微波集成电路与系统 课件 第1-7章 引言、无线系统简介-微波混频器

第一章

引言

微波集成电路与系统简介课程概况课程内容

1.1微波集成电路与系统简介Whatisthis-微波集成电路与系统简介电磁频谱与电磁空间：特指电路的工作频率范围。微波集成电路：工作在微波波段和毫米波波段，由微波无源元件、有源器件、传输线和互连线集成在一个基片上，具有某种功能的电路。无线系统：消息传递和信号接收的系统，它可以支持电磁波传播和指向性连接通信。1.1微波集成电路与系统简介WhatandWhy-微波集成电路与系统简介混频器振荡器检波器倍频器微波开关低噪放1.1微波集成电路与系统简介Howtorealizeit-无线系统射频接收机射频发射机1.2课程概况Howaboutit-课程概况本课程主要讲解各种微波集成电路的基本工作原理，基本方法，工程设计，以及其在无线系统中的应用。性质：专业课（核心、选修）先修课程：《低频电子电路》，《高频电子电路》，《电磁场与波》，《微波技术与天线》或《微波技术基础》教材：《微波集成电路与系统》(第一版)，林先其编著，电子工业出版社，2025年9月。1.2课程概况Howaboutit-课程概况参考书目：

1.《微波固态电路》，喻梦霞、李桂萍、张小川编著，成都：电子科技大学出版社，第二版，2016年出版。2.《MicrowaveEngineering》，DavidM.Pozar著，JohWiley&Sons,Inc.，第四版，2012年。3.《微带电路》，清华大学微带电路编写组编，北京：人民邮电出版社，第一版，1975年。4.《ADS2009射频电路设计与仿真》，冯新宇、车向前著，北京：电子工业出版社，第一版，2011年。5.微波射频网：。1.3课程内容Howaboutit-课程内容第一章：引言第二章：无线系统简介第三章：微波集成电路基础第四章：微波无源器件第五章：微波放大器第六章：微波振荡器第七章：微波混频器第八章：微波检波器第九章：微波倍频器第十章：微波控制器件第十一章：微波天线第十二章：调制解调器第十三章：电路与系统仿真软件1.3课程内容Howaboutit-课程要求讲授目标：了解——各种微波集成电路的种类、工作机理、主要特点和功能；掌握——常用微波集成电路的基本原理、应用领域和设计准则；课堂要求：勤于思考；动静有序；课后讨论

谈谈你对本专业以及本课程的认知？第二章

无线系统简介

12主要内容2.1常用无线系统简介2.2发射以及接受子系统2.3微波在大气中的传播特性2.4微波系统中的噪声与失真2.5电路与系统仿真软件介绍常用微波无线系统Whatisthis-无线系统的定义与分类系统是由若干要素以一定结构形式联结构成的具有某种功能的有机整体。系统并不仅仅是一些事物的简单集合，而是一个由一组相互连接的要素构成的，能够实现某个目标的整体。无线即指传送端和接收端两者系以无线电而非实体线路连接的电脑网络。无线系统指的是消息传递和信号接收的系统，它可以支持电磁波传播和指向性联接通信。无线系统运用不同的传播介质来传输数据和信息，在当今电子通信领域中已经非常普遍。无线系统部署有固定和移动站点，可以在无线用户计算机之间传递准确、可靠和安全的信号和数据，用以实现各种通信任务。常用微波无线系统Whatisthis-无线系统的定义与分类（1）根据传输信号的形式不同，无线系统可以分为模拟无线通信系统和数字无线通信系统。（2）根据无线终端状态的不同，无线系统可以分为固定无线通信系统和移动无线通信系统。（3）根据电磁波波长不同，无线系统可以分为长波无线通信系统、中波无线通信系统、短波无线通信系统、超短波无线通信系统和微波无线通信系统等。常用微波无线系统Howaboutit-无线系统的功能与性能（1）有效性：通信系统传输消息的“速率”问题，即快慢问题；（2）可靠性：通信系统传输消息的“质量”问题，即好坏问题；（3）适应性：通信系统适用的环境条件；（4）经济性：系统的成本问题；（5）保密性：系统对所传信号的加密措施。这点对军用系统尤为重要；（6）标准性：系统的接口、各种结构及协议是否合乎国家、国际标准；（7）维修性：系统是否维修方便；（8）工艺性：通信系统各种工艺要求。通信的任务是快速、准确地传递信息。因此，从消息传输的角度来说，有效性和可靠性是评价无线通信系统优劣的主要性能指标，是无线通信技术的重点。无线通信系统的有效性和可靠性是一对矛盾体。常用微波无线系统Howtorealizeit-无线系统的基本架构

