Microwave and RF Design of Wireless Systems
Chapter 3
Noise and Distortion
in Microwave System
Dr. Zhang Yonghong
Noise determines the threshold for the minimum signal level that can be reliably detected by a receiver.
Source:
1. Generated internally by the receiver circuitry, such as thermal noise.
2. From external environment, such as atmosphere, interstellar, man-made interference.
Noise is a random process.
§3.1 Review of Random Processes
§3.2 Thermal Noise
§3.3 Noise in Linear System
§3.4 Basic Threshold Detection
§3.5 Noise Temperature and Noise Figure §3.6 Noise Figure of Passive Networks
§3.7 Dynamic Range
and Intermodulation Distortion
§3.2 Thermal Noise
①Thermal noise is caused by the random motion of charge carriers.
②Other sources of noise include shot noise, flicker noise, plasma noise, and quantum noise.
③Although these types of noise differ from thermal noise in terms of their origin, their characteristics are similar.
1. Noise Voltage and Power
The mean value of noise voltage ()0
n V t =But its RMS (the root-mean-square of noise voltage) ≠0.
()
n V t ()
n V t t
T is the temperature, in degrees Kelvin (K)
B is the bandwidth, in Hz R is the resistance, in Ω
23
:1.3810
k -?J/K is Boltzmann’s constant
4n V kTBR
=
()
n P B RBW ?1k RBW Hz =, 3kHz, the difference of P n is 4.7dB.
If P 0: 1mw, P n : -70dBm@10KHz, RBW=1KHz, the phase noise is -100dBc/Hz@10KHz.
The maximum power that can be delivered from the noise source to a load resistor:
phase noise：-102dBc/Hz@200KHz
Conclusion:
()n P T K ∝,n T P ↓↓
n P B ∝,n B P ↓↓
0n
P f
?=?1000f GHz <
The power spectral density of the thermal noise :
()222
n n P kT n S B ω===
Frequency range: -B to +B (Hz). It is two-sided power spectral density (
PSD ).
The probability density function (PDF ) of thermal noise
2
2
22
1()2n n f n e
σπσ
-=
It has a zero mean Gaussian noise.
2
σis the variance of the gaussian white noise.
The noise powers
generated by two independent noise source
add in a common load.
()
n f n ()
n n V t =EXAMPLE 3.2, page 76.
§3.3 Noise in Linear System
1. The output response of a linear time-invariant system
2
()()S ()
y x S H ωωω=S x (ω)----input PSD ，S y (ω) ----output PSD ，H(ω) ----transfer function.
The output noise power is proportional to the filter handwidth .
00N fn =?2. Gaussian White Noise through an Ideal Low-pass Filter
Input port:
()2
ni n S f =
Output port: 2
0()()()
n ni S f H f S f =1()0for f f
H f for f f
>???
3. Gaussian White Noise through Ideal Integrator
1()(1)
j T
H e j ωωω
-=-T is integral time Components: detector, demodulator
4. Mixing of Noise
Function: frequency conversion
2
2
o N σ
=
σ2: average noise power or variance of input port
Conclusion:
