微波集成电路与系统 课件 第8-13章 微波检波器-电路与系统仿真软件

第八章

微波检波器

What-控制微波信号通断、幅度以及相位的电路；微波信号传输路径通断或转换——微波开关，脉冲调制器等控制微波信号的大小——电控衰减器，限幅器，幅度调制器等。控制微波信号的相位——数字移相器，调相器等。

Why-实现微波信号的特殊处理；

Howaboutit-电性能（响应速度）；非电性能。

Howtorealizeit-微波控制电路所用元件PIN管的特性零偏压及反向偏压——势垒电场/电容，呈高阻态；正向偏压——低阻导通态，阻值随偏置电流增大而减少；承上微波半导体管——PIN管、变容管、肖特基二极管、场效应管铁氧体——钇铁石榴石（YIG）其他：如液晶（压控调谐材料特性）启下§8.3微波检波器What?--

(Whatisthis?)Why?--

(Whyneedit?)How?--(Howaboutit?Howtorealizeit?Howtoimproveit?)2011,景洪,

《微带检波器的研究与设计》，桂林电子科技大学硕士学位论文§8.3微波检波器

按工作原理和结构分：二极管检波器：利用二极管的非线性特性将微波信号转换为直流信号；谐振器检波器：利用谐振器的谐振频率和带宽来检测微波信号。晶体管检波器：使用晶体管的非线性特性将微波信号转换为直流电压信号。均衡检波器：均衡检波器将输入信号分成两路，分别通过不同的电路，然后再将它们合并在一起。

其他类型检波器:反向器检波器、斩波器检波器Whatisthis-微波检波器的分类

·频率测量·功率测量·相位测量：

相位检波器可以将微波信号转换为直流电流信号，

其大小与微波信号的相位差有关

·调制和解调：二极管检波器可以用来对微波信号进行振幅调制

晶体检波器可以用来对微波信号进行频率调制·信号检测总之，微波检波器是微波系统中重要的测量和调整工具，它们的功能多种多样，可以根据需要选择不同类型的检波器来实现不同的功能§8.3微波检波器Whyneedit-微波检波器的主要功能·频率范围·承受功率·驻波比二极管检波器通常可以工作在数十兆赫（MHz）到几千兆赫（GHz）的频率范围内，而晶体管检波器可以工作在更高的频率范围内，通常从几百兆赫（MHz）到几百千兆赫（GHz）。微波检波器承受功率是指检波器能够安全地处理的微波信号的最大功率。检波器承受功率是一个非常重要的参数，因为当微波信号的功率超过检波器能够承受的功率时，就可能会导致检波器损坏。检波器承受功率的大小取决于多个因素，包括检波器类型、制造材料、大小和形状等。微波检波器的驻波比（VSWR）是指在输入和输出端口之间的反射信号与正向传输信号之间的比值。它是描述检波器输入和输出匹配程度的一个重要参数。§8.3微波检波器Howaboutit-微波检波器的性能电流灵敏度：式中，是检波器输出端为短路时的检波电流；是加在二极管上的微波信号功率。根据定义，检波器电流灵敏度，又称短路电流灵敏度，其表达式如下式所示，单位为A/W。Howaboutit-微波检波器的性能电压灵敏度：

，单位：

式中，是检波负载电阻上的电压；是加在二极管上的微波信号功率。开路电压灵敏度（

）：实际电压灵敏度：当

时，电压灵敏度近似为

Howaboutit-微波检波器的性能视频电阻：二极管对低频信号，即检波器输出的视频信号所呈现的阻抗。当把二极管作为检波器使用时，视频电阻就是后级放大器输入阻抗的设计依据。在较低的视频情况下，二极管视频电阻可以近似

，常用的检波二极管视频电阻在零偏置附近时大约是1～3。优质因数：反映探测接收机的灵敏度与噪声特性的参数。检波器的优质因数或称Q值定义为

式中，是电压灵敏度；是电流灵敏度；是检波管视频电阻；是检波器后级放大器的等效噪声电阻。或者写成Howaboutit-微波检波器的性能最小可检测功率：由于检波二极管的噪声（包括电阻热噪声、电流散弹噪声和闪烁噪声），使检波器可检测的最小信号受到限制。当被检测信号输出电压等于二极管噪声等效电压时，检波器输入端的被测信号功率就是最小可检测功率。可见最小可检测功率主要取决于检波器的优质因数

和工作带宽

。Howaboutit-微波检波器的性能切线灵敏度TSS

：检波电压的负噪声峰值等于无信号时的正噪声峰值，如下图所示。当二极管闪烁噪声不大时，

中的

就是切线灵敏度所对应的功率，简称切线灵敏度：Howaboutit-微波检波器的性能微波检波器的设计微波检波器在实际应用中主要分为两类用途：一类是微波测量设备中的微波信号检测器，以同轴和波导结构为主；另一类是微波电路中的专用指示器，通常是微带电路，和别的电路集成为一个整体。高灵敏度窄带检波器：采用匹配电路把二极管阻抗变换至50Ω，这些匹配电路都属于无损耗电抗网络，所以必然是窄带检波器（典型带宽小于10％），在窄带宽范围内可获得高灵敏度和低驻波比。Howaboutit-微波检波器的用途宽带检波器：作为通用的微波检测部件时,需要使用倍频程以上的宽频带检波器。用大失配的设计方法可以获得倍频程量级的检波

代价：灵敏度大大降低，输入驻波比增大，检波器对信号源阻抗的变化很敏感。一种宽频带检波器采用有损电路，即在检波管之前并联一个阻值为50左右的电阻

，电路原理如图所示。Howaboutit-宽带检波器微波检波器的设计温度补偿检波器：

当温度增加时，正向导通降低，反向电流加大。为改善温度特性，基本措施是采用恒温，但恒温电路复杂，只在作为功率指示器要求严格的情况下采用。另一种方法是采用温度补偿电路，如图所示。温度补偿检波器电路Howaboutit-温度补偿检波器微波检波器的设计毫米波微带检波器：可直接检测毫米波信号功率大小，输出直流信号。整个电路主要由波导到微带的过渡、输入阻抗匹配网络和低通滤波器三部分组成，在匹配网络和低通滤波器之间加装检波二极管。Ka频段微带检波器整体电路结构Ka频段微带检波器实物照片Howaboutit-毫米波微带检波器微波检波器的设计选择适当的二极管对于微波检波器的性能至关重要。以下是一些选择微波检波器二极管的要点：·高频响应能力（毫米波、亚毫米波）·高功率·低噪声系数（精确检测信号）·反向漏电流小（增加稳定性和精度）·反向击穿电压高（增加可靠性和耐久性）典型的梁式引线肖特基二极管的切面结构微波检波器的设计Howtoimproveit-二极管的选择·高截止频率和低噪声系数器件·输入阻抗匹配·电源噪声的抑制（稳压电源、电源滤波器）·温度稳定性（低温漂移二极管、温度补偿电路）·信号放大（信号放大器）W波段检波器实物图微波检波器的设计Howtoimproveit-高灵敏度设计要设计宽带化的微波检波器，需要注意以下几个关键因素：·带宽匹配（宽带匹配网络）·器件特性（环形二极管、双极型传输线二极管）·

