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1、射频器件常用技术手册1 .概述所谓微波电路，通常是指工作频段的波长在 10m 1cm（即30MH30GHz之 间的电路。止匕外，还有毫米波（30300GHZ及亚毫米波（150GHz- 3000GHz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 及设计方法等方面，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
2、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：的加却用排砂排搦期身切勿想训卅”想办阴想总Ji府勿勿，插那般用肘排勿附川，阳川御搦部“勿从图2带状线图3同轴线图4波导|DIEL- 图5共面波导2.1.2 按照工艺分类微波混合集成电路：采用分离元件及分布参数电路混合集成。微
3、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微波混合集成电路示例图7微波集成电路（MIC）示例图8微波单片集成电路（MMIC示例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元件和不连续性元件图9传输线段图10耦合线图11开路线图12短路线T w -图13直角拐弯线图14阶梯线图15渐变线_L L LTw_LT图16缝隙li 2r w3 l图17 T型结图18十字结其他还有一些如扇形线、Lange耦合器
4、、交指电容和螺旋电感等等。2.3 常用的微波元器件些常用的贴装无源器件和微波半导体器件这里主要介绍科一L_T-r 卜 yPiling &e 口“士/ L hkW 1由nitf L/sr口、)图19片状叠层电容及单层电容图20片状叠层电感及线绕电感 a额国图21片状电阻杳；区fl/*J-,1,Termination1(Fine grained high densify产cerantk diefectric)卜 overall .l*C*|耍小i/1 terminal 1lervninal 幅 nacxrct图22贴装可调电容图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（MM
5、IC （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（er）备注聚四氟乙烯玻璃纤维基片2.7国产、进口陶瓷（Al2Q）基片（99%）9.6国产、进口微波复合介质基片可选国产RT/duroid 58802.2Rogers公司RO40033.38Rogers公司TMM10I9.8Rogers公司RT/duroid? Series RO4000? Series TMMSeries图27 Rogers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Ilfc
6、MLrinay三I.il2isl图28平行耦合线定向耦合器3.1.2 兰格(Lange)定向耦合器0-5-1581012Frequency (GHz)_DB(|S2,1|)Lange Coupler_DB(|S3,1|)Lange Coupler一DB(|S4,1|)Lange Coupler14图29 Lange定向耦合器3.1.3 威尔金森(Wilkinson )功分器/合路器-40Wilkinson Power Divider-10-20-301920211822Frequency (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
7、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元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已。一般来说，简单的网络通常是窄带的电路，如 入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。TWO - PORT NETWORK图34二端口微波网络在图34所示的二端口彳波网络中，al和bl分
8、别为端口 1的归一化入射电 压波和反射电压波；a2和b2分别为端口 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 = sllal si2a2 b2 = s21a1 s22a21 b , 1 al|1S|12bl 匕2一,s11s12其中(2)】=|s21s22 一式（1）称做散射方程，bl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:b1S11= a2 6,即当端口 2匹配时（ZL=ZO,端口 1的反射系数;a1b2|S22= I a1f ,即当端口 1匹配时（ZS=Z。，端口 2的反射系数;a2b11S12=一|a1f,即当端口 1匹
9、配时，端口 2到端口 1的传输系数;a2b21S21=| a2f ,即当端口 2匹配时，端口 1到端口 2的传输系数。a1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，我们同样可以得到类似于式（1）的 表达式，这时S】为NX N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
10、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35 Smith阻抗圆图图36 Smith圆图的应用示例The Complete Smith ChartBlack Magic DesignRtriDJ图37图解用的Smith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（j coL）、电容平面（1/ jC）、开路点、短路点和50Q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 .微波电路的计算机辅助设计技术及常用的 CA球件自20世纪70年代以来，微波电路CADJ术已经取得了很大的进步。一方面