Mixing reduces the average noise power by half, dueing to the ensemble average of the over the range of random phase.
20cos t ω0
2
o T N n =The output noise power is proportional to the integration interval time.
5. Narrowband Representation of Noise
It is useful in analyzing the effect of noise on the demodulation of signals.
()()cos ()sin o o n t x t t y t t
ωω=+0ωis the center frequency of bandpass filter, and ω?is the bandwidth. 02()()02
x y n for S S for ωωωωω
ω??
==?
?>??
Motion of the charge → noise → PSD → PDF → pass through
various components .
ωω?
§3.4 Basic Threshold Detection
The received signal:()()()
r t s t n t =+n(t): noise voltage and "1"
()0"0"
o v for transmitted s t for transmitted ?=?
?+
()2T v r t >out “1”
()2
T v r t T t ? s(t): signal voltage 1. Probability of Error (1) e P : when a binary “1”is transmitted, the probability o f a detection error 22 00 ()/22 2 (1) 002 ()()()22r v v v e r v e P P r t v n t f r dr dr σπσ --++ -∞-∞ ? ?==+<==??? ?? ? where 22 /22 1()2n n f n e σπσ-= Let 02 () 2v r x σ -= 2 2 1,22dx dr dr dx σσ =- =-2 (1) 1 x e x P e dx π ∞ -= ?where 0 02 22v x σ = Definition : complementary error function 2 2 ()u x erfc x e du π ∞ -=?, which decreases monotonically with x. (1) 00211 ()() 2222e V P erfc x erfc σ ==Where V σ can be considered as SNR (signal-to-noise ratio), (1),e SNR P ↑↓ 2 (1)1 x e x P e dx π ∞ -= ?0(0) (1) 02 {()()}()2V e e V P P r t n t fr r dr P +∞==>==?(0)e P : when a binary “0”is transmitted, the probability of a detection error Probability of error 20log( )V dB σ Conclusion: (1),e SNR P ↑↓In practice, error probability in the range of 10-5to 10-8are often desired §3.5 Noise Temperature and Noise Figure 1. Equivalent Noise Temperature 2. Measurement of Noise Temperature 3. Noise Figure 4. Noise Figure of a Lossy Line 5. Noise Figure of Cascaded Components 1. Equivalent Noise Temperature Definition 0 e N T kB = Where N 0is the equivalent noise power at the network input port.Note: 0e T ≥and may be greater or less than to T 0 T e is applied at the input to the network. 2. Measurement of Noise Temperature Note: The noise power generated by a resistor is small Active noise sources are available Most components generate only small levels of noise 射频微波工程师经典参考书[精华] 射频微波工程师经典参考书 1.《射频电路设计--理论与应用》『美』 Reinhold Ludwig 著电子工业出版社 个人书评:射频经典著作，建议做RF的人手一本，里面内容比较全面，这本书要反复的看，每读一次都会更深一层理解. 随便提一下，关于看射频书籍看不懂的地方怎么办,我提议先看枝干或结论有个大概印象，实在弄不明白就跳过(当然可问身边同事同学或GOOGLE一下)，跳过不是不管它了，而是尽量先看完自己能看懂的，看第二遍的时候再重点抓第一次没有看懂的地方，人的思维是不断升华的，知识的也是一个系统体系，有关联的，当你把每一块砖弄明白了，就自然而然推测出金字塔塔顶是怎么架设出来的。 2. 《射频通信电路设计》『中』刘长军著科学技术出版社 个人书评:有拼凑之嫌(大量引用书1和《微波晶体管放大电路分析与设计》内容)，但还是有可取之处，加上作者的理解，比看外文书(或者翻译本)看起来要通俗易懂，毕竟是中国人口韵。值得一看，书上有很多归纳性的经验. 3(《高频电路设计与制作》『日』市川欲一著科学技术出版社 个人书评:本人说实话比较喜欢日本人写书的风格和语言，及其通俗，配上图示，极其深奥的理论看起来明明朗朗，比那些从头到尾只会搬抄公式的某些教授强们多了，本书作者的实践之作，里面都是一些作者的设计作品和设计方法，推荐一看. 4. 