在无线通信系统中，射频收发系统主要起信息交换的纽带作用，对于传统的射频收发系统结构，一般主要分为超外差式、零中频式、镜像抑制式和低中频式四种结构。（1）要选择合适的调制和解调的方式；（2）选择性好；（3）接收机的灵敏度好；（4）发射机中具备高效率不失真的功率放大器；（5）发射机发射的信号对邻道的干扰要小；（6）天线开关要损耗小，响应速度快、隔离度高收发机关键技术发射以及接收子系统Whatisthis-发射子系统

发射机射频部分的功能是完成基带信号对中频载波的调制，将其上变频至特定的RF频段，对已调制的RF信号放大，以足够的功率馈入天线，经天线有效地发射出去。其结构如图所示。对于发射机，应当具有足够的发射功率，保证一定的通信距离，同时又应减小对邻近信道的干扰，并尽量降低其功耗，提高效率。发射以及接收子系统Howaboutit-发射子系统常见类型（1）超外差式发射机（2）直接变频式发射机超外差式发射机是应用非常普遍的发射机构架，一般有线性双变频单元或单变频单元。超外差式发射机将本振信号和有用信号进行混频，得到想要进行发送的信号。直接变频结构也称为零中频结构，是指基带信号直接上边到发射频率，而变为中频信号，硬件上也不需要中频滤波器，使得系统功耗降低，集成度得到了提高。发射以及接收子系统Howaboutit-发射子系统性能指标（1）平均载频输出功率

平均载频输出功率是指发射机输出的平均载波峰值功率，发射机必须满足一定的发射功率，才能使接收机正确地接收有用信号。（2）射频功率控制为了克服移动通信的远近效应，需对发射功率进行调整，以便保证移动台与基站之间的通信质量，同时不会对其他移动平台产生明显的干扰。（3）射频输出频谱

关注射频输出频谱是出于对邻近信道干扰的考虑，对邻近信道干扰通常可以用邻近信道功率比(ACPR)来表征。（4）杂散辐射在有用边带和邻道以外的离散频率上的辐射，称为发射机的杂散辐射。发射以及接收子系统Howaboutit-发射子系统性能指标（5）互调衰减

在电路的非线性作用下，发射机的载波和通过天线进入的干扰信号发生交叉调

制产生互调分量，互调衰减就是衡量发射机对此互调干扰的抑制能力。（6）噪声分析信噪比(SNR)越高，并且测得的误比特率(BER)离期望的误比特率也就越远。噪声系数F是信噪比下降的度量，定义如下：噪声系数即为在输入端的信噪比与输出端的信噪比的比值发射以及接收子系统Howaboutit-发射子系统性能指标（7）线性度（8）动态范围线性动态范围定义为在噪声功率和1dB压缩点之间的范围，表示为LDR=P1dB/No。若三阶交调产物一直是小于系统中噪声值的，则可认为没有寄生产物，所以无寄生动态范围指的是输入信号功率与等效噪声输入功率的比值，当三阶交调信号功率等于输出噪声时，此范围内即为所定义的无寄生动态范围。发射以及接收子系统Howtorealizeit-发射机的主要构成直接变换正交调制发射机两步变换正交调制发射机双本振的直接变换发射机发射以及接收子系统Whatisthis-接收子系统天线从空间中接收到微弱信号，通过射频滤波器从众多的电波中选出有用信号，并经过低噪声放大到解调器所要求的电平值后，再由解调器解调，将频带信号变为基带信号。对于接收机，希望减少甚至消除干扰信号和寄生频率信号影响，保证特定通信距离和正确解调，并确定正确解调的信号动态范围，因此主要关心接收机的选择性、灵敏度和动态范围等技术指标。发射以及接收子系统Howaboutit-接收机类型（1）超外差式接收机（2）零中频接收机从天线接收的信号经过一个射频带通滤波器，滤去带外干扰并压缩镜像信号后，经低噪声放大器线性放大，放大后的信号和本地振荡信号进行混频，下变频为一固定中频信号，再通过滤波、中频放大后，提取出有用信号进行解调。直接下变频接收机也称为零中频接收机结构，其特点是让本振频率等于载频，则中频为零，于是不存在镜像频率，自然就不会有镜像频率干扰。发射以及接收子系统Howaboutit-接收机类型（3）低中频接收机（4）镜像抑制接收机低中频接收机是从零中频接收机发展而来的。低中频接收机通过正交下变频器来抑制镜像信号，但与零中频接收机不同的是，下变频后的信号处于一比较低的中频。Hartley结构镜频抑制接收机Weaver结构镜频抑制接收机发射以及接收子系统Howaboutit-接收机类型（5）数字中频接收机将二次变频超外差接收机拓扑结构中的第二次混频和滤波数字化，便可得到数字中频接收机。数字中频接收机方案与传统二次混频超外差接收机方案的区别在于：第一次混频后的信号经放大直接进行模数变换，然后采用两个正交的数字正弦信号做本振，采用数字相乘和滤波后得到基带信号。发射以及接收子系统Howaboutit-接收机的主要性能指标（1）高增益（2）频率选择性

