器。早期的BNC型连接器的最高工作频率为2GHz，后来改进到4GHz。也有使用频率更高的BNC连接器。典型BNC型连接器的外形结构3.3微波连接器Whatisthis-TNC型连接器

TNC型连接器是BNC的改良型，采用螺纹配合方式，其外形尺寸与BNC接近，是一种介质填充的有极性连接器。性能与N型连接器基本相同，其标准型的最高工作频率为11GHz，而精密型的最高工作频率为18GHz。TNC型连接器的最大优点就是有着良好的抗振性能，可靠性高，因此广泛用于无线电设备和电子仪器中。典型TNC型连接器的外形结构3.3微波连接器Whatisthis-SMA型连接器SMA型连接器起源于20世纪60年代，是一种廉价的商用射频连接器，可能是当前微波和射频行业应用最广的连接器。SMA是“超小A型（SubminiatureA）”连接器的缩写。SMA是有极性连接器，有标准极性和反极性两种，其外导体的内径为4.2mm，填充以PTFE介质。由于尺寸较小，所以SMA的工作频率要比N型连接器更高，标准SMA型连接器的工作频率为18GHz，而精密SMA型连接器的工作频率可达到26.5GHz。SMA型连接器可与3.5mm和2.92mm（K）连接器配接，互相的都不会受到损伤。典型SMA型连接器的外形结构3.3微波连接器Whatisthis-3.5mm型连接器

3.5mm连接器可看作是SMA连接器的升级款，上世纪70年代中期由美国Hewlett-Packard和Amphenol公司推出。它采用了空气介质，外导体内径为3.5mm，连接机构为1/4-36UNS-2英制螺纹，其最高频率可达34GHz，从配合结构上可以与2.92mm连接器、SMA型连接器进行无损伤连接。3.5mm连接器的外导体较SMA连接器厚，机械强度好于SMA连接器，所以不仅电气性能优于SMA连接器，而且机械耐久性、性能的可重复性均高于SMA连接器，较适合于测试行业使用。典型3.5mm连接器公头（左）和母头（右）的接口外形3.3微波连接器Whatisthis-2.92mm型连接器2.92mm连接器的结构与3.5mm连接器相似，同样采用空气介质，只不过更小一些。它是由Maury微波在1974年发明的，外导体内径为2.92mm，连接机构为1/4-36UNS-2英制螺纹的射频同轴连接器，其最高频率可以达到40GHz，可以与3.5mm连接器和SMA型连接器进行无损伤连接。典型2.92mm连接器公头（左）和母头（右）的接口外形3.3微波连接器Whatisthis-2.4mm和1.85mm（V型）连接器

这两种连接器也采用了空气介质，从结构上均可以互相配合，但是不能兼容SMA、3.5mm和2.92mm连接器。典型2.92mm连接器公头（左）和母头（右）的接口外形(a)公头（b）母头3.3微波连接器Whatisthis-2.4mm和1.85mm（V型）连接器2.4mm连接器是在1986年由HP、OminiSpeftra和Amphenal等公司研发的一款小型精密型毫米波连接器，是第一个具备生产级、仪器级和计量级三个等级的产品，因其外导体内直径为2.4mm而得其名。2.4mm连接器具有体积小、重量轻、耐用性及抗损坏性强等优点，其最高工作频率为50GHz，且能够在50GHz高频段仍保持高性能，广泛应用于毫米波仪器和系统中。1.85mm连接器可看作2.4mm连接器的缩小版，是1980年代中期由HP公司开发的一种连接器。其外导体内直径为1.85mm，因此名为1.85mm连接器，又称为V型连接器，具有频率高，机械结构强等特点。现阶段它的最高频率可达67GHz（实际工作频率甚至可达70GHz），且在这样的超高频段下依旧能保持高性能。3.3微波连接器Whatisthis-SMP型连接器

超小型推入式（SMP）连接器是一种提供推入并咬合的对插结合方式的插入式有极性连接器，由Gilbert公司在1980年代后期开发。普通SMP型连接器的尺寸与MMCX型连接器相当，工作频率可达到40GHz，而迷你SMP型（mini-SMP）连接器的工作频率更是高达65GHz。SMP型连接器具有结构小巧、连接快速、抗震性强的特点，适用于要求高密度盲插合的场合。典型SMP连接器公头（左）和母头（右）的接口外形3.3微波连接器Whatneedit-微波连接器的功能