《LC滤波器设计与制作》『日』森荣二著科学技术出版社 个人书评:语言及其通俗易懂，完全没有深奥的理论在里面，入门者 看看不错，但是设计方法感觉有点落后，完全手工计算.也感觉内容的太细致，此书一般. 5. 《振荡电路设计与应用》『日』稻叶宝著科学技术出版社 个人书评:这边书还不错，除了学到振荡电路设计，还学到了很多模拟电路的基础应用，唯一缺点书中的内容涉及频率的都不够高(k级，几M,几十，几百M的振荡器)，做有源电路的可以看一下,整体感觉还行. 6. 《锁相环电路设计与应用》『日』远坂俊昭著科学技术出版社 个人书评:对PLL原理总是搞不太明白的同学可以参考此书，图形图片很多，让人很直观明白，比起其他PLL书只会千篇一律写公式强千倍。好书，值得收藏～ 7. 《信号完整性分析》『美』 Eric Bogatin 著电子工业出版社 个人书评:前几章用物理的方法看电子，感觉不好理解，写的感觉很拗口，翻译好像也有些不到位，但后面几章写的确实好，尤其是关于传输线的，对你理解信号的传输的实际过程，能建立一个很好的模型，推荐大家看一下，此书还是不错的.(看多了RF的，换换胃口) 8. 《高速数字设计》『美』 Howard Johnson著电子工业出版社 个人书评:刚刚卓越买回来，还没有动“她”呢，随便翻了下目录，做高速电路和PCB Layout的工程师一看要看下，这本书也是经典书喔～ 9.《蓝牙技术原理开发与应用》『中』钱志鸿著北京航空航天大 学出版社 个人书评:当时自己做蓝牙产品买的书，前2年仅有的几本，上面讲了一下蓝牙的基本理论(恰当的说翻译了蓝牙标准)，软件，程序的东西占大部分内容. 10.《EMC电磁兼容设计与测试案例分析》『中』郑军奇著电子工业出版社 个人书评:实战性和很强的一本书，本人做产品经常要送去信息产业部电子研究5所做EMC测试，认证.产品认证是产品成功的临门一脚，把这脚球踢好，老板 重庆大学本科学生课程设计指导教师评定成绩表 说明：1、学院、专业、年级均填全称。 2、本表除评语、成绩和签名外均可采用计算机打印。 重庆大学本科学生课程设计任务书 2、本表除签名外均可采用计算机打印。本表不够，可另附页，但应在页脚添加页码。 摘要 本次主要涉及了低通滤波器，功分器，带通滤波器和放大器，用到了AWR，MATHCAD和ADS 软件。 在低通滤波器的设计中，采用了两种方法：第一种是根据设计要求，选择了合适的低通原型，利用了RICHARDS法则用传输线替代电感和电容，然后用Kuroda规则进行微带线串并联互换，反归一化得出各段微带线的特性阻抗，组后在AWR软件中用Txline算出微带线的长宽，画出原理图并仿真，其中包括S参数仿真，Smith圆图仿真和EM板仿真。第二种是利用低通原型，设计了高低阻抗低通滤波器，高低阻抗的长度均由公式算得出。 在功分器的设计中，首先根据要求的工作频率和功率分配比K，利用公式求得各段微带线的特性阻抗1，2，3端口所接电阻的阻抗值，再用AWR软件确定各段微带线的长度和宽度，设计出原理图，然后仿真，为了节省材料，又在原来的基础上设计了弯曲的功分器。同时通过对老师所给论文的学习，掌握到一种大功率比的分配器的设计，其较书上的简单威尔金森功分器有着优越的性能。 对于带通滤波器，首先根据要求选定低通原型，算出耦合传输线的奇模，偶模阻抗，再选定基板，用ADS的LineCalc计算耦合微带线的长和宽，组图后画出原理图并进行仿真。 设计放大器时，一是根据要求，选择合适的管子，需在选定的频率点满足增益，噪声放大系数等要求。二是设计匹配网络，采用了单项化射界和双边放大器设计两种方法。具体是用ADS中的Smith圆图工具SmitChaitUtility来辅助设计，得到了微带显得电长度，再选定基板，用ADS中的LineCalc计算微带线的长和宽。最后在ADS中画出原理图并进行仿真，主要是对S参数的仿真。为了达到所要求的增益，采用两级放大。其中第一级放大为低噪声放大，第二级放大为双共轭匹配放大。 由于在微波领域，很多时候要用经验值，而不是理论值，来达到所要求的元件特性，因此在算出理论值之后，常常需要进行一些调整来达到设计要求。 关键词：低通原型Kuroda规则功率分配比匹配网络微带线 课程设计正文 1.切比雪夫低通滤波器的设计 1.1 设计要求： 五阶微带低通滤波器： 截止频率2.5GHZ 止带频率：5GHZ 通带波纹：0.5dB 止带衰减大于42dB 射频微波技术课程设计 专业班级： 学号： 学生姓名: 指导教师： 年月日 设计题目：圆极化微带天线仿真设计 一、内容摘要 微带天线（microstrip antenna）在一个薄介质基片上，一面附上金属薄层作为接地板，另一面用光刻腐蚀方法制成一定形状的金属贴片，利用微带线或同轴探针对贴片馈电构成的天线。微带天线分2 种：①贴片形状是一细长带条，则为微带振子天线。②贴片是一个面积单元时，则为微带天线。如果把接地板刻出缝隙，而在介质基片的另一面印制出微带线时，缝隙馈电，则构成微带缝隙天线。 二、设计任务及指标： 设计一种谐振频率为920MHz的圆极化贴片天线，利用Ansoft公司的HFSS13.0对其进行建模并对其进行仿真分析天线的远区辐射场特性并进行一系列优化。进一步理解微带天线的特性与应用，掌握微波天线的工程设计方法和技巧，熟悉三维电磁场仿真工具HFSS，了解微波天线产品的系统概念，提高专业素质和工程实践能力。 （1）工作频段：900~1200MHz。 （2）基板FR4：H=1.5mm，Er=4.4，tand=0.02。 （3）驻波比小于1.5。 （4）轴比小于3dB。 （5）方向性系数高于3dB。 （6）极化方式RHCP。 三、设计原理： 1.微带贴片天线的工作原理 微带贴片天线是由介质基片、在基片一面上有任意平面形状的导电贴片和基片另一面上的地板所构成。 天线要解决的两个重要问题是阻抗特性和方向特性。前者要解决天线与馈线的匹配问题； 后者要解决定向辐射或定向接收问题，也就是要解决提高发射功率或接收机灵敏度的问题。 而不论是阻抗特性还是方向特性都必须首先求出天线在远区的电磁场分布，为此要求解满足天线边界条件的麦克斯韦方程组。对于这样一个电磁场的边值问题，严格的数学求解是很困难的。因此，经常采用工程近似的方法进行研究，即用某种初始场的近似分布代替真实的准确分布来计算辐射场。 微带天线的辐射机理实际上是高频的电磁泄漏。一个微波电路如果不是被导体完全封闭，电路中的不连续处就会产生电磁辐射。