对某个信道的收信机而言，要求它只接收本信道的信号，对邻近信道的干扰、镜象频率干扰及本道道的收、发干扰等要有足够大的抑制能力，这就是接收机的选择性。（3）隔离度

无线通信系统有单工、半双工和全双工模式。而在现代通信系统中，大多数采用全双工模式，在这种模式下，接收和发射同时进行。为了避免发射通路和接收通路的信号相互串扰，在收发机中应提高接收模块和发射模块的隔离度。（4）灵敏度

接收机灵敏度是指满足一定误码率性能的条件下，接收机输入端所需的最小信号电平，它表征接收微弱信号的能力。发射以及接收子系统Howaboutit-接收机的主要性能指标（5）阻塞和杂散响应抑制

阻塞和杂散响应抑制是衡量接收机抗干扰能力的一个重要指标，好的阻塞和杂散抑制可以提高接收的灵敏度。（6）互调分量抑制

互调分量是器件非线性产生的组合频率分量进入通频带而引起的干扰信号，互调分量抑制是指接收机接收有用信号而抑制互调干扰信号的能力。（7）邻道干扰抑制

邻道干扰抑制是检验接收机对邻近信道干扰抑制的能力。相邻信道上存在干扰信号会导致接收的有用信号质量降低，故应尽量抑制邻道干扰，使其不影响正常通信。（8）杂散辐射抑制

接收机的杂散辐射主要由天线连接器和机箱的辐射引起，通常使用隔离或电磁屏蔽的方法进行抑制。发射以及接收子系统Howaboutit-接收机的主要性能指标（9）噪声特性噪声和干扰是任何电子系统的大敌。接收机中的噪声会掩盖微弱信号，限制接收机对微弱信号的检测能力，即限制接收机的极限灵敏度。

要衡量一个接收机对有用信号接收性能的好坏，往往要知道加到传输信号上噪声的数量，通常以信号功率与噪声功率之比来-信噪比来判定。噪声系数NF的定义是：发射以及接收子系统Howaboutit-接收机的主要性能指标（10）动态范围接收机的动态范围是指接收机可检测的最小信号与在失真允许情况下能接收的最大信号之间的范围。动态范围的下限受限于接收机的噪声底数，但是也和整个系统的要求和状态有关，动态范围的上限受限于器件非线性指标和自动增益放大器的控制范围，当输入信号过大的时候，由于系统的非线性而产生了信号的失真，输入信噪比反而会下降。如果输入功率低于动态范围的下限，噪声将占主导地位。如果输入功率超过动态范围的上限，输出开始饱和。接收机动态范围是设计射频与微波电路的重要依据之一。一般情况下，动态范围可以定义为最小可检测信号MDS到1dB压缩点之间的功率范围。也就是接收机灵敏度和1dB压缩点之间的功率范围。微波在大气中的传播特性电波传播特性同时取决于媒质结构特性和电波特征参量。对于一定频率和极化的电波与特定条件相匹配，将具有某种占优势的传播方式。微波在大气层中传播时将受到一定程度的影响，其重要原因是氧气和水蒸气对微波频率会产生选择性的吸收和散射，在毫米波段尤其突出。自由空间电波传播；地波传播；天波传播；视距传播；对流层散射传播等。Whatisthis-微波在大气中的传播特性Howaboutit-自由空间电波传播有一天线置于自由空间A处，其辐射功率为Pr，方向性系数为D，在最大辐射方向上距离为r的点M处产生的场强振幅为：自由空间传播损耗的定义是：当发射天线与接受天线的方向性系数都为1时，发射天线的辐射功率Pr与接受天线的最佳接受功率PL的比值记为L0，即微波在大气中的传播特性Howaboutit-自由空间电波传播