微波连接器作为微波毫米波传输中一种通用连接元件，其作用就是将功能不同的各种微波部件按照一定的要求连接起来，组成完整的微波系统以有效的传输微波电磁能量，主要用于雷达、通信、航空航天设备及高端测量设备等。针对不同的微波部件，需要不同结构的连接器来满足部件间的连接要求。

设计不同微波连接器的共同要求是：连接点的电接触可靠；输入驻波比尽可能小，以减少电磁信号反射；工作频带要宽；结构牢靠，装拆方便；重复性好，多次插拔之后性能不变等。其中涉及的主要性能指标叙述如下。3.3微波连接器Howaboutit-微波连接器的性能特性阻抗：与其他微波器件一样，特性阻抗是微波连接器一项非常重要的指标，它直接影响驻波比，工作频率和插入损耗。特性阻抗由同轴外导体的内径，内导体的外径及内外导体间的介质的介电常数决定。常见的连接器特性阻抗有50Ω和75Ω。工作频率范围：微波同轴连接器的下限截止频率是零，其上限工作频率一般定为第一高次模截止频率的95%。工作频率范围取决于连接器的结构尺寸。一般来说，外导体的尺寸越小，连接器的工作频率越高；填充介质的介电常数越低，工作频率越高。现有微波同轴连接器的最高工作频率可以达到110GHz。3.3微波连接器Howaboutit-微波连接器的性能驻波比（VSWR）：定义为连接器与相同特性阻抗的同轴电缆连接后，电缆上传播电压振幅的最大和最小值之比。驻波比是连接器最重要的指标之一，通常用驻波比来衡量一个连接器的优劣。插损：指当连接器接入某个电路时，使该电路产生的能量损耗，往往以dB为单位。插损主要有来源于以下几个因素：连接器失配引起的能量反射；连接器导电损耗和介电损耗的引起的电能-热能转化；连接器表面开缝造成的电磁泄漏。3.3微波连接器Howaboutit-微波连接器的性能接触电阻：微波连接器的接触电阻是指其接触点的电阻，包括了内导体和外导体的接触电阻。显然这个值越小越好，通常为mΩ级，外导体的接触电阻要小于内导体。绝缘电阻：绝缘电阻指绝缘材料的电阻，它取决于接头内的填充介质，如聚四氟乙烯。绝缘电阻的典型值大于5GΩ（N型）。这项指标不好时会产生漏电流。功率电容：连接器所能承受的最大微波功率，和连接器的耐压值有关。影响同轴连接器功率容量的因素很多，且部分因素会相互影响，主要包括：接头尺寸（含针孔尺寸）、工作频率、主体导电材料、绝缘介质材料、接触可靠性、接触电阻、驻波比、环境温度、海拔高度等。3.3微波连接器Howaboutit-微波连接器的性能无源互调（PIM）：是指当两个甚至多个不同频率信号存在于连接器中，由于非线性因素导致两个或者多个信号混频后所产生的寄生信号强度。连接器的耐久性：当微波连接器与其配接的标准连接器完成一次完全啮合和完全分离的循环时，称为一次插拔。在MIL-C-39012标准中，对微波连接器的耐久性（插拔寿命）做了规定。如N型连接器在每分钟插拔12次的前提下，插拔寿命应不小于500次，插拔500次后，微波连接器应无明显的机械损伤，各项配合功能保持不变。微波连接器的插拔寿命意味着在完成规定次数的插拔后，其驻波比和插损等关键指标仍然保持在产品手册规定的范围内。3.3微波连接器Howtorealizeit-微波连接器的设计

在设计微波同轴连接器时首先要考虑的主要设计参数包括特性阻抗和第一高次模──TE11模的截止频率。计算特性阻抗公式为：(3-3-1)计算TE11模的截止频率公式为：(3-3-2)