例如微带电路的开路端，结构尺寸的突变、折弯等不连续处也会产生电磁辐射（泄漏）。当频率较低时，这些部分的电尺寸很小，因此泄漏也笑；但随着频率的增高，电尺寸增大，泄漏就大。在经过特殊设计，即放大成贴片状，并使其工作在谐振状态，辐射就明显增强，辐射效率就大大提高，从而成为有效的天线。 图1是一个简单的微带贴片天线的结构，由辐射元、介质层和参考地三部分组成。与天线性能相关的参数包括辐射元的长度L、辐射元的宽度W、介质层的厚度h、介质的相对介 RF电路设计-射频、微波天线技术探微 RF电路设计-射频、微波天线技术探微 天线在无线电系统里的功能是什么呢？答案是，它是一个「门」、一个接口，透过它，射频能量可以从发射机辐射到外面世界；或从外面世界到达接收机。底下将讨论各种天线系统的技术。 天线特性 天线具有以下的特性和参数： 1. 辐射极场图型（radiation polar pattern）：天线会向四周辐射电磁波，以天线为中心，电磁场在各方向的强度可以用图形描绘出来。 2. 指向性（directivity） 3. 效率 4. 增益 5. 等效面积 6. 相互性（reciprocity）：也叫作Rayleigh-Carson定理。当电压E作用在A天线上，促使B天线产生电流I。此时，使用相同的电压E作用在B天线上，会在A天线上产生振幅和相位都相同的电流I。 7. 接收的噪声功率 8. 终端阻抗，包括辐射电阻。 9. 接收系统的效益指数（G/T）：G是天线的增益，T是噪声温度（noise temperature）。天线的接收灵敏度和G/T值大小有关，若G/T愈高，表示天线对微弱讯号愈敏感，接收效果也愈好。「噪声温度」是很抽象的观念，它的定义应该用数学公式表示。但若要以纯文本描述的话，可以这么说：在一个通讯系统或被测组件里，当频率不变时，被动组件系统的温度会使每单位带宽的噪声功率（noise power）ρ增加，当被动组件系统的ρ值等于此通讯系统的ρ值时，所得到的温度就是「噪声温度」。请注意，被动组件是包含在此通讯系统或被测组件里面，有时此被测组件也被称作「网络的真正终端装置（actual terminals of a network）」。例如：一个单纯电阻的「噪声温度」就是此电阻的真正温度；但是，一颗二极管的「噪声温度」可能是此二极管（真正的终端装置）的真正温度（接脚测量到的温度）之数倍之多。噪声温度是以绝对温度（-273oC）为零度，单位是K（Kelvin ）。 天线类型 辨别下列数种分类法有助于为天线分类： *辐射元素 *反射器天线 *辐射元素数组 辐射元素包括： ADS，MWO，Ansoft还是CST、HFSS 频微波类书 希望对大家有点帮助： 1.《射频电路设计--理论与应用》『美』Reinhold Ludwig 著电子工业出版社 个人书评：射频经典著作，建议做RF的人手一本，里面内容比较全面，这本书要反复的看，每读一次都会更深一层理解. 随便提一下，关于看射频书籍看不懂的地方怎么办？我提议先看枝干或结论有个大概印象，实在弄不明白就跳过（当然可问身边同事同学或GOOGLE一下），跳过不是不管它了，而是尽量先看完自己能看懂的，看第二遍的时候再重点抓第一次没有看懂的地方，人的思维是不断升华的，知识的也是一个系统体系，有关联的，当你把每一块砖弄明白了，就自然而然推测出金字塔塔顶是怎么架设出来的。 2. 《射频通信电路设计》『中』刘长军著科学技术出版社 个人书评：有拼凑之嫌（大量引用书1和《微波晶体管放大电路分析与设计》内容），但还是有可取之处，加上作者的理解，比看外文书（或者翻译本）看起来要通俗易懂，毕竟是中国人口韵。值得一看，书上有很多归纳性的经验. 3．《高频电路设计与制作》『日』市川欲一著科学技术出版社 个人书评：本人说实话比较喜欢日本人写书的风格和语言，及其通俗，配上图示，极其深奥的理论看起来明明朗朗，比那些从头到尾只会搬抄公式的某些教授强们多了，本书作者的实践之作，里面都是一些作者的设计作品和设计方法，推荐一看. 4. 《LC滤波器设计与制作》『日』森荣二著科学技术出版社 个人书评：语言及其通俗易懂，完全没有深奥的理论在里面，入门者看看不错，但是设计方法感觉有点落后，完全手工计算.也感觉内容的太细致，此书一般. 5. 《振荡电路设计与应用》『日』稻叶宝著科学技术出版社 个人书评：这边书还不错，除了学到振荡电路设计，还学到了很多模拟电路的基础应用，唯一缺点书中的内容涉及频率的都不够高（k级，几M,几十，几百M的振荡器），做有源电路的可以看一下,整体感觉还行. 6. 《锁相环电路设计与应用》『日』远坂俊昭著科学技术出版社 个人书评：对PLL原理总是搞不太明白的同学可以参考此书，图形图片很多，让人很直观明白，比起其他PLL书只会千篇一律写公式强千倍。好书，值得收藏！ 7. 《信号完整性分析》『美』Eric Bogatin 著电子工业出版社 个人书评：前几章用物理的方法看电子，感觉不好理解，写的感觉很拗口，翻译好像也有些不到位，但后面几章写的确实好，尤其是关于传输线的，对你理解信号的传输的实际过程，能建立一个很好的模型，推荐大家看一下，此书还是不错的.（看多了RF的，换换胃口）8. 《高速数字设计》『美』Howard Johnson著电子工业出版社 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当频率不断升高达到射频频段时，一般使用欧姆定律、电压电流或者是基尔霍夫定律对DC和低频电路进行分析，但是已经不够精确。还需要注重分布参数的影响。如果使用电磁场理论方法，虽然能够对全波、分布参数等影响进行分析，但是很难接触到VCO、混频器或者是高频放大器等实用内容。因此射频电路的设计已经成为当前信息技术发展的重要技术。 1.2 ADS ADS电子设计自动化主要有频域电路仿真、时域电路仿真、三维电磁仿真、通信系统仿真以及数字信号处理仿真设计等，被应用通信以及航天中，是当前研究最多的射频电路仿真软件。 2 ADS电子设计自动化的仿真设计方法 ADS软件能够使电路设计者进行模拟、射频微波等电路和通信系统设计，仿真方法主要有时域仿真、频域仿真、系统以及电磁仿真等。 2.1 高频SPICE分析和卷积分析 高频SPICE分析能够对线性以及非线性电路的瞬态效应进行分析，在SPICE仿真器中，对于不能直接使用频域分析模型，比如说微带线带状线等，就可以使用高频SPICE仿真器，仿真过程中，如果高于高频SPICE仿真器，频域分析模型会被拉式变换，然后进入到瞬态分析，并不需要使用者转化。