微波电路与系统071 ppt课件

高频段、大带宽
随着信息技术的不断发展，微 波电路的工作频率和传输带宽
也在不断增大。
集成化、小型化
随着微电子技术的发展，微波 电路的集成化程度越来越高， 体积越来越小。
多功能化
微波电路正向着多功能化的方 向发展，如同时处理多种信号 、实现多种功能等。
低成本、低功耗
随着市场竞争的加剧，低成本 、低功耗的微波电路成为研究
测试技术
微波电路的测试包括信号源测试、接 收机测试和系统测试等。信号源测试 主要是测试信号源的频率、功率和调 制等特性；接收机测试主要是测试接 收机的灵敏度、动态范围和抗干扰能 力等特性；系统测试主要是将微波电 路与其他系统进行集成测试，验证整 个系统的性能和功能。
05
微波电路的典型应用案例
微波通信系统中的微波电路
微波电路与生物医学工程 的融合
生物医学工程中的无损检测、生物传感器等 技术需要利用微波电路进行信号传输和处理 ，这种交叉融合有助于推动两个领域的共同
发展。
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系统误差
系统误差是由测量系统的硬件设备、线路损耗、连接器失 配等因素引起的误差。这些误差可以通过校准和修正来减 小。
方法误差
方法误差是由测量方法本身引起的误差，如信号源的频率 稳定度、测量接收机的动态范围等。这些误差可以通过选 择合适的测量方法和条件来减小。
微波电路的调试与测试技术
调试与测试的重要性
新型微波半导体材料
新型微波半导体材料如宽禁带半导体材料（如硅碳化物和氮 化镓）具有高电子迁移率和化学稳定性，为微波电路的发展 提供了新的可能性。
新型微波器件在微波电路中的应用
新型微波电子器件
随着微电子技术的不断发展，新型微波 电子器件如微波晶体管、微波集成电路 等不断涌现，这些器件具有体积小、重 量轻、可靠性高等优点，在雷达、通信 、导航等领域得到广泛应用。

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天线参数
频段
天线口径
增益
典型性能
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1.5 衰落
微波传播必须采用直射波，接收点的场强是直射空间波与地面反 射波的叠加。传播媒介质是地面上的低空大气层和路由上的地面 、地物。当时间(季节、昼夜等)和气象(雨、雾、雪等)条件发生 变化时，大气的温度、湿度、压力和地面反射点的位置、反射系 数等也将发生变化。这必然引起接收点场强的高低起伏变化。这 种现象，叫做电波传播的衰落现象。显然衰落现象具有很大的随 机性。
也可以在微波频段直接调制，但调制限于PSK； 6.微波通信的理论基础是电磁场理论；
8
1.4.1 不同的传输方法
同轴电缆
微波
MUX
卫星 光缆
MUX
9
微波设备 电话/数据图像等信息
A站
微波设备 电话/数据/图像等信息
B站
数字微波点对点传输模型
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微波 设备
电话 / 数据 图像等信息
A站（端）
微波 设备
其中 a 为反射板有效面积 m 2
a Acos2
反射板无源
d 2 （km）
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无源中继站（实物照片）
反射板式无源中继站 Plane reflectors
双抛物面无源中继站 Parabolic reflectors
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应用范围
宏蜂窝、微蜂窝网络传输 专用网 接入网 临时话音或数据链路 传输线的备份
2. 普通无线电波会被高空的电离层所吸收或被反射回来，而微波则 能够穿过电离层至外层空间。电视广播、卫星通信、宇宙航行， 射电天文学，以及受控热核反应中的等离子体的参数测量等，都 是利用了微波的这一特性才得以实现的；
3. 微波的频率很高，因此可利用的频带较宽、信息容量大，从而使 微波通信得到了广泛的应用和发展。

仿真分析
通过CAD软件对设计进行 仿真分析，可以预测电路 性能并优化设计方案。
典型微波电路设计实例
放大器设计
根据性能指标选择合适的晶体 管或场效应管，设计匹配网络 和偏置电路，实现放大功能。
混频器设计
利用非线性元件实现频率转换 ，设计本振电路和滤波网络， 实现混频功能。
振荡器设计
选择合适的振荡器件，设计反 馈网络和输出匹配网络，实现 振荡功能。
接收机系统组成及工作原理
低噪声放大器
对接收到的微弱信号进行放大 ，同时降低噪声干扰。
中频放大器
对中频信号进行放大，以便于 后续处理。
天线
接收空间中的微波信号。
混频器
将接收到的微波信号与本振信 号进行混频，产生中频信号。
解调器
从中频信号中解调出原始信息 信号。
天线系统与馈线系统
天线类型
根据应用需求选择不同类型的天线，如抛物面天线、微带天线等。
功率放大器
是微波电路中的重要组成部分，用于将微弱的微波信号放大到足够的功率水平 以驱动负载。常见的功率放大器有行波管放大器、速调管放大器等。在选择功 率放大器时，需要考虑输出功率、效率、线性度等指标。
03
微波电路分析与设计
微波电路分析方法
等效电路法
数值分析法
将微波电路中的元件用集总参数元件 等效，进而利用电路理论进行分析。 这种方法适用于低频段和简单电路。
是一种具有放大、振荡等功能的三端器件。根据工作原理和结构不同，可分为双 极型晶体管（BJT）和场效应晶体管（FET）两大类。在微波电路中，常采用具有 高电子迁移率和高频特性的FET，如GaAs FET、GaN FET等。
场效应管与功率放大器
场效应管（FET）