上述两式中，a为内导体外直径，b为外导体内直径，εr为填充介质相对介电常数，μr为介质的相对磁导率，c为光速。由式(3-3-2)可见，要使同轴连接器工作于TEM模式，连接器的最短工作波长（按自由空间计）λmin应满足以下条件：

(3-3-3)3.3微波连接器Howtorealizeit-微波连接器的设计

微波连接器设计的另一考虑因素是无源互调（PIM）。要保证微波连接器的低无源互调性能，在设计中可采用焊接的内导体和一体化的外导体结构，这样可以避免由于风、振动和热胀冷缩效应所产生的接触不良。连接器的表面涂敷也很重要，内导体可以采用镀金或镀银工艺，外导体可以镀银或三元合金来保证无源互调指标。在所有射频连接器中，N型和DIN7-16型具有最好的无源互调特性，其指标可以达到−165dBc～−168dBc@2×43dBm。

为了保证连接器信号传输的高性能，一般微波同轴连接器的设计还要遵循以下原则：尽可能保证连接器装配体沿轴线各截面特性阻抗的一致性对结构突变导致的特性阻抗不连续进行合理补偿减小公差叠加对产品传输性能的影响3.3微波连接器Howtorealizeit-微波连接器的制备

微波同轴连接器各组成部件的制备工艺简要汇总在下表。同轴连接器内导体固定至外导体内的方式有倒刺、直纹、网纹、台阶、灌胶（与绝缘介质的填充相配合）等，绝缘介质在外导体内的固定方式有台阶、收口、点铆、卡环、灌胶等。零件名称原材料加工方式/设备表面处理材料/方式热处理方式/设备外导体/外壳类黄铜棒/不锈钢/型材车，钻，镗，铣，攻螺纹，特殊工艺./设备：凸轮自动机床；CNC自动机床.镀金，银，镍，锡，三元合金./滚镀，挂镀，钝化（不锈钢）.铍铜─真空充氮热处理，黄铜青铜（必要时）─退火热处理./热处理炉中心导体铍铜线材/黄铜线材车，钻，镗，铣，攻螺纹，折弯，特殊工艺./设备：凸轮自动机床：CNC自动机床.镀金，银./滚镀，挂镀.铍铜─真空充氮热处理，黄铜青铜（必要时）─退火热处理./热处理炉.垫圈冷轧钢带冷冲成型./设备：冲床，工具：模具.镀金，银，镍，三元合金./滚镀，连续镀.

接触头/中心导体/弹簧垫圈铍铜带/青铜带冷冲成型./设备：冲床，工具：模具.镀金，银，镍，三元合金./滚镀，挂镀，连续镀.铍铜─真空充氮热处理，青铜（必要时）─退火热处理./热处理炉.绝缘子聚四氟乙烯/聚乙烯车，钻，镗，铣，模压，烧结.

密封圈硅橡胶/无硫橡胶模压.

表3-3-1微波同轴连接器制备工艺3.3微波连接器微波连接器的创新探讨

早期的微波连接器由于制造技术的限制，体积比较大，不利于高密度安装。随着微波系统往高工作频率、高密度安装、小体积的方向发展，也对微波连接器的工作频率和集成度提出了更高的要求。

多路同轴连接器是由两个及以上的单路同轴连接器构成的高集成模块化连接器，它的诞生是为了解决各类微波设备内部需要同时传输多路微波信号的问题。相对于传统的单路同轴连接器，它具有集成度高、占用空间小、零件数量少的优势，非常适合高密度安装的场合。它能同时连接和断开多路微波信号，克服了单路同轴连接器高密度安装过程繁琐的缺点。

要求调研多路同轴连接器的技术成果，就所调研的多路同轴连接器的结构、连接方式、适用频段、性能特点、制造工艺等撰写汇报。此外，还有哪些新型微波连接器，也可以展开相关调研与探讨。