带通滤波·技术细节（最小化电容和电感的影响、高频传输线损耗）182GHz集成检波接收机微波检波器的设计Howtoimproveit-宽带化设计微波检波器的芯片化设计是将传统的离散元件微波检波器中的电路元件集成到一块半导体芯片上的过程。通过芯片化设计，可以减少系统复杂度，提高可靠性，降低制造成本和占用空间检波器版图加工实物图上图为一个微波检波器的版图和加工实物图，该检波器的工作频率为23-34GHz，电压灵敏度为6000mV/mW，等效噪声功率为11.5~36.0pW/Hz1/2微波检波器的设计Howtorealizeit-芯片化设计·选取合适的半导体工艺（GaAs、SiGe）·器件模型设计（二极管、电容、电感建模）·电路拓扑设计·工艺流程和制造·封装和测试（S参数测试、噪声系数测试）W波段BiCMOS单片集成检波器微波检波器的设计Howtorealizeit-芯片化设计微波检波器创新探讨方向：·高灵敏度·宽带化·高速化·集成化·新型器件和材料第二课堂训练微波检波器的设计Howtoimproveit-创新研讨TheEnd！谢谢！请多指正！第九章

微波倍频器

24

What-将微波射频信号转换为直流或低频信号；微波信号传输路径通断或转换——微波开关，脉冲调制器等控制微波信号的大小——电控衰减器，限幅器，幅度调制器等。控制微波信号的相位——数字移相器，调相器等。

Why-实现微波信号的特殊处理；

Howaboutit-电性能（响应速度）；非电性能。

Howtorealizeit-微波控制电路所用元件PIN管的特性零偏压及反向偏压——势垒电场/电容，呈高阻态；正向偏压——低阻导通态，阻值随偏置电流增大而减少；承上微波半导体管——PIN管、变容管、肖特基二极管、场效应管铁氧体——钇铁石榴石（YIG）其他：如液晶（压控调谐材料特性）启下§9.3微波倍频器What?--

(Whatisthis?)Why?--

(Whyneedit?)How?--

(Howaboutit?Howtorealizeit?Howtoimproveit?)2025,董亚洲,《新型太赫兹中高功率倍频模组的研究》电子科技大学博士学位论文§9.3微波倍频器

按倍频次数分：低次倍频器：一般单级倍频次数不超过5次。这类倍频是通过电容呈非线性变化的功率变容管的作用或晶体管工作在C类状态下放大的非线性阻抗实现的。它的倍频效率较高，输出功率较大。高次倍频器：指单级倍频次数可达5次以上，倍频器件一般用阶跃管。在高次倍频时，其倍频效率约为n分之一，n为倍频的次数。因为倍频次数高，故可由一个几十兆赫兹的石英晶体振荡器经一级倍频至微波频段，得到很稳定的高频率输出，但这种倍频器输出功率较小。

Whatisthis-微波倍频器的分类

非线性电阻倍频理论当要求宽带或高功率的倍频器时常采用以单调正非线性电阻为基础的电阻倍频器。优点：能提供较宽的带宽，且比电抗性倍频器工作更加稳定，不易产生参变振荡。缺点：变换效率比电抗倍频器或有源倍频器低，因此应用不如电抗性倍频器普及。§9.3微波倍频器Howaboutit-按工作原理分类

其中P1表示输入基波功率，Pn为第n次谐波输出功率；二次倍频器：Pn≤0.25P1；实际设计时：采用管对结构，如逆并联（反相并联）

——抑制偶次谐波电阻性倍频器通常用正向偏置的肖特基势垒二极管提供非线性I-V特性。Pantell、Page和Clay都指出，对于正非线性电阻来说，电压v是电流i的单值函数，且≤Pantell不等式§9.3微波倍频器Howaboutit-按工作原理分类

二极管倍频器和晶体管倍频器两大类。二极管倍频器常采用变容二极管和阶跃恢复二极管。变容二极管适用于低次倍频，其效率较高，如果忽略损耗电阻等寄生参量的影响，由Manley-Rowe功率关系，其效率可达100%。阶跃管倍频器多用在高次倍频场合，由于它不需要变容管倍频所需的空闲电路，因而在电路结构上相对简单，其倍频次数可达100次以上。§9.3微波倍频器Howaboutit-按不同器件分类

无源倍频方式即不需要外加直流电源，可通过自偏压等方式自己建立工作点。这类倍频器一般采用二极管等无源器件实现，倍频过程中只有倍频损耗而没有额外的增益。

有源倍频方式一般采用晶体三极管等有源器件的非线性来实现。其工作时需要外加电源来建立直流工作点，因而在倍频过程中还可以将部分直流能量转化为射频能量输出，从而实现有增益的倍频。但其工作电路较无源方式复杂。§9.3微波倍频器Howaboutit-按是否外加电源分类1）频率倍增：倍频器将输入信号的频率增加到原始频率的倍数2）信号生成：倍频器可以生成高频信号3）时钟分频：倍频器可以将输入的时钟信号分频，生成更高频率的时钟信号4）音频处理：倍频器可以应用于音频领域，将低频音频信号倍频到更高的频率范围，以实现音频处理和音效增强5）频率合成：倍频器可以与其他电路结合使用，用于频率合成。通过选择适当的倍频器倍数和输入信号频率，可以合成需要的输出频率§9.3微波倍频器Whyneedit-微波倍频器的主要功能微波倍频器的性能1）波形纯度：所需频谱幅度与杂波频谱幅度之比，单位：dB；2）工作频率及倍频次数：工作频率：输入/输出频率；倍频次数：输出频率与输入频率的比值。3）输出功率：倍频器在一定输入功率情况下的输出功率；4）变频损耗（效率）：输出所需谐波功率与输入基波功率之比；dB——变频损耗，百分数——效率；5）驱动功率：能使倍频器正常工作的最小输入基波信号的功率；Howaboutit-微波倍频器的性能指标把输入频率的正弦波能量通过非线性器件（如非线性电阻、电容），使其输出波形发生畸变，产生各次谐波，再用滤波电路把所需要的谐波能量取出送到负载。倍频器的组成二极管倍频器方框图Howaboutit-微波倍频器的工作原理变容二极管（VaractorDiode），也被称为容量调谐二极管（VaricapDiode）或电容二极管（VariableCapacitanceDiode），是一种特殊类型的二极管，其电容值可以通过调节电压而变化。平面管芯结构常用封装的变容二极管由两部分组成，即管芯和封装结构。管芯的结构又包括台面和平面两种方式台面管芯结构Howaboutit-变容二极管管芯等效电路封装管完整的等效电路封装管的简化等效电路

