微波电路及设计的基础知识

微波电路及设计的基础知识

1.微波电路的基本常识

2.微波网络及网络参数

3.Smith圆图

4.简单的匹配电路设计

5.微波电路的电脑辅助设计技术及常用的CAD软件

6.常用的微波部件及其主要技术指标

7.微波信道分系统的设计、计算和指标分配

8.测试及测试仪器

9.应用电路举例

微波电路及其设计

1.概述

所谓微波电路，通常是指工作频段的波长在10m〜1cm(即

30MHz〜30GHz)之间的电路。此外,还有毫米波(30〜300GHz)及亚

毫米波(150GHz-3000GHz)等。

实际上，对于工作频率较高的电路，人们也经常称为“高频电路”

或“射频(RF)电路”等等。

由于微波电路的工作频率较高，因此在材料、结构、电路的形式、

元器件以及设计方法笔方面，与一般的低频电路和数字电路相比，有

很多不同之处和许多独特的地方。

作为一个独立的专业领域，微波电路技术无论是在理论上，还是

在材料、工艺、元器件、以及设计技术等方面，都已经发展得非常成

熟，并且应用领域越来越广泛。

另外，随着大规模集成电路技术的飞速发展，目前芯片的工作速

度已经超过了1GHz。在这些高速电路的芯片、封装以及应用电路的

设计中，一些微波电路的设计技术也已得到了充分的应用。以往传统

的低频电路和数字电路，与微波电路之间的界限将越来越模糊，相互

间的借鉴和综合的技术应用也会越来越多。

2.微波电路的基本常识

2.1电路分类

2.1.1按照传输线分类

微波电路可以按照传输线的性质分类，如:

图1微带线

T：E

VM/WA

1

图4波导

图5共面波导

2.1.2按照工艺分类

微波混合集成电路：采用别离组件及分布参数电路混合集成。

微波集成电路(MIC)：采用管芯及陶瓷基片。

微波单片集成电路(MMIC)：采用半导体工艺的微波集成电路。

图6微波混合集成电路例如

图7微波集成电路(MIC)例如

图8微波单片集成电路(MM1C)例如

2.1.3微波电路还可以按照有源电路和无源电路分类。其中，有源电

路包括放大器、振荡器等；无源电路包括分路器、耦合器、移相器、

开关、混频器和滤波器等。

2.2常用的微波传输线电路组件和不连续性组件

图9传输线段

图10耦合线

图11开路线

图12短路线

W2

W1192

图14阶梯线

we

VI

W2

图17T型结

,叩r

JT13

-?-—r

图18十字结

其它还有一些如扇形线、Lange耦合器、交指电容和螺旋电感

O

2.3常用的微波元器件

这里主要介绍一些常用的贴装无源器件和微波半导体器件。

图19片状迭层电容及单层电容

图20片状迭层电感及线绕电感

图21片状电阻

户&

t@

图22贴装可调电容

图23贴装电位器

图24微波二极管〔封装及芯片）

图25微波三极管和场效应晶体管〔封装及芯片）

图26微波单片集成电路1MMTC）（封装及芯片）

2.4常用的微波介质基片

我们经常使用的微波介质材料如表1所示。

表1几种经常使用的微波介质材料

名称介电常数(£r)备注

聚四氟乙烯玻璃纤维基片2.7国产、进口

陶瓷(Al203)基片(99%)9.6国产、进口

微波复合介质基片可选国产

RT/duroid58802.2Rogers公司

R040033.38Rogers公司

TMM10I9.8Rogers公司

RT/duroid@SeriesR04000@SeriesTMM@Series

图27Rogers公司生产的几种微波介质基片

3.微波网络及网络参数

3.1具有特定内容(含义)的特殊微波网络

3.1.1平行耦合线定向耦合器

图28平行耦合线定向耦合器

3.1.2兰格(Lange)定向耦合器

图29Lange定向耦合器

3.1.3威尔金森(Wilkinson)功分器/合路器

WilkinsonPowerDivider

Frequency(GHz)