3.4微波网络分析法Whatisthis-阻抗和导纳矩阵在使用微波网络分析法对微波电路和系统进行分析前应将连接不同微波元器件或不连续性的规则传输线和导波系统上的导行电磁波等效为电压电流波，即定义出有效的电压、电流量，以及与它们相关的特性阻抗参量。任意一个微波网络都通过一路或多路传输线与外界连接，每一路传输线与微波网络的连接处被看作网络的一个端口。微波网络各端口外接传输线的复传播常数、特性阻抗分别记作γi、Zci，各端口面（也就是网络参考面）处的电压、电流分别记作Vi、Ii，约定每个端口面上的电压、电流参考方向都朝网络内部方向关联。各端口面处的归一化电压和电流按下式定义：(3-4-1)3.4微波网络分析法Whatisthis-阻抗和导纳矩阵

对于线性微波网络，各个端口的电压可以由所有端口电流量的线性叠加表示，写出如下所示的矩阵方程形式：式中的矩阵被称为微波网络的阻抗矩阵，用Z表示，矩阵中各个元素Zij是只和网络自身结构尺寸、材料电磁特性有关的参量，和外部激励无关。Zij的定义是除端口j之外的其他端口都处于开路状态时，端口i处的电压与端口j处的电流之比，如下式所示。如果i=j，则Zij被称为端口i（或j）的自阻抗；如果i≠j，则Zij被称为端口i和j的互阻抗(3-4-2)(3-4-3)3.4微波网络分析法Whatisthis-阻抗和导纳矩阵也可以将各个端口的电流用所有端口电压量的线性叠加表示，得到如下所示的矩阵方程：式中矩阵被称为微波网络的导纳矩阵，用Y表示，矩阵中各个元素Yij被称为端口i的自导纳（i=j）或者端口i和j的互导纳（i≠j），只和网络自身结构尺寸、材料电磁特性有关的参量，和外部激励无关。Yij的定义是除端口j之外的其他端口都处于短路状态时，端口i处的电流与端口j处的电压之比，如下式所示。一般情况下阻抗矩阵和导纳矩阵存在互逆的关系，但某些特定的线性微波网络只存在阻抗矩阵或者导纳矩阵，换言之，它们的阻抗矩阵或者导纳矩阵是不可逆的。(3-4-2)(3-4-3)3.4微波网络分析法Whatisthis-阻抗和导纳矩阵如果我们关注线性微波网络各端口的归一化电压、归一化电流之间的线性关系，不难写出如下所示的两个矩阵方程，

(3-4-6)(3-4-8)(3-4-7)式(3-4-6)和式(3-4-7)中的矩阵分别被称为归一化阻抗矩阵和归一化导纳矩阵，分别用，表示。线性微波网络归一化和非归一化阻抗矩阵、导纳矩阵存在如下的转换关系：其中，是以各端口传输线特性阻抗方根为对角元的N阶对角矩阵，是其逆矩阵。(3-4-9)3.4微波网络分析法Whatisthis-散射矩阵对于微波电路来说，其电压和电流无法直接测量，开路和短路条件在微波频段也难以严格实现，故阻抗参数和导纳参数也难以测量。另一方面，由于波动效应，微波网络各端口存在向网络内部传播的入射波和向网络外部传播的出射波，而各个端口入射波、出射波的功率以及相对相位在微波段都是可测的，因此在微波网络分析和设计中常使用建立在各端口入射波、出射波关系基础上的散射矩阵，以及其中的元素——散射参数。 如图3-4-1所示，微波网络各个端口面处的入射波和出射波用电压表示记Vi+、Vi‒（i=1,2,……,N），它们和各个端口面处的电压Vi、电流Ii存在如下关系：(3-4-10)