为非线性电阻，是外加电压的函数；

为结电容，其值随外加偏压而变化；是电阻，它包括PN结两边半导体的扩散电阻以及欧姆接触电阻；

是引线电感；

为封装电容变容二极管等效电路Howaboutit-变容二极管表征变容二极管性能的静态参数1）反向击穿电压：对变容管

有特定要求，一般定义

为反向电流达1μA时的反偏电压值。它限制了二极管的激励电平，为了避免出现正向电流以及随之而产生的电流散粒噪声，一般适用范围在

之内。2）结电容

：对任意杂质浓度分布的PN结，其结电容是外加电压V的函数，其关系如下：变容管

特性Howaboutit-变容二极管3）品质因数Q品质因数的物理意义是变容二极管储存能量与耗散能量的比值，可用下式表示：

4）截止频率:

它定义为当Q值降为1时对应的频率，表达式为Q的大小表示变容管储存交流能量于消耗能量之比，Q越高说明管子损耗越小，这样倍频器可得到较高的频率。一般以零偏压时的Q值作为管子的参数指标，用

表示。Howaboutit-变容二极管假设变容管所加的电压为将其代入变容管结电容表达式中有

式中，

为激励系数，

。当激励电压是时间的偶函数时，结电容随时间变化也是时间的偶函数。因此，结电容的傅里叶级数表达式为余弦电压作用下结电容随时间变化的曲线Howtorealizeit-变容管倍频器设计上式可变换形式为令

，则式中，

称为电容调制系数。在工程计算中，有时采用简便的方法近似估计基波的调制系数。利用最大和最小瞬时电压的结电容

、的平均值可近似估计

和.令

于是

和

都是和的函数，在不同的工作状态下，其电容调制系数也是不同的。一般来讲，电容调制系数随激励电压幅度的增大而增大。Howtorealizeit-变容管倍频器设计

的增大受到两方面的限制：一方面是它与直流偏压叠加后的最大正值不能引起变容管的正向电流，否则噪声性能会严重恶化；另一方面，它与直流偏压叠加后的最大负压值不能超过反向击穿电压，以免损坏管子。因此变容管的电压调制系数存在极限值。定义D来表示激励状态，其定义为式中，

分别为变容管受激励时的最大和最小电荷，qB和qΦ为变容管处于反向击穿以及零偏压时的电荷。

D<1，称为欠激励；D=1，称为全激励；D>1，称为过激励。Howtorealizeit-变容管倍频器设计变容管二次倍频器工作在不同激励状态下的电荷-电压波形Howtorealizeit-变容管倍频器设计基本电路有两种：电流激励型和电压激励型。电流激励型：变容管一端接地，便于大功率散热；若为突变结变容管并工作于全激励或欠激励状态，只有2次谐波上有功率输出；若要实现高次倍频，必须在电路中设置空闲电路变容二级管倍频器等效电路电流激励型Howtorealizeit-变容管倍频器设计电压激励型：变容管不接地，适用于平面电路；损耗小，效率高；易实现高次倍频变容管倍频器等效电路电压激励型基本电路有两种：电流激励型和电压激励型。Howtorealizeit-变容管倍频器设计电流激励型倍频电路分析式中，、、由串联电路两端的瞬时电压确定；

——输入信号激励电压；

——变容管端电压；

——输入信号源内阻；

——输出负载电阻；

——结电容电荷；

。Howtorealizeit-变容管倍频器设计以常用的突变结变容管倍频器为例来说明对具体的倍频器的分析过程。对突变结变容管，其电容非线性系数=1/2。变容管二次倍频器：对于二次倍频器，不存在空闲电路，这时i=1，2，qm=0，时域方程简化为当输入、输出回路谐振时，经数学推导后可得变容二极管倍频器电路参数的计算Howtorealizeit-变容管倍频器设计由二次倍频器电路方程（5.67）即可计算得二次倍频器的各性能参量。

Howtorealizeit-变容管倍频器设计在变容管非线性系数（γ）、信号激励状态（D）以及电路结构确定后，利用计算机对电路方程进行数值计算，选择满足效率最大的那组可能的

、

和

组合，然后由这组组合计算出输入阻抗、输出阻抗等其他电路参数。计算出电路参数后，可采用圆图来设计实际的匹配电路或选择电路拓扑后直接用计算机优化设计匹配电路。如果倍频器的带宽较宽，以上述设计数据来作为计算机辅助设计的初值，在此基础上，还需要用相应的微波仿真软件对倍频器的各个参数进行整体优化。同样的方法在变容管高次倍频器中也适用。二倍频器设计过程Howtorealizeit-变容管倍频器设计(a)MMIC照片(b)电路原理图94GHzMMIC单个二极管二倍频器毫米波肖特基二极管二倍频器MMICHowtorealizeit-肖特基势垒二极管倍频器设计94GHzMMIC倍频器设计与测试结果比较毫米波肖特基二极管二倍频器MMICHowtorealizeit-肖特基势垒二极管倍频器设计FET倍频原理场效应晶体管中，产生谐波的非线性作用主要有以下几种：1）栅-源和栅-漏的非线性电容

和

；2）漏极电流

被限幅引起的非线性；3）-的非线性变换特性；4）输出电导的非线性。双极型晶体管：集电极-基极的结电容微波晶体管倍频器Howtorealizeit-肖特基势垒二极管倍频器设计以单栅场效应管利用其漏极电流的限幅作用为例分析实现其高次倍频的机理。单栅FET倍频器原理电路微波晶体管倍频器Howtorealizeit-肖特基势垒二极管倍频器设计2）

B类倍频：

管子夹断效应得尖峰脉冲电流，

；平均直流分量为（损耗小，效率较高，不易自激，高次倍频）1）

A类倍频：

限幅效应得到半波，导通角

；平均直流分量为

根据栅偏压的不同，可分为A、B和AB类倍频工作状态。微波晶体管倍频器Howtorealizeit-肖特基势垒二极管倍频器设计3）

AB类倍频

：

限幅+夹断效应得近似对称方波，

（放大区，效率高，易自激）

根据栅偏压的不同，可分为A、B和AB类倍频工作状态。微波晶体管倍频器Howtorealizeit-肖特基势垒二极管倍频器设计65-nmCMOS工艺金属层65-nmCMOS工艺，65-nm是工艺制程，一般指晶体管在该工艺下可以实现的最小栅长，最小栅长越小表示工艺越精细，晶体管的截止频率越高，通过晶体管搭建的电路容易实现更高的性能。65-nmCMOS工艺共9层可以使用的金属层，从下到上分别为M1~M6层、过渡层M7层、次顶层M8层、顶层M9层。其中M1~M6的厚度均为0.22μm，M7层厚度为0.9μm，次顶层的厚度为3.3μm，顶层金属M9层厚度为1.325μm，底层金属到衬底的氧化物介质厚度为0.58μm，如图9.15所示。一般使用M1层作地，厚度最厚的次顶层金属M8层作信号层，而M2~M7作中间层。除此之外，工艺库中还提供了常用器件模型，如场效应管、电容、电阻等。Howtoimproveit-芯片化设计芬兰埃斯波阿尔托大学75~110GHz二倍频器2011年，芬兰埃斯波阿尔托大学的Mikko