这种高频SPICE不仅能够对低频电路进行瞬态分析，还能够对高频电路的瞬态响应进行分析。此外，还能够进行瞬态噪声的分析，对电路的瞬态噪声进行仿真。卷积分析法是以 SPICE 高频仿真器为基础的一种高级的时域分析的方法，通过卷积分析法能够更加科学的使用时域分析法对频率元件的进行分析。 2.2 线性分析方法 线性分析是一种频域电路仿真分析法，可以对线性、非线性的射频微波电路进行分析，进行线性分析时，软件先对电路中的元件计算需要的线性参数，如电路阻抗、稳定系数、反射系数、噪声以及S、Z、Y参数等，进而对电路进行分析和仿真。 2.3 谐波平衡分析 这种分析方法是对频域、稳定性好，大型号的电路进行分析的仿真方法，能够对多频输入信号的非线性电路进行分析，明确非线性电路的响应，比如谐波失真、噪声等。相比于时域的SPICE 仿真分析反复，这种谐波平衡分析在分析非线性电路时能够提供更加有效并且快速的方法。 SPICE瞬态响应分析、线性S参数分析在分析多频输入信号非线性电路仿真中还存在着一定的不足，而谐波平衡分析方法的出现很好的弥补了这一不足，在当前的高频通信系统中，有很多混频电路结构，谐波平衡分析方法的使用次数也就逐渐增加，重要性也日渐凸显。并 射频/微波的特点: 1.频率高 2.波长短 3.大气窗口 4.分子谐振 微波频率：300MHz-3000GHz 波长：0.1mm-1m 独特的特点：RF/MW 的波长与自然界物体尺寸相比拟 在RF/MW 波段，由于导体的趋肤效应、介质损耗效应、电磁感应等影响，期间区域不再是单纯能量的集中区，而呈现分布特性。 长线概念：通常把RF/MW 导线（传输线）称为长线，传统的电路理论已不适合长线！ RF/MW 系统的组成： 传输线：传输RF/MW 信号 微波元器件：完成微波信号的产生、放大、变换等和功率的分配、控制及滤波 天线：辐射或接收电磁波 微波、天线与电波传播的关系：（简答） 微波： 对象：如何导引电磁波在微波传输系统中的有效传输 目的：希望电磁波按一定要求沿微波传输系统无辐射的传输； 天线 任务：将导行波变换为向空间定向辐射的电磁波，或将在空间传播的电磁波变为微波设备中的导行波 作用：1.有效辐射或接收电磁波；2.把无线电波能量转换为导行波能量 电波传播 分析和研究电波在空间的传播方式和特点 常用传输线机构：矩形波导 共面波导 同轴线 带状线 微带线 槽线 分析方法 称为传输线的特性阻抗 特性阻抗Z0通常是个复数, 且与工作频率有关。 它由传输线自身分布参数决定而与负载及信源无关, 故称为特性阻抗 对于均匀无耗传输线, R=G=0, 传输线的特性阻抗为 此时, 特性阻抗Z0为实数, 且与频率无关。 常用的平行双导线传输线的特性阻抗有250Ω, 400Ω和600Ω三种。 常用的同轴线的特性阻抗有50 Ω 和75Ω两种。 均匀无耗传输线上任意一点的输入阻抗与观察点的位置、传输线的特性阻抗、终端负载阻抗及工作频率有关, 且一般为复数, 故不宜直接测量。 无耗传输线上任意相距λ /2处的阻抗相同, 一般称之为λ /2重复性。 传输线上电压和电流以波的形式传播, 在任一点的电压或电流均由沿-z 方向传播的行波（称为入射波）和沿+z 方向传播的行波（称为反射波）叠加而成。 传播常数γ: α为衰减常数, 单位为dB/m β为相移常数 对于均匀无耗传输线来说, 由于β与ω成线性关系, 故导行波的相速与频率无关, 也称为无色散波。当传输线有损耗时, β不再与ω成线性关系, 使相速υp 与频率ω有关,这就称为色散特性。 定义传输线上任意一点 z 处的反射波电压（或电流）与入射波电压（或电流）之比为电压（或电流）反射系数(越小越好) 当Zl=Z0时, Γl=0, 即负载终端无反射, 此时传输线上反射系数处处为零, 一般称之为负载匹配。而当Zl ≠Z0时, 负载端就会产生一反射波, 向信源方向传播, 若信源阻抗与传输线特性阻抗不相等时, 则它将再次被反射。 定义传输线上波腹点电压振幅与波节点电压振幅之比为电压驻波比, 用ρ表示： 0L Z C =)j /()j (0C G L R Z ωω++=βωωγj )j )(j (+=++≈a C G L R min max U U =ρ 微波、射频与激光 微波、射频和激光都是通过高温将肿瘤细胞杀死。目前临床上一根治术为主，但并非所有实体肿瘤都适合根治术，有些年龄叫大或者合并其他比较严重疾病者不一定适用，一般晚期癌症患者也不适合根治术。以较小的创伤达到同样的疗效是人们追求的目标，微创医学顺应了这一发展趋势，肿瘤不予切除而采用原位灭活是现代微创治疗医疗的一个重要思想。 微波：微波治疗疾病主要是通过热效应和生物效应来实现的。是指频率从300MHZ到GHZ 范围内的电磁波。微波对人体组织的热效应效率高、穿透力强、具有内外同时产生热的优点。微波在人体组织内产生热量，作用可达5--8厘米，可穿透衣物和石膏等体表覆盖物，直达病灶部位促进血液循环、水中吸收和新生长。 一种是微波从体外照射进去，另一种是把微波送到患部直接照射肿瘤，这二种治疗方式可根据病变部位来选择。但有一个共同要求是：必须使病变的温度保持在的范围内，温度低了对肿瘤治疗无效，温度高了将造成对病变周围健康组织的损害，因此微波治疗肿瘤时，一定要严格控制肿瘤部位的温度。 微波进行切割的原理的把双极辐射器送到患部，进行瞬时放电，把病变组织固化。这个治疗方法的实质是通过微波的趋肤效应，把病变组织从表面逐步向内的烧死，从而达到治疗目的。但必须注意定位准确，治疗部位要有及时采取冷却措施。 单针消融面积大于射频，可达到更高的治疗温度，电极所形成的凝固体呈锥形，不适合消融类圆形的肿瘤。 照射治疗5~10W，每次15-20分钟，20分钟，手术进行切割25~35W，最高可达50W，切割止血的作用。 缺陷：容易造成灼伤，有心脏起搏器或者内置金属类的禁用。 射频：在影像技术的引导下，将电极针直接插入肿瘤内，通过射频能量使病灶局部组织产生高温、干燥、最终凝固和灭活软组织及肿瘤。其工作原理为：当电子发生器产生射频电流（460KHZ）时，通过裸露的电极针使其周围组织细胞产生热凝固性坏死和变性。现有的技术可以产生直径约为3-5cm大小的球形或椭圆形凝固灶，并可控制所需凝固病灶的大小。几个球形或椭圆形凝固灶的叠合可产生更大的凝固灶。 射频目前医用射频大多采用200KHz －750KHz的频率。(内镜)射频治疗仪工作频率为400KHz。