图30功分器/合路器

3.1.4阶梯阻抗变换器

图31阶梯阻抗变换器

3.1.5微带线低通滤波器

图32微带线低通滤波器

3.1.6平行耦合线带通滤波器

图33平行耦合线带通滤波器

3.1.7其它，如交指滤波器、谢夫曼移相器及分支线定向耦合器等,

也都具有固定（特定）的网络形式。

3.2一般网络

微波网络是由各种微波组件根据需要组合而成，所以网络的形式

具有任意性。上面介绍的那些特殊网络只是其中一些典型的形式而

己。

一般来说，简单的网络通常是窄带的电路，如人g/4线。这一点,

在设计宽带匹配电路时，需要引起注意。

3.3网络参数

我们经常使用S参数（即散射参数）来描述微波网络。以下面的

二端口网络为例。

图34二端口微波网络

在图34所示的二端口微波网络中，a1和b1分别为埠1的归一

化入射电压波和反射电压波；a2和b2分别为埠2的归一化入射电压

波和反射电压波。二端口微波网络的输入和输出之间的关系可以表示

为

bl=51lai+s\2a2

b2=s2lai+s22a2⑴

即=-"r2-T_a\~

「sll512-

其中Sr=[s21s22」⑵

式(1)称做散射方程，⑸叫散射矩阵或散射参数。

由式(1)可以得出二端口网络的S参数为：

sil=-^|fl2=o,即当埠2匹配时(ZL=ZO),埠1的反射系数；

a\

S22=—dl=0,即当埠1匹配时(Zs=Zo),埠2的反射系数；

S12=%即当埠1匹配时，埠2到埠1的传输系数；

S21=—|,即当埠2匹配时•，埠1到埠2的传输系数。

ard2=0

通过上面的分析我们可以看出，微波网络的S参数具有确定的物

理意义。实际上，我们以往所经常使用的如Z参数、Y参数和H参数

等均可以通过计算与S参数互相换算。但在微波频率上，只有S参数

是可以测量出来的，这样也就解决了微波网络参数的测量问题。

另外，对于端口数为N的多端口网络，我仅同样可以得到类似于

式(1)的表达式，这时⑸为NXN维的矩阵。

4.史密斯（Smith）圆图

Smith圆图是一个非常有用的图形化的匹配电路设计和分析工

具，且方便有效，在微波电路设计过程中会经常用到。

另外，Smith圆图有阻抗圆图和导纳圆图两种形式，可以视具体

情况选用。

图36Smith圆图的应用例如

TheCompleteSmithChart

BlackMagicDesign

图37图解用的Smilh圆图标准图纸

由图35我们可以看到，在Smith阻抗圆图中存在等电阻圆、等

电抗线、纯电阻线、电感平面（joLK电容平面（1/jock开路

点、短路点和50。点等等。

当然，相对应的在导纳圆图中也存在等电导圆和等导纳线等。

5.简单的匹配电路设计举例

晶体管放大器匹配电路设计例如

6.微波电路的电脑辅助设计技术及常用的CAD软件

自20世纪70年代以来，微波电路CAD技术已经取得了很大的进

步。一方面是各CAD软件厂商推出了很多通用和专用的微波电路CAD

软件产品，包括电原理图输入和微波电路的图形输入、电路的仿真和

优化、容差分析、版图生成及输出、与测试仪器接口等功能，并有许

许多多的电路模型库、组件库、半导体器件的线性模型库和非线性模

型库等可供选择，应该可以说是功能强大、使用方便、应有尽有。而

另一方面，微波电路CAD软件也已被广泛应用于各种微波电路的设

计，并成为微波工程师必须掌握的设计工具。

6.1常用的微波电路CAD软件

微波电路的CAD软件大致可以分成下面几类：

①线性/非线性微波电路仿真软件；

②2.5D平面电路电磁场仿真软件；

③3D电磁场仿真软件：

④系统仿真软件；

⑤专用电路的设计软件。

⑥排版软件

表2主要的微波电路CAD软件简介

序号名称主要性能厂商

1ADS综合软件包Agilent

2Serenade综合软件包Ansoft

3MWOffice线性/非线性电路、2.5D电磁场仿真AWR

4GENESYS线性/非线性电路、滤波器设计等Eagleware

5MMICAD线性/非线性电路设计OPTOTEK

6Momentum2.5D平面电路电磁场仿真Agilent

7Ensemble2.5D平面电路电磁场仿真Ansoft

8em2.5D平面电路电磁场仿真Sonnet

9HFSS3D电磁场仿真Ansoft

10MWStudio3D电磁场仿真CST

11Symphony系统仿真Ansoft

12Clementine共形天线设计Ansoft

13Protel电路板布线PROTEL

14AutoCAD电路板布线Autodesk

6.2微波电路计算计辅助设计-简介

微波电路计算计辅助设计(CAD)技术是电子设计自动化(EDA)

技术的一个分支，用于射频及微波电路的电脑仿真和优化设计。

6.2.1微波电路CAD的特点及主要内容

与其它电子EDA技术相比，微波电路CAD软件具有以下几个特点:

①必须有精确的传输线模型和各种器件模型;

②有时必须采用电磁场仿真等数值仿真工具;