Varonen等人设计了一款基于65nmCMOS工艺的二倍频器，输出信号频率在75~110GHz之间，相对带宽为37.8%。该二倍频器的结构图如图所示，输入端使用一个螺旋传输线变压器当做一个宽带的巴伦，它可以用来将输入阻抗匹配到基波频率下场效应管的负载阻抗。使用螺旋传输线既能达到产生差分信号的效果，又能减少芯片的面积。输出频率为100GHz时，二倍频器在5dBm的输入信号驱动下倍频损耗为16dB，直流功耗为13.8mW，基波抑制大于25dBc，芯片面积为0.27mm2Howtoimproveit-芯片化设计基于push-push结构的实际电路如图所示。该电路是2014年东南大学刘洋等采用65nmCMOS工艺实现的输出频率为38～56GHz的宽带二倍频器。电路由三部分组成。第1部分中三极管MP1和MP2构成一个共模push-push结构，而另一对三极管MN1和MN2为另一个push-push结构。两对电路并联工作，通过选择合适的直流偏置，可以获得平衡的差分输出信号。电感L1和L2用于输入匹配。第2部分电路为直流偏置电路，传输线TL1和TL2其电长度在二次谐频上为四分之一波长，高阻抗，从而阻止二倍频器输出信号传输至直流偏置端或接地端。而对于在输出端输出幅度相对较大的四次谐波信号，其电长度为二分之一波长，为低阻，因而可大大降低四次谐波信号到输出端信号的幅度（理想情况为0）。电路的第3部分中四个互补交叉耦合对MP3、MP4、MN3、MN4和电感L3构成负阻，达到提高输出信号功率的目的。基于改进型push-push结构并用负阻提高输出的二倍频器push-push二倍频器电路版图Howtoimproveit-芯片化设计Howtoimproveit-芯片化设计美国加州大学62~90GHz二倍频器2016年，美国加州大学的YuYe，BoYu，AdrianTang等人研究设计了一款基于65nmCMOS工艺的二倍频器，输出信号3dB带宽在62~90GHz之间。该二倍频器的结构图如图所示，输入端采用了一个具有良好平衡性能的巴伦，并采用一个新型的中心补偿电容将巴伦用于输入端匹配。二倍频器在3dB带宽频率范围内，倍频增益在-5.5~-2.5dB之间，二次谐波输出信号功率在-1~2dBm之间，直流功耗在9~14mW之间，谐波抑制大于20dBc，芯片面积为0.27mm2。微波倍频器创新探讨方向：·高效率·宽带化·小型化·高频化·太赫兹固态源第二课堂训练Howtoimproveit-微波检波器-创新研讨目前微波倍频器发展的技术瓶颈有哪些?1.能效2.相位噪声3.温度稳定性4.集成度针对技术瓶颈是否有相应的解决方案或思路?Howtoimproveit-微波检波器-创新研讨目前微波倍频器发展的发展趋势有哪些?1.宽带化2.低相位噪声3.高能效设计4.集成和微型化5.新型材料和器件TheEnd！谢谢！请多指正！第十章

微波控制器件

内容提纲–“2W3H”What?(Whatisthis?)微波开关的定义

Why?(Whyneedit?)微波开关的功能Howtorealizeit?实现微波开关的元件Howaboutit?微波开关的性能指标Howtoimproveit?2021,AymanEltaliawy;JohnR.Long,TMTT，

ABroadband,mm-WaveSPSTSwitchWithMinimum50-dBIsolationin45-nmSOI-CMOS10.1微波开关WhatandWhy——按功能分通断开关，如单刀单掷（SPST）开关，其作用是控制传输系统中微波信号的通断；

典型应用：微波信号源用的脉冲调制器转换开关，如单刀双掷（SPDT）开关。

典型应用：雷达发射机和接收机共用天线的收发转换开关（T/R），以及雷达多波束的转换控制按电路形式分串联型开关、并联型开关、串/并联型开关；按电路性能分反射式开关、谐振式开关、滤波器式开关、阵列式开关。10.1微波开关PIN二极管

Howtorealizeit-实现微波开关的元件图10-1(c)PIN管正向导通等效电路10.1微波开关场效应管工作原理：利用场效应管的特性，即电场效应，控制其漏极电流的大小。以金属-半导体场效应管（MESFET）为例，MESFET具有源极、漏极和栅极，栅极与沟道之间通过金属-半导体接触形成肖特基势垒。调控其栅极电压，可以控制沟道中载流子的流动。当栅极电压反偏，栅极-沟道间的势垒增加，减少沟道中的电流流动直至阻断，开关断开。栅极电压正偏，越过阈值电压时，沟道中有电流通过，开关导通。图10-4MESFET等效电路Howtorealizeit-实现微波开关的元件10.1微波开关承上

What——控制微波信号通断或转换的电路；

Why——实现微波信号的特殊处理；

Howaboutit——

电性能（响应速度）；非电性能。

Howtorealizeit——微波控制电路所用元件PIN管、FET管的特性：零偏压及反向偏压——势垒电场/电容，呈高阻态；正向偏压——低阻导通态，阻值随偏置电流增大而减少10.1微波开关启下What?(Whatisthis?)Why?(Whyneedit?)微波开关的定义与分类Howtorealizeit?实现微波开关的元件Howaboutit?微波开关的性能指标Howtoimproveit?如何改进微波开关2021,GuangxuShen,etal.,TMTT，

AnalyticalDesignofMillimeter-Wave100-nmGaN-on-SiMMICSwitchesUsingFET-BasedResonatorsandCouplingMatrixMethod.10.1微波开关主要技术指标：工作频率承载功率插入损耗（InsertionLoss）隔离度（Isolation）驻波比串扰（Crosstalk）重复率使用寿命频率范围：高至65GHz，范围广。最大功率：开关承载功率的能力，与设计及使用的材料密切相关。插入损耗：信号在开关板卡或系统传输时的衰减。隔离度：开关在“断”态传输到负载上的功率与开关在“通”态传输到负载上的功率之比。电压驻波比：信号路径上驻波的最大电压幅值与最小电压幅值之比。驻波比越大，反射功率越高，传输效率越低。串扰：不同通道上传输的信号之间或通道上信号与输出信号之间产生的电容耦合、电感耦合或者电磁辐射。重复率：微波开关的技术指标经长期反复使用之后变化的度量。使用寿命：开关移到另一个位置再返回原位置的最大次数。Howaboutit-开关主要技术指标