当射频电流流经人体组织时，因电磁场的快速变化使得细胞内的正、负离子快速运动，于是它们之间以及它们与细胞内的其它分子、离子等的摩擦使病变部位升温，致使细胞内外水分蒸发、干燥、固缩脱落以致无菌性坏死，从而达到治疗的目的。 肿瘤经皮是在(CT、B超等)导向下，使用射频热效应引起组织凝固性坏死而达到切除肿瘤的目的，目前已在众多的中成为新的热点。该技术的主要作用原理为弹头发出中高频率的射频波(460k Hz)，能激发组织细胞进行等离子震荡，离子相互撞击产生热量，达到80-100℃，可有效快速地杀死局部，同时可使肿瘤周围的凝同凝固形成一个反应带，使之不能继续向肿瘤供血和有利于防止。 整个治疗过程是在电脑控制于电视屏幕监视下进行，集束电极发出的射频波一次可使组织凝同性坏死范围(灭活肿瘤区)达5cm×5cm×5cm，是一种最先进的杀伤肿瘤较多而损害机 体较轻的“导向治疗方法”和微创的肿瘤切除治疗方法。 射频消融系统包含射频发生器、电极针及电极板。最重要的是电极针。目前常用的电极针有伞状电极针、灌注式电极针及冷循环式电极针。其中伞状电极针目前设计最合理、科 耦合电容的选取 耦合与隔直电容串联在电路中，耦合电容选择适当能将保证射频能量得到最大限度的传输。 一个实际电容能否满足电路耦合要求，取决于随频率变化的电容相关参数：串联谐振频率FSR 、并联谐振频率FPR 、纯阻抗、等效串联电阻ESR 、插入损耗IL 和品质因数Q 。 上图50Ω线路中的两个射频放大器由耦合电容Co 连接，Rs 为ESR ，Ls 为ESL ，Cp 为寄生并联电容，与并联谐振频率FPR 有关。 阻抗幅值：2C L 2)X -(X ESR Z +=，很大一部分取决于其纯电抗)X -(X L C ，设计者需要知道电容在整个频带上的阻抗幅值。 串联谐振频率：LsCo 21FSR π=，即自谐振频率，与本征容值Co 有关；此频率时，耦合电容阻抗的实部为ESR ，虚部为零。 ATC 耦合电容有关参数如下： 其中，瓷介质电容ATC100A101（100pF ）的FSR=1GHz ，ESR=0.072Ω，其Z-F 曲线如下图所示： 频率低于FSR 时，电容纯阻抗表现为容性，阻抗幅值为C 1ω，为双曲线； 频率高于FSR 时，电容纯阻抗表现为感性，阻抗幅值为L ω，为直线； 测量电容的S21可发现： 在FSR 时，电容提供最低阻抗通道； 在FPR 时，电容阻抗猛然升高，引起极大损耗。 在耦合线路中，工作频率比FSR 稍高。只要此时电容的纯阻抗（感性）不高，就不影响电路性能。 并联谐振频率FPR ，决定电容的带内插损。在电容的FPR 处有明显衰减槽口，若FPR 落在工作频带内，则要考察衰减槽口深度，线路能否承受该损耗。通常十分之几dB 的插损是可接受的。 ATC100A101（100pF 片式电容，水平安装，电容极板平行于线路板）插损与频率关系如下图： 由上图可知，在200MHz~1.5GHz 之间，电容插损＜0.1dB ；若将电容垂直安装，即电容极板垂直于线路板，就能压制1.6GHz 处的并联谐振窗口，电容的可用范围扩展到2.4GHz 左右。所以改变安装取向可扩展电容的适用频率范围，用于宽带耦合电路。 等效串联电阻ESR 和品质因数Q ： ESR 是电容内所有串联损耗的总和，由介质损耗SD R 和金属损耗SM R 组成，一般为mΩ级。SM SD R R ESR += 介质损耗SD R ，由介质材料特性决定，每种介质材料都有自己的损耗系数，通常称损耗正切或耗散系数（DF ）。损耗造成介质发热，极端情况下使元件失效。耗散系数（DF ）是介质损耗很好的指示，通常在低频（1MHz ）时测得，因为该损耗在低频时起主导作用。 金属损耗SM R ，由电容中所用金属材料的导电性决定，包括电极板、终端和阻挡层等，SM R 造成电容发热，极端情况下使元件失效。高频时，这些损耗包括“趋肤效应”，损耗程度和频率关系为f 。 射频与微波技术应用与发展综述 班级： 姓名： 学号： 序号： 日期： 摘要： 微波技术是近一个世纪以来最重要的科学技术之一,从雷达到广播电视、无线电通信，再 到微波炉，微波技术对社会发展和人们生活的进步产生着深远的影响。本文介绍了微波技 术的发展以及在各个领域中的应用,并对微波技术未来的发展方向进行了讨论。Abstract： Microwave technology is one of the most important technology in the nearly century, from radar to broadcast TV, radio communication, microwave oven, microwave technology had a profound impact on society development and progress of people's lives .The paper introduced the development of microwave technology and it’s applications in various fields. It also discussed the future direction of microwave technology. 关键词：微波技术，微波电效应，污水处理 Keywords: Microwave technology, microwave electric effect, sewage treatment 微波是指波长在1mm～1000mm、频率在300MHz～300GHz范围之间的电磁波，因为 它的波长与长波、中波与短波相比来说，要“微小”得多，所以它也就得名为“微波”了。微波有着不同于其他波段的重要特点，它自被人类发现以来，就不断地得到发展和应用。 19世纪末，人们已经知道了超高频的许多特性，赫兹用火花振荡得到了微波信号，并对其 进行了研究。但赫兹本人并没有想到将这种电磁波用于通信，他的实验仅证实了麦克斯韦 的一个预言──电磁波的存在。20世纪初期对微波技术的研究又有了一定的进展，1936年4 月美国科学家SouthWorth用直径为12．5cm青铜管将9cm的电磁波传输了260m远，波导 传输实验的成功激励了当时的研究者，因为它证实了麦克斯韦的另一个预言──电磁波可以 在空心的金属管中传输，因此在第二次世界大战中微波技术的应用就成了一个热门的课题。