虽然自由空间是一种理想介质，不会吸收能量，但是随着传播距离的增大导致发射天线的辐射功率分布在更大的球面上，当电波频率提高1倍或传播距离增加1倍时，自由空间传播损耗分别增加6dB。

实际的传输媒质对电波有吸收作用，这将导致电波的衰减。如果实际情况下的接受点的场强为E，而自由空间传播的场强为E0，定义比值|E/E0|为衰减因子，记为A，于是相应的衰减损耗为：微波在大气中的传播特性Howaboutit-自由空间电波传播

考虑了上述路径带来的衰减以后，为了表明传输路径的功率传输情况，通常用路径传输损耗来表示，记为Lb，即：Lb=L0+LF

dB。假设发射天线的输入功率为Pm，增益系数为Gt，则相应的功率密度和最佳接受功率分别为：

对于实际的传输路径，定义发射天线输入功率与接受天线输出功率之比为该路径的传输损耗，即：微波在大气中的传播特性Howaboutit-地波传播无线电波沿地球表面传播，称为地面波传播或者表面波传播。地面波传播的主要特性有：（1）地面波传播采用垂直极化波。地面波的传播损耗与波的极化形式有很大关系，当电波沿着一般地质传播时，水平极化波比垂直极化波的传播损耗要高数十分贝。（2）地面波传播过程中由于地面损耗造成电场传播方向倾斜，称为波前倾斜现象。（3）地面波传播过程中地面上电场为椭圆极化波，这是由于紧贴地面大气一侧的电场横向分量E1x，远大于纵向分量E1z，且相位不等，两者合成场为一狭长椭圆极化波。微波在大气中的传播特性Howaboutit-地波传播（4）地面波在传播过程中有衰减。地面波沿地表传播时，由于大地是半导电媒质，对电波能量的吸收产生了电场纵向分量E1z，相应地沿x方向传播的功率流密度

代表着电波的传输损耗。地面电导率越大，频率越低，地面对电波的吸收越小。因此地面波传播方式特别适用于长波、超长波波段。（5）地面波传播较稳定。这是由于大地的电特性和地貌地物等不会随时改变，

并且地面波不受气候条件的影响，因此地面波传播信号比较稳定。（6）地面波传播有绕射损耗。障碍物越高，波长越短，则绕射损耗越大。长波绕射能力最强，中波次之，短波较弱，超短波绕射能力最弱。微波在大气中的传播特性Howaboutit-天波传播天波传播是指电波由发射天线向高空辐射，经高空电离层反射后到达地面接收点的传播方式，也称为电离层传播。长、中、短波都可以利用天波传播。天波传播的主要优点是传播损耗小，从而可以用较小的功率进行远距离通信。电波从电离层返回地面时，电波频率f、入射角θ0和反射点的电子密度N，之间必须满足关系：微波在大气中的传播特性Howaboutit-视距传播视距传播是依靠发射天线和接受天线之间直视的传播方式，可以分为地—地视距传播和地—空视距传播。视距传播的无线电波和光线的传播类似，它们都有极强的方向性，因此要求足够高的架设高度。（1）地面对视距传播的影响假设发射天线A的架高为H，接收点B的高度为H，直接波的传播路径为r1，地面反射波的传播路径为r2，与地面之间的投射角为A，收、发两点间的水平距离为d。微波在大气中的传播特性Howaboutit-视距传播（2）对流层大气对视距传播的影响在上述分析中讨论的由平面地到球面地的修正，都是假定电波按直线传播，这种情况只有在均匀大气中才可能存在，而实际的对流层大气、压力、温度及湿度都随地区及离开地面的高度而变化，因此是不均匀的，会使电波产生折射、散射及吸收等物理现象。微波在大气中的传播特性Howaboutit-对流层散射传播对流层散射传播是利用低层大气气流冷热，水蒸汽含量及气压的不均匀性造成许多大小不同，形状各异的气流旋涡—湍流团，当无线电波射到湍流团会感应出电流，产生二次辐射电磁波，以达到远距离传播的目的。它的工作波段在超短波及微波波段，通信容量大，可靠性高、抗干扰性强，不会受电离层、太阳黑子、磁暴，极光及核爆炸的影响，称为“炸不断的通讯线”，这一点尤有军事价值，它的主要缺点是损耗大，要求发射台功率较大。412.4微波系统中的噪声与失真噪声是一个随机的过程Whatisthis-噪声的来源：1.来自于内部电路，如热噪声、闪烁噪声；2.来自于外部电路。如大气、星际和人为干预。噪声电压的均值电压的均方根RMS