10.1微波开关

10.1微波开关Howaboutit-开关主要技术指标

图10-1(a)PIN管串联型等效电路图10-1(b)PIN管并联型等效电路10.1微波开关Howaboutit-开关主要技术指标

图10-3并联型单刀双掷开关等效电路并联型单刀双掷开关电路分析外加调节电容和调节电感对PIN二极管的寄生参量进行补偿设计成立条件：使用的相对频宽<10%正向偏置状态：Cp及L的影响可以忽略

令调节电容C和引线电感Ls串联谐振反向偏置状态：Ls的电抗远小于结电容Cj的容抗而可忽略，等效电路是C与L的并联谐振10.1微波开关Howaboutit-开关主要技术指标

图10-3并联型单刀双掷开关等效电路

10.1微波开关Howaboutit-开关主要技术指标

Howtoimproveit-改善开关特性的电路谐振式开关：即对给定的PIN管及指定的工作频率，外加电抗元件与寄生元件调谐，使开关在PIN管正、反偏状态下分别于指定频率点产生串联和并联谐振（或反之）。缺点：相对带宽较窄。多管单路开关：即采用多管单路形式以改善开关的性能。滤波器型开关：用PIN管代替滤波器元件就可构成宽频带的开关。10.1微波开关PIN二极管

具有正向导通低阻、反向截止高阻的特性，可应用于开关器件中；但需要较大的偏置电流，开关速度较低，因此一般不用于对功耗敏感的应用场景中，如移动通信设备。MEMS（微机电系统）具有低插损、高隔离度等优点，可以与传统的CMOS工艺兼容，具有良好的应用前景；但由于高驱动电压、特殊封装、可靠性、成本等问题，制约了其发展。固态FET器件发展方向：降低成本、加快开关速度、降低驱动电压发展驱动力：改进工艺、提出新拓扑结构、发展半导体材料技术微波开关还有哪些形式？10.1微波开关Howtoimproveit-微波开关设计创新探讨内容提纲–“2W3H”What?(Whatisthis?)微波电调移相器的定义

Why?(Whyneedit?)微波电调移相器的功能How?Howtorealizeit?实现微波电调移相器的元件Howaboutit?微波电调移相器的性能指标Howtoimproveit?2025,FarhadGhorbani,et.al.,TMTT，

Impedance-OrientedApproachforMaximizingLinearityinPIN-Diode-BasedPhaseShifters10.2微波电调移相器WhatandWhy微波电调移相器的定义与功能微波电压调节移相器是二端口微波网络，加入控制信号（一般为直流偏置电压）使网络的输入信号和输出信号之间产生相位差。微波移相器的分类图10-5微波电调移相器的分类按控制信号分：按实现方式分：模拟信号变容管、钛酸锶钡、铁电材料数字信号数字电路············10.2微波电调移相器主要技术指标：工作频带相移量相位误差插入损耗（InsertionLoss）电压驻波比（VSWR）开关时间功率容量工作频带：移相器的技术指标下降到允许界限值时的频率范围。相移量：不同控制状态时输出信号相对于参考状态的相对相位差。相位误差：各频点的实际相移和理论相移之间的最大偏差。插入损耗：未插入传输网络时负载吸收功率与插入传输网络后负载吸收功率之比的分贝数。电压驻波比：传输线上相邻的波腹点和波谷点的电压振幅之比为驻波比，用VSWR表示。开关时间：微波电调移相器的开关时间主要取决于驱动器和所采用的开关元件的开关时间。功率容量：开关元件所能承受的最大微波功率。Howaboutit-移相器主要技术指标

10.2微波电调移相器承上

What——改变输出微波信号与输入微波信号之间相位差的电路；

Why——控制微波信号的相位；

Howaboutit——

电性能（相移量、相位误差、插入损耗等）；非电性能。

Howtorealizeit——微波移相器所用元件变容二极管——结电容随偏置电压连续变化，可作为可调电抗元件；特殊材料——如钛酸锶钡、铁电材料等10.2微波电调移相器启下What?(Whatisthis?)Why?(Whyneedit?)微波移相器的定义与分类How?Howtorealizeit?实现微波移相器的元件Howaboutit?微波移相器的性能指标Howtoimproveit?如何改进微波移相器2021,TianjunWu,etal.,TMTT，

A60-GHzVariableGainPhaseShifterWith14.8-dBGainTuningRangeand6-BitPhaseResolutionAcross−25◦C–110℃.10.2微波电调移相器设计出发点

通过改变PIN二极管的偏压值与电纳值，可得到所要求的相移。一般指标在所希望的频率范围内，相移量为±2°，驻波比小于1.2。缺点

这种结构的移相器适用于小相移量的实现，但是它在产生相移的同时，还会引入不小的反射波。常见改进

以两个相同的电抗元件加载于传输线上，以使两个对称的反射波几乎完全互相抵消，进而使驻波比降到很小。Howtoimproveit-移相器的改进结构图10-6加载线型移相器的示意图10.2微波电调移相器

图10-7加载线型移相器的等效电路10.2微波电调移相器Howtoimproveit-移相器的改进结构

图10-9电抗网络反射型移相器图10-10移相线段反射型移相器10.2微波电调移相器Howtoimproveit-移相器的改进结构

图10-12开关型移相器的示意图10.2微波电调移相器Howtoimproveit-移相器的改进结构微波移相器的形式：微带形式->芯片化CMOS微波移相器：CMOS技术器件频率提高，达数十甚至上百GHz，逐渐能够应用于毫米波领域。优点：尺寸小；缺点：无源移相精度较差，插入损耗和回波损耗较高；

GaAsMMIC微波移相器：无源移相精度更高，损耗较低；尺寸比CMOS工艺稍大。采用pHEMT设计MMIC移相器是目前的研究热点。总发展趋势：高精度、低损耗、宽带、小型化←

2021,PengGu,etal.,TMTT，AWidebandVector-ModulatedVariableGainPhaseShifterfor5GNRFR2in40-nmCMOS.Howtoimproveit-微波移相器创新探讨

10.2微波电调移相器内容提纲–“2W3H”What?(Whatisthis?)微波衰减器的定义

Why?(Whyneedit?)微波衰减器的功能Howtorealizeit?实现微波衰减器的元件Howaboutit?微波电调衰减器的性能指标Howtoimproveit?10.3微波电调衰减器Whatisthis?按元件组成分无源衰减器：电阻元件组成无源衰减网络，无源衰减器又分为固定衰减器和可调衰减器。有源衰减器：用控制器件代替电阻衰减网络中的电阻。有源衰减器和其他热敏元件可组成有源可调衰减器。按电路形式分串联型开关、并联型开关、串/并联型开关；按实现方式分射频微波中选择同轴线衰减器；波导系统中选择能吸收电场能量的膜片作为衰减器；也可选择固态二极管在微波频段内制成波导或同轴线的可以电调谐的衰减器等。10.3微波电调衰减器微波电调衰减器是功率消耗器件，功率消耗后转变为热量。如果射频功率超过微波电调衰减器所能承受的最大功率，微波电调衰减器就会烧毁。因此在高功率的应用场景下，希望衰减器能承受较大的输入功率。高性能的微波电调衰减器中应具有较宽的工作频带，并且在频带内各频率点处的衰减量应当保持稳定；同时，为了保持衰减的信号频谱不失真，需要保证在衰减量改变时，频带内各频率点处的衰减量仍保持稳定。Whyneedit-微波衰减器的功能10.3微波电调衰减器Howtorealizeit-实现微波衰减器的元件图10-13单个并联PIN二极管衰减器图10-19开关内嵌式衰减结构无源消耗元件：电阻有源控制元件：PIN管、MOSFET管10.3微波电调衰减器除使用上述元件外，也可以结合使用3dB定向耦合器。图10-24