归一化入射波和归一化出射波分别定义为入射波电压的归一化值和出射波电压的归一化值，分别记作ai、bi（i=1,2,……,N），即(3-4-11)3.4微波网络分析法Whatisthis-散射矩阵归一化入射波、归一化出射波与归一化电压、归一化电流之间存在如下关系：(3-4-11)(3-4-13)(3-4-12)微波网络各端口的入射波平均功率Pi+和出射波平均功率Pi‒可以分别表示成归一化入射波有效值的平方、归一化出射波有效值的平方，从形式上摆脱端接传输线特性阻抗的束缚，即：3.4微波网络分析法Whatisthis-散射矩阵对于线性微波网络，各个端口的归一化出射波可以表示成各个端口归一化入射波的线性叠加，用矩阵方程表示即：(3-4-14)(3-4-15)式(3-4-14)中的矩阵被称为微波网络的散射矩阵，用S表示。散射参数Sij定义为除端口j之外的其他端口的端接传输线末端接匹配负载时，端口i处的归一化出射波与端口j处的归一化入射波之比，如下式所示。对于i=j，Sij的物理意义为除端口i（或j）之外的其他端口都外接匹配负载时，端口i（或j）处看向网络内部的反射系数；对于i≠j，Sij的物理意义为除端口j之外的其他端口都外接匹配负载时，端口i到端口j的传输系数。即除端口j之外的其他端口都外接匹配负载时，端口i的出射波平均功率与端口j的入射波平均功率之比。3.4微波网络分析法Whatisthis-散射矩阵考虑到归一化入射波、归一化出射波与归一化电压、归一化电流之间存在如式(3-4-12)所示的转换关系，线性微波网络的散射矩阵与归一化阻抗矩阵、归一化导纳矩阵显然也能够通过以下两式互化：(3-4-16)(3-4-18)(3-4-17)其中，表示单位矩阵。对于线性二端口微波网络，工程上通常使用从其散射参数衍生出的两个参数：回波损耗（记作RL或Lr）和插入损耗（记作IL或Li），它们被定义成如下对数的形式：(3-4-19)3.4微波网络分析法Whatisthis-转移矩阵

转移矩阵和阻抗矩阵、导纳矩阵一样反映的是微波网络各个端口电压、电流之间的线性关系。对于如图3-4-2所示的线性二端口微波网络，若用端口2的电压V2、电流−I2作为自变量，而端口1的电压V1和电流I1作为因变量，则可得如下矩阵方程：(3-4-21)方程中的矩阵即转移矩阵，用A表示，矩阵内的四个元素称作转移参数，它们的定义式如下：图3-4-32个二端口网络级联示意(3-4-20)3.4微波网络分析法Whatisthis-转移矩阵(3-4-22)(3-4-23)端口1的归一化电压、归一化电流，和端口2的归一化电压、归一化电流之间的线性关系可以表示成如下矩阵方程：其中的矩阵称作归一化转移矩阵，根据归一化电压电流与非归一化电压电流之间的依赖关系式(3-4-1)，不难得出归一化转移参数和非归一化转移参数之间的转换关系：3.4微波网络分析法Whatisthis-转移矩阵(3-4-24)(3-4-26)将式(3-4-24)中的后式代入前式有：图3-4-32个二端口网络级联示意若有2个二端口网络首尾级联，已知参与级联的各个二端口网络的转移矩阵为A1

、A2，并规定所有端口的电压、电流的参考方向均向右关联，则有：因此级联后的总转移矩阵为：。推而广之，对于M个线性二端口微波网络依次首尾级联的情形，级联后总的二端口网络的转移矩阵为：(3-4-25)3.4微波网络分析法Whatisthis-转移矩阵线性二端口微波网络的转移矩阵、传输矩阵与前述阻抗矩阵、导纳矩阵、散射矩阵也是可以互相转化的，但一般用归一化矩阵的形式进行互化更方便。归一化转移矩阵与归一化阻抗矩阵、归一化导纳矩阵之间的互化关系：

(3-4-29b)其中归一化转移矩阵与散射矩阵之间的互化关系：(3-4-29a)3.4微波网络分析法Howtorealizeit-复杂微波网络的广义连接分析法上式中是广义联合矩阵的子矩阵，由式(3-4-31)给出：图3-4-4给出了由多个简单微波网络相互连接构成的复杂多端口网络的一般结构示意，其中每个矩形框代表一个子网络。各子网络的端口有的和其他子网络的端口互连，称作内部端口（如图中的端口②④⑤⑦⑧），有的充作整个复杂网络的对外端口，称作外部端口（如图中的端口①③⑥）。图中ai、bi（i=1,3,6）表示外部端口的归一化入射波和归一化出射波，ai、bi（i=2,4,5,7,8）表示内部端口的归一化入射波和归一化出射波。如果所有子网络的散射参数都是已知的，那么整个复杂多端口网络的散射矩阵可以由右式得到：图3-4-4基于子网