0.42噪声决定了一个接收机中能被检测的最小电平接收总电平：n(t):噪声电压，s(t):信号电压and+out“1”

out“0”

Howaboutit43Howaboutit-噪声的分类按发生地点分：外部噪声，内部噪声；按产生根源分：自然噪声，人为噪声；按电特性分：脉冲型，正弦型，起伏型。噪声的度量——噪声温度、噪声系数

任何一个线性网络，如果它产生的噪声是白噪声，则可以用处于该网络输入端等效噪声温度为Te的电阻产生的热噪声源来代替44Howaboutit-噪声系数噪声系数定义为输入信噪比/输出信噪比，表征了信号通过系统后，系统内部噪声造成信噪比恶化的程度。有噪系统：F＞1无噪系统：F=145Howaboutit-多级网络噪声系数第一级输入:N1=kT0B第一级输出:第二级输出:两级总输出:46Howaboutit-多级网络噪声系数多级级联噪声:多级级联噪声温度:等效噪声温度与噪声系数是用两种不同的方法来描述同一个系统的内部噪声特性，等效噪声温度与噪声系数的对应关系为：47Howaboutit-噪声系数对应噪声温度NF（dB）FTe（K）0.51.2235.40.61.4843.00.71.17550.70.81.20258.70.91.23066.81.01.25975.11.11.28883.61.21.31892.348Howaboutit-噪声系数的测量方法——Y系数法测量步骤：接入高温噪声源，用功率计测得噪声功率Ph；接入低温噪声源，功率级测得噪声功率Pc；得到Y系数；联立求解。假设Tc＝T0，则49Howaboutit-噪声系数的测量设备噪声系数测量仪噪声发生器50

Whatisthis-失真——增益压缩、交调失真增益压缩——单载波系统基频信号的电压益增益线性和非线性分量

增益压缩或饱和，这是由于瞬时的输出电压受到放大器供电电压的限制。512.交调失真——多载波系统二次谐波，适用于二倍频器差频，适用于混频器或上变频器和频，适用于上变频器

三阶交调分量52Whatisthis-非线性定义分段折线描述幂级数展开解析函数描述53Howaboutit-器件非线性影响（1）输入端只有一个有用信号①谐波输入信号输出信号出现了频率为

Nωi

的频率分量②增益压缩大信号时高次项不能忽略时，基波信号电流为：大信号跨导：对于小于零的a3，平均跨导gm随输入信号幅度的增大而减小，此现象称为增益压缩。在射频线性放大电路中，常用1dB压缩点来度量放大器的非线性，它定义为使增益比线性放大器增益下降1dB所对应的输入信号幅度值Vim。55（2）输入端有两个以上有用信号①堵塞输入：

ω1为弱信号，而ω2是强信号，则输出的有用信号基波电流分量为：由于a3小于零，因而随着干扰信号的增大导致跨导变小。从而使输入信号电流变小，甚至趋于零，这就称为堵塞。如果无线电话接收机位于相邻频道的发射机旁，则由于接收机的天线滤波器无法滤除频率靠得这么近得干扰大信号，就有可能出现接收信号被堵塞得情况。56若输入端有相对较弱的有用信号V1和较强的干扰信号V2，且干扰信号是振幅调制信号②交叉调制交叉调制失真