3dB定向耦合器型衰减器10.3微波电调衰减器Howtorealizeit-实现微波衰减器的元件Howtorealizeit-衰减的基本原理图10-14

T形衰减网络的结构

10.3微波电调衰减器可以联立方程组求解得到T形衰减网络中各个电阻的阻值。

图10-15

π形衰减网络的结构10.3微波电调衰减器Howtorealizeit-衰减的基本原理图10-16

桥T形衰减网络的结构

10.3微波电调衰减器Howtorealizeit-衰减的基本原理承上

What——衰减微波信号功率的电路；

Why——在低失真前提下减小微波信号的功率，起保护作用；Howtorealizeit——微波衰减器所用元件、衰减的基本原理10.3微波电调衰减器启下What?(Whatisthis?)微波衰减器的定义

Why?(Whyneedit?)微波衰减器的功能Howtorealizeit?微波电调衰减器所用元件Howaboutit?微波电调衰减器的性能指标Howtoimproveit?10.3微波电调衰减器主要技术指标：工作频带衰减平坦度衰减动态范围衰减线性度驻波比功率范围工作频带：在频带内各频率点处的衰减量应当保持稳定。衰减平坦度：工作频带内衰减量的起伏，经常用最大起伏来表示。衰减动态范围：最大衰减分贝数和最小衰减分贝数之差。衰减线性度：衰减的控制量之间具有线性关系的程度。电压驻波比：传输线波腹电压与波谷电压幅度之比。功率范围：衰减器能承受的最大功率。衰减器消耗的功率转变为热量，衰减器输入的射频功率超过该功率时就会烧毁。Howaboutit-微波衰减器技术指标

10.3微波电调衰减器图10-17

SPDT选通式衰减器SPDT选通式衰减器通过控制单刀双掷（SPDT）开关来选择衰减路径或者参考路径作为信号路径，实现可调衰减。优点：（1）均衡参考通路和电阻网络通路的长度，容易实现两个状态之间的相位追踪。（2）作为一个对称结构，其整体性能不易受到生产工艺参数变化的影响。10.3微波电调衰减器Howaboutit-微波衰减器技术指标

图10-17

SPDT选通式衰减器缺点：（1）SPDT开关的插入损耗较大，每个衰减位的输入/输出端各用到一个开关，如果多个衰减位级联，则多对开关所引入的插入损耗累积，导致总插入损耗高。（2）由于输入输出端均连接开关，占用的芯片面积大。10.3微波电调衰减器Howaboutit-微波衰减器技术指标

开关内嵌式衰减结构是实现低插入损耗、大衰减动态范围的主流衰减结构。在开关内嵌式衰减器中，MOS管作为单刀单掷（SPST）开关内嵌于阻性衰减网络中，控制衰减器的衰减。这样，信号通路只有一个简单的MOS开关，插入损耗较SPDT选通式衰减器有所下降。优点：插入损耗、衰减动态范围等方面具有优势；该结构为目前衰减器的主流结构。图10-19开关内嵌式衰减器10.3微波电调衰减器Howaboutit-微波衰减器技术指标

缺点：处于衰减态、参考态时，不同的寄生效应会造成两种状态下信号的传输相移不同，所以会带来一定的附加相移。图10-19开关内嵌式衰减器10.3微波电调衰减器Howaboutit-微波衰减器技术指标

图10-20简单的并联型反射式衰减器及其等效电路简单的并联型反射式衰减器及其等效电路如图10-20所示，它和并联型单刀单掷开关类似，但其偏置在正偏范围内连续可调，因此等效电路仅对应PIN二极管的正偏状态，图10-20中的正向电阻Rf随偏流变化时，电路的插入衰减随之变化。图10-20中所示的简单电路必定有很大的驻波比，因为其工作原理就是利用了反射衰减及吸收衰减的变化，所以在电路中必须在输入端外加环形器或隔离器才能使用。如何改进PIN管电调衰减器？10.3微波电调衰减器Howaboutit-微波衰减器技术指标

Howtoimproveit-衰减器的改进结构图10-22PIN二极管连成的

π形电阻衰减器等效电路10.3微波电调衰减器图10-23窄频带匹配型衰减器的原理图

10.3微波电调衰减器Howtoimproveit-衰减器的改进结构3dB定向耦合器型衰减器的原理图如10-24所示。两只同向PIN二极管与定向耦合器的③、④端口连接，微波信号经过二极管VD1或VD2接50Ω负载，通过1/4波长的终端开路线实现射频短路接地，因此，③、④端口的反射系数与Rf、Z0有关。主传输线断开的地方用来隔直，微波频段低端可以加电容实现，频率较高则采用交指电路等实现。图10-243dB定向耦合器型衰减器10.3微波电调衰减器Howtoimproveit-衰减器的改进结构石墨烯作为二维轻质材料，适用于平面集成电路；又由于石墨烯具有可调的表面阻抗，适用于微波电调衰减器，目前已经有文献报道了石墨烯在微波电调衰减器中的应用。Howtoimproveit-微波移相器创新探讨

10.3微波电调衰减器内容提纲–“2W3H”What?(Whatisthis?)微波限幅器的定义

Why?(Whyneedit?)微波限幅器的功能Howaboutit?微波限幅器的性能指标Howtorealizeit?实现微波限幅器的元件Howtoimproveit?10.4微波限幅器WhatandWhy-微波限幅器的定义与功能微波限幅器是一种自控衰减器，也是一种功率调制器件。当信号的输入功率较小时，信号可无衰减地通过；当输入功率超过某一值时，衰减会迅速增大，这一功率称为门限电平，当输入功率超过门限电平后，输出功率不再增大。微波限幅器常被用于微波扫频信号源或相位检测系统中，使输出信号的幅度保持稳定。图10-5微波限幅器在雷达接收系统中的位置阻止高功率信号破坏雷达接收系统。防止雷达发射机功率直接进入接收机。10.4微波限幅器主要技术指标：门限电平插入损耗隔离度频带特性耐功率尖峰泄漏及平坦泄漏恢复时间