11、 是各CAM件厂商推出了很多通用和专用的微波电路 CACa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、元件库、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 CA咏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。5.1 常用的微波电路CAWC件微波电路的CADB件大致可以分成下面几类： 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
12、软件表2主要的微波电路CADt件简介在舁 厅P名称主要性能）商1ADS综合软件包Agilent2Serenade综合软件包Ansoft3MW Office线性/非线性电路、2.5D电磁场仿真AWR4GENESYS线性/非线性电路、滤波器设计等Eagleware5MMICAD线性/非线性电路设计OPTOTEK6Momentum2.5D平闻电路电磁场仿真Agilent7Ensemble2.5D平闻电路电磁场仿真Ansoft8em2.5D平闻电路电磁场仿真Sonnet9HFSS3D电磁场仿真Ansoft10MW Studio3D电磁场仿真CST11Symphony系统仿真Ansoft12Clemen
13、tine共形天线设计Ansoft13Protel电路板布线PROTEL14AutoCAD电路板布线Autodesk5.2 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计算机仿真和优化设计。5.2.1 微波电路CAD勺特点及主要内容与其它电子EDAK术相比，微波电路CAEB件具有以下几个特点： 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CADK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
14、都非常大。微波电路CADfe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。5.2.2 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。5.2.3 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，cadB件将自动改变各元件值，直到满足要
15、求。cAca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。5.2.4 设计步骤微波电路CADS计的步骤可大致总结如下： 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，
16、并提出结构设计的要求。5.2.5 几点经验和建议 必须保证器件选择、匹配电路或网络拓扑设计的正确性。 电路中各元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达到全局最优点，而不是局部的极小（或极大）点。 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（或元件）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。特别是当元件（或变量）较多时，一般不主张都选择为优化变量。 对于优化方法的选择，通常是先随机法，后梯度法，这样将有助于使设计达到全局最优。 在电路设计的过程中，必须要考虑元件标称值的因
17、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。5.3 设计举例5.3.1 例1: 2GHz低噪声放大器的设计频率范围：1.952.05GHz;管子型号 :AT-41411 ，为微波双极晶体管CADa件：ADSOptimization of annplifier nput and output matching netw orfe for gain, input match, output mabch, and noise fgure. The goals below are not d satisfied.IW gTHafed LiTQilflFU IhEfefir k
18、DKiErfTnc牯询L Md* Stofr hc&tebKSrPARAMETERS IGOALG回 QWiblDHrtlMef*刖。Ricn 虱 HP叩RRUk RpM2 蹴ItKwta mT(B Kwta mT(B20.0 16.012.08.004.000.000 -4.00 -8.00 -12.0 -16.0 -20.01(C249KmmT.R-C-IL5|faiMb2pfC tSsdLIF1a RtrJFCb-Ef RH旗 GdIM斯 GlibDG SIGIWrtflVII?L必咄即中式七总阍瞅疝立的降R R2 W5 Im 智1 91011k邺小面*WHk El 由e*GdIJW F
19、i/SlirMfa=lfaK-10a-WW y(iF便1皿上 1蛆吨细GlkH-SDBCta哂回ii W哨,法曲GoJIte-ID 脸剪上 眄啊ij*r眄啊郎Ok图38 2GHz低噪声放大器电路0.0010040060I08CI01M0CIC2cle40GBeIC8(230(22(2：4(236(238(30G freq, Hz)9- 2(vcf a mQMlBdlfll MJvcrta QMlBd0.000-5.00-10.0-15.0-20.0-25.0-30.0-35.0Godltoc-Z2TenT20.020(4006008001 h00(20(4a)(6a)C8(202C22(40!