这表明干扰信号的幅度调制信息转移到了有用信号的幅度上，如果有用信号也是幅度调制信号，则通过幅度解调后将会听到干扰台的串话音，这就是交叉调制失真。干扰信号幅度变化为：③互相调制V1m=V2m=Vm，则基波和三阶组合频率分量的输出电流为：这些组合频率分量会对有用信号造成干扰，且干扰并不是由两输入信号的谐波产生，而是由这两个输入信号的互相调制引起的，所以称为互调失真。由非线性器件的三次方项引这种起的互调称为三阶互调。电路与系统仿真软件简介Whatisthis-先进设计系统（AdvancedDesignSystem）先进设计系统(AdvancedDesignSystem)，简称ADS，它支持系统和射频设计师开发所有类型的射频设计，从简单到最复杂，从射频∕微波模块到用于通信和航空航天∕国防的MMIC。通过从频域和时域电路仿真到电磁场仿真的全套仿真技术，ADS让设计师全面表征和优化设计。单一的集成设计环境可以提供系统和电路仿真器，以及电路图捕获、布局和验证的功能，而不需要在设计中停下来更换设计工具，为蜂窝和便携电话、寻呼机、无线网络，以及雷达和卫星通信系统这类产品的设计师提供完全的设计集成。ADS电子设计自动化功能十分强大，包含时域电路仿真(SPICE-likeSimulation)、频域电路仿真(HarmonicBalance、LinearAnalysis)、三维电磁仿真(EMSimulation)、通信系统仿真(CommunicationSystemSimulation)和数字信号处理仿真设计（DSP）等。电路与系统仿真软件简介Whatisthis-AnsysHFSSAnsysHFSS是世界上第一个商业化的三维结构电磁场仿真软件，业界公认的三维电磁场设计和分析的电子设计专用软件。HFSS提供了简洁直观的用户设计界面、精确自适应的场解器、拥有空前电性能分析能力的功能强大后处理器，能计算任意形状三维无源结构的S参数和全波电磁场。HFSS采用有限元法全波分析，具有无与伦比的仿真精度和可靠性、快捷的仿真速度、方便易用的操作界面、稳定成熟的自适应网格剖分技术，是业界公认的三维电磁场设计和分析的工业标准。适用于射频和微波无源器件设计、天线及天线阵列设计、高速数字信号完整性分析、电磁干扰和电磁兼容分析、电真空器件设计、目标特性研究和雷达散射截面仿真、比吸收率计算、光电器件仿真等。电路与系统仿真软件简介Whatisthis-AltiumDesignerAltiumDesigner是原Protel软件开发商Altium公司推出的一体化的电子产品开发系统，主要运行在Windows操作系统。这套软件通过把原理图设计、电路仿真、PCB绘制编辑、拓扑逻辑自动布线、信号完整性分析和设计输出等技术的完美融合，为设计者提供了全新的设计解决方案，使设计者可以轻松进行设计，熟练使用这一软件使电路设计的质量和效率大大提高。MultismMultisim是美国国家仪器(NI)有限公司推出的以Window为基础的电路仿真软件工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。在模电、数电的复杂电路虚拟仿真方面，Multisim仿真分析能力很强。电路与系统仿真软件简介Whatisthis-XpeedicIRISXpeedicIRIS是由芯禾半导体科技（上海）股份有限公司提供的一款集成在CadenceVirtuoso平台中的3D快速电磁场仿真工具，用于分析片上无源器件的性能和互连线的影响。该软件具有多核和分布式并行化的快速3D矩量法求解器，能显著减少EM仿真的时间，从而提高了设计效率。XDSXDS是由芯禾半导体科技（上海）股份有限公司提供的一款射频系统设计与仿真软件，该软件集成原理图环境和版图环境两个设计仿真模块，和与之配套的电路仿真引擎和EM电磁场仿真引擎。另外提供了完整的高级分析辅助模块，可以帮助用户提高设计效率、优化性能、统计分析等。第二课堂训练无线系统新应用调研（本科生）近几十年来，无线系统发展日新月异，无线系统的运用越来越多。无线输能、移动通信、汽车雷达、物联网等应用为人们的日常生活带来了极大的便利，同时也对无线系统提出了更高的要求和更大的挑战。调研近几年无线系统有哪些比较新的应用方向。无线系统发展的技术瓶颈与趋势探析（研究生）目前无线系统的发展趋势有哪些？新方向中无线系统的工作原理是什么？新方向中无线系统有哪些关键技术指标？新方向中无线系统存在哪些难点和针对难点有什么好的解决方案？Howtoimproveit-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