Howaboutit-限幅器主要技术指标

10.4微波限幅器主要技术指标：门限电平插入损耗隔离度频带特性耐功率尖峰泄漏及平坦泄漏恢复时间尖峰泄漏及平坦泄漏：信号输入时，PIN二极管尚未完全导通，经过几个射频周期以后，PIN二极管的I层内才能够积累稳定的载流子。积累载流子的过程中，限幅器暂时的最大输出就是尖峰泄漏。10.4微波限幅器Howaboutit-限幅器主要技术指标

主要技术指标：门限电平插入损耗隔离度频带特性耐功率尖峰泄漏及平坦泄漏恢复时间恢复时间：脉冲微波信号通过后，I层内的载流子并不会马上消失，而是以一个时间常数呈指数衰减，这个时间常数与载流子的平均寿命相等，定义为恢复时间。一般来说，I层较厚的PIN二极管往往尖峰泄漏较大，尖峰持续时间较长，平坦泄漏较大，恢复时间较长，门限电平较高；I层较薄的PIN二极管与此相反。10.4微波限幅器Howaboutit-限幅器主要技术指标

Howtorealizeit-实现微波限幅器的元件图10-28肖特基势垒二极管限幅器图10-29变容管限幅器图10-30PIN二极管限幅器10.4微波限幅器承上

What——使输出信号的幅度保持稳定的自控衰减器；

Why——用于扫频信号源、相位检测系统、雷达接收机等，起保护作用；Howaboutit——

微波限幅器主要技术指标及其折中关系Howtorealizeit——实现微波限幅器的主要元件10.4微波限幅器启下What?(Whatisthis?)微波限幅器的定义

Why?(Whyneedit?)微波限幅器的功能Howaboutit?微波限幅器的性能指标Howtorealizeit?微波限幅器的设计Howtoimproveit?10.4微波限幅器图10-28肖特基势垒二极管限幅器及其输入波形这种限幅器存在的问题：（1）为了使二极管有充分短的转换时间，其空间电荷层必须很薄；（2）二极管还必须有很小的结电容，其结面积必须做得很小，因而二极管的体积极小，不能承受大功率信号。10.4微波限幅器Howtorealizeit-微波限幅器的设计图10-29变容管限幅器的原理电路变容管限幅器的原理电路如图所示。在小信号时，两个变容管（反极性并联）的电容之和与电感L产生并联谐振而呈现很高的阻抗，因而信号传输不受影响。在大信号时，由于变容管电容随电压的增大而减小，在信号周期内的平均电容随电压的增大而减小，导致并联回路失谐，从而产生反射，使信号传输功率受到衰减，而达到限幅的目的。由于在微波段必须釆用小电容变容管，功率容量非常有限。10.4微波限幅器Howtorealizeit-微波限幅器的设计图10-30PIN二极管限幅器的原理电路及其限幅过程PIN二极管限幅器的原理电路及其限幅过程如图所示。当PIN二极管被扼流线圈短路并有高电平微波电压激励时，在射频信号正半周，空穴和电子分别从P层和N层向I层注入。在负半周，注入的载流子大部分被吸出，但因负半周被吸出的载流子少于注入的载流子，I层有电荷储存。在I层电荷建立的过渡周期，PIN二极管尚未导通，信号受到的衰减很小。I层建立起稳定的电荷储存后导通，PIN二极管的微波阻抗很低，射频信号受到大的衰减，从而起限幅作用。10.4微波限幅器Howtorealizeit-微波限幅器的设计图10-30PIN二极管限幅器的原理电路及其限幅过程PIN二极管限幅器不是通过对射频信号整流，使射频信号削波而起限幅作用的，而是通过射频信号对I层导电性调制起限幅作用的。一旦I层建立起电荷储存，其导电率增大，对射频信号的正、负半周都起限幅作用。优点：结构简单，仅需一个PIN二极管。缺点：在小信号时电路是匹配的；但在大信号时，负载被严重旁路，电路严重失配，输入端的驻波比将比较大。事实上，这种限幅器主要是依靠反射衰减而得到限幅的，失配是必然的。如何改进PIN管限幅器？10.4微波限幅器Howtorealizeit-微波限幅器的设计可以利用3dB分支线电桥（定向耦合器）的隔离作用，图10-31就是利用两个90°相移3dB电桥构成的无反射PIN二极管限幅器。当信号功率较小时，PIN二极管呈现高阻状态。当信号功率大时，并联于端口1-3和端口1-4的PIN二极管处于低阻状态。从而，在实现限幅功能的同时，限幅器输入端口保持匹配，与输入信号强弱无关。Howtoimproveit-限幅器的改进结构

图10-31无反射PIN二极管限幅器10.4微波限幅器在电子通信系统和雷达系统中，限幅器通常是系统内部第一个接收到外界信号的器件。限幅器的插入损耗过大时，接收机的灵敏度下降，影响接收机的性能。发展趋势：降低限幅器的插入损耗，提升接收机灵敏度和性能。高温超导技术自问世以来，发展得越来越成熟，由于其表面电阻极低，制备的限幅器具有噪声极低、损耗小、体积小等优点，因此它能够大大提高系统的整体性能。可以考虑利用高温超导材料制备限幅器。Howtoimproveit-微波限幅器创新探讨

10.4微波限幅器课后习题为什么PIN管只需要很小的偏置功率就可以控制很大的微波功率？画出PIN管的等效电路图。从器件结构原理角度，简述场效应管为什么可以实现微波开关。1.给出微波开关的重要参数：插入损耗和隔离度的定义。2.已知某PIN管的正偏电阻为Rf=0.5Ω，反偏电容为Cf=0.15pF，传输线的特性阻抗为50Ω。（1）若将该管串联接在传输系统中，求在2GHz下开关的插入损耗与隔离度的大小。课后习题7.给出微波开关的重要参数：插入损耗和隔离度的定义。8.已知某PIN管的正偏电阻为Rf

=0.5Ω，反偏电容为Cf

=0.15pF，传输线的特性阻抗为50Ω。

（1）若将该管串联接在传输系统中，求在2GHz下开关的插入损耗与隔离度的大小。

（2）若将该管并联接在传输系统中，求在4GHz下开关的插入损耗与隔离度的大小。9.给出一种改善微波开关的插入损耗的方法及其电路图。10.给出一种改善微波开关的隔离度的方法及其电路图。课后习题11．微波电调衰减器主要由哪些元件实现？试举出三例。12．从下图所给的结构中推导桥T型衰减网络中各个电阻的表达式。图10-16

桥T形衰减网络的结构课后习题

图10-22PIN二极管连成的

π形电阻衰减器等效电路课后习题15．采用反射式PIN二极管级联方式设计一个限幅器，设计指标：工作频段为2～6GHz，连续波功率Pcw≥43dBm，限幅输出功率小于或等于20dBm，插入损耗小于或等于1dB，驻波比小于或等于1.5。第十一章