20、(S0(80K：00Gfreq, Hz1.41.61.82.02.22.42.62.83.06.3.2爸RIM. .slews W E _吧-EEJS.GSMtuLl-!la.l:-l-:l:-l-:l-.lll:-l:-l-:l-.l-l-:l-;l.li-Jl-:,，0.80.40.00.00.20.40.60.81.01.2freq, GHz图38 2GHz低噪声放大器仿真结果2: 5GHz发夹式微带线带通滤波器的设计CA球件：Momentum图39发夹式带通滤波器电路图-50-604.04.55.05.56.06.57.0freq, GHz图40发夹式带通滤波器仿真结果6. 一些常用的
21、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标，同样的内 容不再重复。6.1 放大器频率范围：f1增益（G）:f2(3)F Si/NiNiNo G Ni NSo / No Si G G NiNoG Ni(4)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=10logF（5）NF=10log(Nx)所以，噪声系数NF就代表了放大器自身噪声贡献的大小。 输入、输出反射损耗及电压驻波比（VSWR反射损耗（LRO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
22、值比,并用 dB表示。LR=20log(6)式中，p为被测负载的反射系数。LR：=1/1020(7)VSWR =I-：(8)G=Pout/Pin噪声系数（NF）:1dB压缩点输出功率（P-1）:1dB时的输出功率,随着输入功率的增加，当放大器的增益被压缩了 即为1dB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。EC0P)拈言此三分noInput Power (dBm)图42放大器输入/输出功率关系曲线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 f1为二
23、阶互调分量，而2f1 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。DEVICE OUTPUTA UWDERTEST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(IP3)。若IP3已知，那么我们就可以 准确地预知三阶互调失真的大小。3RD-OMOR INTERCEPT POINT 一6.2混频器INPUT POWER IN dBm EACH TONEFUNDAMENTAL八审对 1:1 5LOP3HD-OROER PRODUCTSCZf, 3:1 S
24、LOPE图44基波分量、三阶互调分量和三阶交叉点(9)IM3 =3*2 R(10)图46混频器混频器可以进行下变频或上变频，其输出的有用信号分别为f IF = f RF - fLO(11)或fRF = fLO + fIF(12)而实际上混频器所输出的频率成份为fout = m fRF n fLO(13)其中除了有用的信号外，其它均为杂波，需要通过改进电路设计、适当增加 本振功率等方法来提高混频器的动态范围，或者通过滤波器来抑制杂波。由此就 已经引出了频率的选择、计算和分配的问题了。6.3频率合成器(包括振荡器)输出功率杂波、谐波抑制相位噪声这里我们只介绍相位噪声的概念，不进行公式推导。我们知道
25、，所有实际应用的信号源都存在着不稳定性，即存在着无用 的信号幅度、频率或相位起伏。通常可将这些无用的频率或相位的起伏描 述为相位噪声。如图47所示，由于相位噪声的存在，引起载波频谱的扩展，其范围可 以从偏离载波小于1Hz一直延伸到几MHz(加性噪声的影响)。图48 一个实际信号的频谱图48为在频谱分析仪上实际观察到的 RF信号的频谱。对于一个实际 的信号，一般存在下面三种情况：a.由于器件老化等导致的长期不稳定性，需要经过长期观察才能看 到。b.由于电源起伏、振动等导致的短期不稳定性（即在1s时间内的频率变化），为系统的、离散的信号，他们在信号的频谱边带上表现为截然 不同的分量一杂散。通常我们
26、所说的杂散还包括一些寄生的杂波分量。c.随机效应。随机的和幕律噪声只产生随机的短期不稳定性，这就是我们通常所说的相位噪声。随机噪声包括热噪声、散粒噪声和闪烁噪声。Noise Power in a 1 Hz bandvidtbI otul Sinul PowerEEM7的快硒的出/无?印占SFAK5C&1I1图49相位噪声的定义如图49所示，（单边带）相位噪声通常用在相对于载波某一频偏处， 相对于载波电平的归一化1Hz带宽的功率谱密度表示（dBc/Hz）。图50某10MHZS补晶振（TCXO的相位噪声测试曲线6.4滤波器仅以带通滤波器为例：插入损耗带宽：BW-1dB BW-3dB带外抑制VSWR
27、群延时图51带通滤波器（BPE的测试曲线7.微波信道分系统的设计、计算和指标分配本节仅就系统的噪声、增益、功率以及频率的指标分配问题作简单的讨论和 分析。7.1噪声系数的分配A NF 1/G1 A HFi/Gz 一 NFxi/Gn图52接收系统方框图对于图52所示的接收系统，系统的总噪声系数为F =F1 +F1+ +Fn1（14）G1G1 G2 Gn4NF=10logF所以，当第一级的增益（G1）足够大时，接收系统总的噪声系数 NF就主要取决于第一级的噪声系数（NF1）。也就是说，对于一个接收系统，要求第一级（通 常是一个低噪声放大器）的噪声系数应尽可能小些，而增益应足够大。增益和功率的分配增
28、益和功率（实际上也包括 NF）的分配需要结合在一起来（折衷）考虑。另外，在其分配的过程中所要遵循的主要有以下几点：一级的输出功率通常应满足：PoutwP-1 - 6dB; 考虑该级G和P-1等的实际可能情况，亦即实际部件（或器件）的可实 现性；功耗（如V,特别是I ）; 进行级联后的G NR P-1、IP3和I等的（复核）计算。7.3频率的分配和计算关于频率的分配和计算，需要注意以下几点： 对于混频器，应计算|m fRF n，fLO|的组合频率分量。m和n 一般可以取6阶左右； 对于系统中的放大器、振荡器等，应考虑其谐波分量及三阶互调产物的 影响；经常容易忽略的是各级之间的相互作用和影响，应综合考虑而不能只孤 立地考虑某一级，或简单地认为在某一级是理想的（如后级是单频等）。 另外对于较复杂的系统，有时可能还需要考虑系统中各部分之间的耦合 和用扰等。