战争的需要，促进了微波技术的发展，而电磁波在波导中传输的成功，又提供了一个有效 射频电路设计与仿真 一：摘要 ADS是美国Agilent公司推出的微波电路和通信系统的仿真软件，是当今世界最流行的微波射频电路，通信系统，RFIC 设计软件，也是国内高校，科研院所和大型IT公司使用最多的软件之一。ADS 的强大，仿真手段丰富，可实现包括时域与频域，数字与模拟，线性与非线性，噪声等多种仿真功能，并可对设计结果进行成品率分析与优化，提高复杂电路的设计效率，是优秀的微波射频电路，系统信号链路的设计工具，是射频工程师必备的工具软件之一。 二:正文 1：ADS软件可以对电路进行模拟，完成射频，微博电路及通信系统的设计，主要包括以下几种分析和仿真方法。 1)高频SPICE分析和卷积分析，高频SPICE分析方法提供如 SPICE仿真器般的瞬态分析，可分析线性或非线性电路的 瞬时效应。 2)线性分析线性分析是频域电路仿真分析方法，可以对线性 或非线性的射频与微波电路做线性分析。 3)谐波平衡分析谐波平衡分析提供频域，稳态，大信号的 电路分析仿真方法。可以用于分析具有多频输入信号的非 线性电路得到非线性电路，得到非线性的电路响应，如噪 声，功率压缩点，谐波失真等。 4)电路包络分析电路包络分析包含时域与频域的分析方 法，使用在包含调频信号的电路或通信系统中。 5)射频系统分析射频系统分析方法给用户提供模拟评估系 统特性，其中系统的电路模型出可以使用行为级模型外， 还可以使用元件电路模型进行响应印证。 6)托勒密分析托勒密分析方法可以同时仿真包括数字信 号，模拟和高频信号的混合模拟系统。ADS分别提供了数 字元件模型及模拟高频元件模型在设计中直接使用。 7)电磁仿真分析 ADS 软件提供了3D平面电磁仿真分析功能 ---Momentum,可以用于仿真微带线，带状线，共面波导等 原件的电磁特性，天线的辐射特性，已经PCB上的寄生， 柔和效应。 2：ADS仿真器的介绍 ADS集成多种仿真软件的优点，仿真手段丰富，功能强大，很快就成为全球内业界流行的EDA设计工具。下面介绍ADS在射频，模拟电路设计中常用的仿真器及其功能。 1）直流仿真直流仿真是所有仿真的基础，它可执行电路的拖扑检查，以及直流工作点的扫描和分析。 2）交流仿真交流仿真能获取小信号传输参数，如电压增益，电流增益，线性噪声电压和电流。 3）S参数仿真微波器件在小信号工作时，被认为工作在线性状态，是一个线性网络：在大信号工作时，被认为工作 在非线性状态，是一个非线性网络。 射频与微波技术原理及应用培训教材 华东师范大学微波研究所 一、Maxwell(麦克斯韦)方程 Maxwell 方程是经典电磁理论的基本方程，是解决所有电磁问题的基础，它用数学形式概括了宏观电磁场的基本性质。其微分形式为 0 B E t D H J t D B ρ???=- ????=+??=?= (1.1) 对于各向同性介质，有 D E B H J E εμσ=== (1.2) 其中D 为电位移矢量、B 为磁感应强度、J 为电流密度矢量。 电磁场的问题就是通过边界条件求解Maxwell 方程，得到空间任何位置的电场、磁 场分布。对于规则边界条件，Maxwell 方程有严格的解析解。但对于任意形状的边界条件，Maxwell 方程只有近似解，此时应采用数值分析方法求解，如矩量法、有限元法、时域有限差分法等等。目前对应这些数值方法，有很多商业的电磁场仿真软件，如Ansoft 公司的Ensemble 和HFSS 、Agilent 公司的Momentum 和ADS 、CST 公司的Microwave Studio 以及Remcom 公司的XFDTD 等。 由矢量亥姆霍兹方程联立Maxwell 方程就得到矢量波动方程。当0,0J ρ==时，有 222200E k E H k H ?+=?+= (1.3) 其中k 为传播波数，22k ωμε=。 二、传输线理论 传输线理论又称一维分布参数电路理论，是射频、微波电路设计和计算的理论基 础。传输线理论在电路理论与场的理论之间起着桥梁作用，在微波网络分析中也相当重要。 1、微波等效电路法 低频时是利用路的概念和方法，各点有确切的电压、电流概念，以及明确的电阻、电感、电容等，这是集总参数电路。在集总参数电路中，基本电路参数为L、C、R。由于频率低，波长长，电路尺寸与波长相比很小，电磁场随时间变化而不随长度变化，而且电感、电阻、线间电容和电导的作用都可忽略，因此整个电路的电能仅集中于电容中，磁能集中于电感线圈中，损耗集中于电阻中。 射频和微波频段是利用场的概念和方法，主要考虑场的空间分布，测量参数由电压U 、电流I转化为频率f、功率P 、驻波系数等，这是分布参数电路。在分布参数电路中，电磁场不仅随时间变化也随空间变化，相位有明显的滞后效应，线上每点电位都不同，处处有储能和损耗。 由于匀直无限长的传输系统在现实中是不存在的，因此工程上常用微波等效电路法。微波等效电路法的特点是：一定条件下“化场为路”。具体内容包括： (1)、将均匀导波系统等效为具有分布参数的均匀传输线； (2)、将不均匀性等效为集总参数微波网络； (3)、确定均匀导波系统与不均匀区的参考面。 2、传输线方程及其解 传输线方程是传输线理论的基本方程，是描述传输线上的电压、电流的变化规律及其相互关系的微分方程。电路理论和传输线之间的关键不同处在于电尺寸。集总参数电路和分布参数电路的分界线可认为是l/λ≥0.05。 以传输TEM模的均匀传输线作为模型，如图1所示。在线上任取线元dz来分析(dz<<λ)，其等效电路如图2所示。终端负载处为坐标起点，向波源方向为正方向。 图1. 