微波天线125微波天线的定义与分类微波天线的功能与性能微波天线周围的场区分布和互易性微波天线的设计与制备126微波是指频率范围在300MHz-300GHz之间的电磁波，所对应的波长为1米至1毫米之间，是分米波、厘米波、毫米波、亚毫米波的统称。IEEE标准将天线定义为“辐射或接收无线电波的装置”（Atransitionalstructurebetweenfree-spaceandaguidingdevice）。因此微波天线指的是工作在微波波段的发射或接收天线。微波天线Whatisthis-微波天线的定义127按工作性质分类;按用途分类;按天线特性分类;按极化特性分;按频带特性分;按天线上电流分布分类;按使用波段分类;按载体分类;按天线外形分类;按天线结构和分析方法分类。按天线辐射方式进行，适当考虑天线结构、工作频段和应用等因素，可分为四组基本类型：线元天线、行波天线、阵列大线和孔径大线。线元天线行波天线阵列天线孔径天线单极子天线长线天线侧射阵天线角锥喇叭天线偶极子天线菱形天线端射阵天线扇形喇叭天线环天线螺旋天线直线阵天线圆锥喇叭天线缝隙天线八木天线平面阵天线多模喇叭天线载体天线对数周期天线圆形阵天线混合模喇叭天线微带天线慢波天线共形阵天线波纹喇叭天线加载天线快波天线信号处理阵天线抛物面喇叭天线有源天线漏波天线自适应阵天线脊形喇叭天线双锥天线表面波天线多波束阵天线单反射面天线鞭状天线长介质棒天线相控阵天线双反射面天线

极低副瓣阵天线球形反射面天线

偏置反射面天线

环焦反射面天线

切割反射面天线

孔径扫描天线

透镜天线

角形反射面天线

背射天线

微带反射阵微波天线Whatisthis-微波天线的分类128天线的作用就是把传输线上传播的导行波，变换成无界媒介中传播的电磁波。它的功能有以下两个方面：能量转换、定向辐射或接收电磁波。1、能量转换。对于发射天线，天线应将电路中的高频电流能量或传输线上的导行波能量尽可能多地转换为空间的电磁波能量辐射出去；对于接收天线，天线应将接收的电磁波能量最大限度地转换为电路中的高频电流能量输送到接收机。2、定向辐射或接收电磁波。即天线具有对能量进行空间分配的功能。对于发射天线，辐射的电磁波能量应尽可能集中在指定的方向上，而在其它方向不辐射或辐射很弱；对于接收天线，只接收来自指定方向上的电磁波，在其它方向接收能力很弱或不接收。因此，一副好的天线应该具有完成某种任务而要求的方向性。微波天线的功能与性能Whyneedit-微波天线的功能129发射端：发将射机的高频电流转换为电磁波（产生电磁波的振荡源）。接收端：将空间传播的电磁波传来的电磁能量转换为接收机的高频电流。无线电通信系统中发射天线和接收天线的基本工作原理

微波天线的功能与性能Howaboutit-微波天线的工作原理130天线的指标参数分为两部分：1.电路参数，天线高效率辐射的保证，天线应用的必要条件；2.辐射参数，天线应用的本质，天线应用的充分条件。天线的电路参数包括输入阻抗、反射系数、驻波比、回波损耗、阻抗带宽等。天线的辐射参数包括方向图、主瓣宽度、副瓣电平、零点、方向性系数、增益、极化方式、交叉极化比等。（1）输入阻抗。天线输入端的阻抗。在电路中，天线就是负载的阻抗（频率的函数）。输入阻抗与天线输入端电压Vin、电流Iin和输入功率Pin之间的关系为

微波天线的功能与性能Howaboutit-微波天线的性能131天线的输入阻抗一般为复数，包含电阻Rin和电抗Xin两部分，Rin又包含辐射电阻Rr和损耗电阻Rl两个分量，即如果不计热损耗，则天线的输入电阻就是其辐射电阻。（2）反射系数和驻波比。反射系数：一般指电压反射系数，反射波电压和入射波电压之比。驻波比：电压的最大振幅与最小振幅之比。

天线的理想电路模型V+表示入射波电压，V-表示反射波电压，V0为馈线的阻抗,

ZL为等效的天线的阻抗。一般系统的馈线阻抗为50欧姆。微波天线的功能与性能Howaboutit-微波天线的性能132其中I(z)和V(z)的关系如下所示

由以及得（3）阻抗带宽。天线的阻抗带宽，其定义为：偏离中心频率时，天线的某些电特性将下降，在天线某个性能参数下降到容许值的频率范围。也称为天线的工作频带，或绝对带宽。工程上一般以天线的输入端口VSWR≤2(S11≤-10dB)为基准定义工作带宽，也有部分系统以VSWR≤3(S11≤-6dB)为基准定义工作带宽。即（绝对）带宽BW为：fL为工作频带内最大频率，fH为工作频带内最大频率。相对带宽RBW是工作频带内绝对带宽与中心频率fo的比值：窄带（NarrowBand）的相对带宽小于1%,宽带（BroadBand）的相对带宽在1%~25%，超宽带（Ultra-WideBand，UWB）的相对带宽大于25%。二倍频BW2定义为系统绝对带宽与高低端频率之和的比值，即绝对带宽与二倍中频之比。BW2取值范围为0≤BW2≤1，这个定义常用在超带宽领域。三倍频BW3定义为最高和最低频率之比，其定义式为：

这个定义的带宽范围为1~∞，这个定义也常用在超宽带领域。133134（4）方向图。

天线方向图是指天线辐射特性与空间坐标之间的函数图形，分析天线的方向图就可分析天线的辐射特性。

辐射特性包括辐射场强、辐射功率、相位和极化，因此天线的方向图又分为场强方向图、功率方向图、相位方向图和极化方向图。在天线分析中常采用如下归一化方向性函数表示：

式中

为天线最大辐射方向，

为方向性函数，描述天线辐射场的相对值与空间方向的函数关系，

为方向性函数的最大值。微波天线的功能与性能Howaboutit-微波天线的性能135

天线的辐射特性可采用二维和三维方向图来描述。三维方向图又可分为球坐标三维方向图和直角坐标三维方向图，这两种三维方向图又可采用场强的幅度和分贝表示；二维方向图又分为极坐标方向图和直角坐标方向图，这两种二维方向图也可采用场强的幅度和分贝表示。天线在球坐标下的三维方向图极坐标下二维场强幅度幅度方向图直角坐标下二维场强幅度方向图136

天线方向图一般是一个三维空间的曲面图形，但工程上一般采用两个相互正交的主平面上的方向图来表示天线的方向性，这两个主平面称为E面和H面。E面是通过天线最大辐射方向并平行于电场矢量的平面；H面是通过天线最大辐射方向并垂直于E面的平面。角锥喇叭天线的E面和H面极坐标下二维场强分贝方向图直角坐标下二维场强分贝方向图137（5）