③一般都具有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、组件之

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

参数提取以及电脑辅助测试。

6.2.2常用的分析方法

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。

6.2.3优化

给定电路的网络拓扑结构、各个组件的初始值，以及电路的设计

指针的目标参数，CAD软件将自动改变各组件值，直到满足要求。

C仙软件通常都具有的，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。

6.2.4设计步骤

微波电路CAD设计的步骤可大致总结如下：

①根据技术性能指针的要求，选择半导体器件。

②对于不需要半导体器件的微波无源电路，根据技术性能指

针的要求，选择网络拓扑结构。

③根据所选器件的具体参数，设计匹配电路的拓扑结构。

④确定（或计算）电路中各个组件的初始值。

⑤根据技术性能指针的耍求，设置优化目标（或参数）。

©根据经验或试验性地选择假设干优化变量（或组件）。

⑦选择优化方法，并进行优化。

⑧进行容差分析。

⑨进行版图的设计并输出版图。

⑩进行性能指针的复核，进行版图的检查，并提出结构设计

的耍求。

6.2.5几点经验和建议

①必须保证器件选择、匹配电路或网络拓扑设计的正确性。

②电路中各组件初始值的选择应尽量准确。这将有利于优化

计算的快速收敛，并保证优化设计能够到达全局最优点，

而不是局部的极小（或极大）点。

③对于存在多个优化目标参数的一般情况，应根据实际的需

要，分出主次或考虑折衷，并进行加权。

©关于优化变量（或组件）的选择，一方面可以根据自己的

经验，另一方面也可以先选择其中几个进行试探。特别是

当组件（或变量）较多时,一般不主张都选择为优化变量。

⑤对于优化方法的选择，通常是先随机法，后梯度法，这样

将有助于使没计到达全局最优。

⑥在电路设计的过程中，必须要考虑组件标称值的因素。另

外对于分布参数电路，电路参数的取值必须要符合相应的

工艺要求。

6.3设计举例

6.3.1例1：2GHz低噪声放大器的设计

频率范围：1.95〜2.05GHz；

管子型号:AT-41411,为微波双极晶体管

CAD软件：ADS

Optneabonofanptfcrnputand

outputriBtdifignet*orisforgan,

nputinlch.outputmatch,andnose

figs.Ihegoafcbdowarenct4

satsfcd

1C(

图382GHz低噪声放大器电路

0.000

20.0

16.0-5.00

(&

公q12.0r-10.0

、&d

LX8.00Xc)i

xEEX-15.0

Ee4.00eE

el0.000Ee

EuSE-20.0

Ss-4.00mS

mmpm

pp-8.00p-25.0

-12.0

1&o-30.0

/

26o-4

—

I—-35.0

02068

00000

00.

.990246802468。

0MMMMOOOOOOOOOOO

GGGGGGGGGGG

freq,Hzfreq,Hz

图382GHz低噪声放大器仿真结果

6.3.2例2：5GHz发夹式微带线带通滤波器的设计

CAD软件：Momentum

图39发夹式带通滤波器电路图

((

二L

s)CsM

mm

pp

图40发夹式带通滤波器仿真结果

7.一些常用的微波部件及其主要技术指标

在各种各样的微波电路中，放大器是相对最具有代表性的。因此,

我们作为重点对其进行介绍，而对于其它的电路，则只介绍其特殊的

性能指针，同样的内容不再重复。

7.1放大器

①频率范围：门〜f2

②增益⑹：

G=Pout/Pi⑶

③噪声系数(NF)：

s,

口SJNjN,N“GN”、..

F=-f-------=---------—=-------=----------i------2=1+Nxz⑷

S。/N°SjGGNjGNx

No

式中Nx是出现在放大器的输出端，由放大器内部产生的噪声。

NF=101ogF(5)

即NF=101og(N；)

所以，噪声系数NF就代表了放大器自身噪声奉献的大小。

④输入、输出反射损耗及电压驻波比(VSWR)

反射损耗(LR：是在输入信号保持不变的情况下，从短路器

反射的电压与从被测负载反射的电压值比，并用dB表示。

LR=201ogfil(6)

\P)

式中，P为被测负载的反射系数。

LR

夕=1/102。(7〕

VSWR=^-^-(8)

1-P

⑤IdB压缩点输出功率(P-1)：

随着输入功率的增加，当放大器的增益被压缩了IdB时的输

出功率，即为IdB压缩点输出功率。

P-1是表示一个放大器的非线性特性和输出能力的一项重要

指标。

Saturated

Eoutputpower

8

P

)

示

三

号

。

InputHower(dBm)

图42放大器输入/输出功率关系曲线

⑥互调分量和交叉点

如图43所示，当频率为fl和f2的两个等幅信号同时加在

放大器的输入端时，由于放大器非线性的影响，在输出端将出现

互调失真的成份。其中f2±fl为二阶互调分量，而2fl±f2为

三阶互调分量。

另外，除非是对于宽带的电路，一般我们不考虑二阶互调失

真的影响。下面以三阶互调失真为例进行分析。

图43放大器互调失真示意图

图44是基波分量和三阶互调分量与输入功率之间的关系曲

线。将它们线性延长的交点,即为三阶交叉点(TP3)O假设TP3

已知，那么我们就可以准确地预知三阶互调失真的大小。

DER

-OR

3RO

»>T

RCE

INTE

-----

------

INT

PO

毒

H

i

n

d

-

n

o

UT

INP

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INT

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(dBm

INT

PO

Bm

INd

ER

POW

UT

INP

卬

E(%

TON

CH

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f

L<

TA

EN

AM

ND

FU

1

(

OPt

SL

1:1

CTS

ODU

PR

OER

OR

3RO

OPE

SL

)3:1

±f

(2f

2

t

叉点

三阶交

分量和

阶互调