均匀传输线模型图2、线元及其等效电路根据等效电路，有 用HFSS仿真微波传输线和元件 第一章用HFSS仿真微波传输线和元件 0 1.1 Ansoft HFSS概述 0 1.1.1 HFSS简介 0 1.1.2 HFSS的应用领域 (1) 1.2 HFSS软件的求解原理 (1) 1.3 HFSS的基本操作介绍 (3) 1.3.1 HFSS的操作界面和菜单功能介绍 (3) 1.3.2 HFSS仿真分析基本步骤 (4) 1.3.3 HFSS的建模操作 (5) 1.4 HFSS设计实例1——矩形波导的设计 (10) 1.4.1 工程设置 (10) 1.4.2 建立矩形波导模型 (11) 1.4.3 设置边界条件 (12) 1.4.4 设置激励源wave port (14) 1.4.5 设置求解频率 (15) 1.4.6 计算及后处理 (15) 1.4.7 添加电抗膜片 (17) 1.5 HFSS设计实例2——E-T型波导的设计 (23) 1.5.1 初始设置 (23) 1.5.2 建立三维模型 (24) 1.5.3 分析设置 (27) 1.5.4 保存工程 (27) 1.5.5 分析 (27) 1.5.6 生成报告 (28) 1.6 HFSS设计实例3——H-T型波导的设计 (31) 1.6.1 创建工程 (31) 1.6.2 创建模型 (32) 1.6.3 仿真求解设置 (36) 1.6.4 比较结果 (37) 1.7 HFSS设计实例4——双T型波导的设计 (39) 1.7.1 初始设置 (39) 1.7.2 建立三维模型 (40) 1.7.3 分析设置 (43) 1.7.4 保存工程 (44) 1.7.5 分析 (44) 1.7.6 生成报告 (45) 1.8 HFSS设计实例5——魔T型波导的设计 (47) 1.8.1 建立匹配膜片与金属杆 (48) 1.8.2 分析设置 (48) 1.9 HFSS设计实例6——圆波导的设计 (52) 第一章射频/微波工程介绍 1.简述常用无线电的频段划分和射频的定义。 射频/微波处于普通无线电波与红外线之间,是频率最高的无线电波,它的频带宽度比所有普通无线电波波段总和大1000倍以上 2.简述P，L，S，C，X，Ku，K，Ka波段的频段划分方法。 3.简述射频/微波的四种基本特性和相比普通无线电的优点。 四个基本特性： 1、似光性； 2、穿透性 3、非电离性 4、信息性 优点： (1) 频带宽。可传输的信息量大。 (2) 分辨率高。连续波多普勒雷达的频偏大,成像更清晰,反应更灵敏。 (3) 尺寸小。电路元件和天线体积小。 (4) 干扰小。不同设备相互干扰小。 (5) 速度快。数字系统的数据传输和信号处理速度快。 (6) 频谱宽。频谱不拥挤,不易拥堵,军用设备更可靠。 4.简述射频铁三角的具体内涵。 由于频率、阻抗和功率是贯穿射频/微波工程的三大核心指标,故将其称为射频铁三角。 5.给出几种分贝的定义：dB, dBm，dBc，dBc/Hz，10 dBm+10 dB=？ 第二章传输线理论 1.解释何为“集肤效应”？集总参数元件的射频特性与低频相比有何特点？ 在交流状态下,由于交流电流会产生磁场,根据法拉第电磁感应定律,此磁场又会产生电场,与此电场联系的感生电流密度的方向将会与原始电流相反。这种效应在导线的中心部位(即r=0位置)最强,造成了在r=0附近的电阻显著增加,因而电流将趋向于在导线外表面附近流动,这种现象将随着频率的升高而加剧,这就是通常所说的“集肤效应”。 电阻：在低频率下阻抗即等于电阻R,而随着频率的升高达到10MHz以上,电容Ｃa的影响开始占优,导致总阻抗降低；当频率达到20GHz左右时,出现了并联谐振点；越过谐振点后,引线电感的影响开始表现出来,阻抗又加大并逐渐表现为开路或有限阻抗值。 电容：理想状态下,极板间介质中没有电流。在射频/微波频率下,实际的介质并非理想介质，故在介质内部存在传导电流,也就存在传导电流引起的损耗,更重要的是介质中的带电粒子具有一定的质量和惯性,在电磁场的作用下,很难随之同步振荡,在时间上有滞后现象,也会引起对能量的损。 电感：电感线圈的高频特性已经完全不同于理想电感,在谐振点之前其阻抗升高很快,而在谐振点之后,由于寄生电容C s的影响已经逐步处于优势地位而逐渐减小。 2.简述微波电路中Q值的概念。 品质因素Q表示一个元件的储能和耗能之间的关系,即 3.简述传输线有哪几种工作状及其对应的负载反射系数。 当Z L=Z0或为无限长传输线时,ΓL=0,无反射波,是行波状态或匹配状态。 当Z L为纯电抗元件或处于开路或者短路状态时,|ΓL|＝1,全反射, 为驻波状态。 当Z L为其他值时,|ΓL|≤1, 为行驻波状态。 4.给出电压驻波比、回波损耗与负载反射系数的关系。 线上任意点的反射系数为 一、射频/微波技术及其基础 1、射频/微波技术的基础 ? 什么是微波技术 研究微波的产生、放大、传输、辐射、接收和测量的科学。射频/微波技术是研究射频/微波信号的产生、调制、混频、驱动放大、功率放大、发射、空间传输、接收、低噪声放大、中频放大、解调、检测、滤波、衰减、移相、开关等各个电路及器件模块的设计和生产的技术，利用不同的电路和器件可以组合成相应的射频/微波设备。微波技术主要是指通信设备和系统的研究、设计、生产和应用。 ? 微波技术的基本理论是以麦克斯韦方程为核心的场与波的理论 2、射频/微波的基本特性 ? 频率高、穿透性、量子性、分析方法的独特性 射频频段为30 ～ 300MHz ，微波频段为300MHz ～ 3000GHz ，相对应波长为1m ～0.1mm ，照射于介质物体时能深入到该物质的内部。根据量子理论，电磁辐射能量不是连续的，而是由一个个的“光量子”组成，单个量子的能量与其频率的关系为e = h ·f 式中,h = 4×10-15电子伏·秒 (eV ·S) 成为普朗克常数 3、射频/微波技术在工程里的应用 ? 无线通信的工作方式 1、单向通信方式 通信双方中的一方只能接收信号，另一方只能发送信号，不能互逆，收信方不能对 发信方直接进行信息反馈 2、双向单工通信方式 3、双向半双工通信方式 通信双方中的一方使用双频双工方式，可同时收发；另一方则使用双频单工方式， 发信时要按下“送话”开关。 4、双向全双工通信方式 通信双方可以通信进行发信和收信，这时收信与发信一般采用不同的工作频率，通 -讲 开关按-讲 按-讲 受话器受话器 二、电磁波频谱1 2、射频/射频 微波工程师经典参考书[精华]
微波电路课程设计报告(DOC)
射频微波技术课程设计
RF电路设计-射频、微波天线技术探微
射频工程师必读书籍
微波电路设计基础知识
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. 微波电路的计算机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
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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。
第2章
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
图 2 带状线
2
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