几个基本概念 费涅耳半径(The Fresnel Radius)
T
F1
R
d1 P
d2
d
图1
第一费涅耳区半径
F1=（λd1d2/d）1/2 F2=（2λd1d2/d）1/2
= (2)1/2 F1
...... Fn=（nλd1d2/d）1/2
= (n)1/2 F1
微波通信的基本原理
• 几个基本概念 • 自由空间的电波传播 • 各种衰落及抗衰落技术 • 微波通信对设计的要求 • 干扰信号
几个基本概念
费涅耳区定义(The Fresnel Zone Definition)
费涅耳区 The Fresnel Zone:
➢ 如果前述定义的一系列费涅耳椭球面，与我们从T或R点出发认定的某一波前面相交 割，在交割的界面上我们就可以得到一系列的圆和环，中心是一个圆，称为第一费 涅耳区。
➢ 其外的圆环（外圆减内圆得到的圆环）称为第二个费涅耳区，再往外的圆环称为第 三费涅耳区、第四费涅耳区...... 第N费涅耳区。
线传播。
即：R e =KR
R为实际地球半径。
K值的实际测量平均值为4/3左右。但实际地段的K值和该地段的气象 有关，可以在较大范围内变化，影响视距传播。
自由空间的电波传播
• 自由空间的定义 • 自由空间损耗的定义 • 自由空间损耗的计算
自由空间的电波传播
自由空间的定义
自由空间 Free Space:
又称为理想介质空间，它相当于真空状态的理想空间。 在这个空间中充满均匀的、理想的介质，它的导电率σ=0，介电常数ε=ε0=109/36π F/m(法拉/米)，导磁系数μ=μ0=4π×10-7 H/m （亨/米）。
几个基本概念

系统外部干扰
系统外部干扰包括其它无线电设备(如雷 达、卫星通信设备等)辐射的频段相近的 电磁波和工业设备的杂散辐射电磁波。
解决方法：在进行微波线路路由和站址选择时，应尽 量避开各种外部干扰源。此外，设计新线路时，有时 会遇到与现有通信线路相互连接和配合使用的问题， 若处理不当，也会造成同频或邻频干扰。
微波转接方式
微波转接实现起来比中频转接困难，但微波转接方案 简单，设备体积小、功耗低，对于不需要上、下话路 的中继站可采用这种转接方式。
微波射频波道的频率配置
目的：为了增加微波中继通信系统的传输容 量，在一条微波通信线路上允许多套微波收 发信机同时工作，避免相互干扰
基本原则：尽可能在给定的微波频段内多安 排一些波道，以增加传输容量；尽可能减小 波道之间的相互干扰，以保证系统总体指标 和通信质量；尽可能有利于通信设备的标准 化、系列化生产，以便于维修和降低成本。
微波中继通信：是利用微波作为载波并 采用中继(接力)方式在地面上进行的无 线电通信。
短波微天波波传传播播示示意意图图
F2层 F1层 E层 D层
发
225~450km 170~220km 100~120km 60~90km
收
微波中继通信示意图
(1)微波传播具有视距传播特性 (2)微波传播具有损耗
微波中继通信的特点
微波线路设计中的路由和站址选择
明确已知条件
(1)线路或被连接的终端的位置，沿线城市或单位
(2)沿线附近原有通信线路站址及频段、天线方向 图等。它们涉及到线路之间或站间相互干扰问题。
(3)沿线附近卫星地面站的位置、同步卫星轨道指 向和工作频率，有关飞机场、雷达站等设施的位置、 工作频率和通讯设施。它们涉及到与线路相互干扰 的问题。

微波电路
自我介绍
上课时间及注意事项
上课时间：周四 5-6节 地点：3308 注意事项：
课间休息10分钟
教材与参考书
《射频与微波工程实践导论》 《射频通信电路》
0.引言 射频与微波
• 在电磁波频率低于100kHz时，电磁波会被地表吸收，不能 形成有效的无线传输。当电磁波频率高于100kHz时，电磁 波可以在空气中传播，并经大气层的电离层反射，形成远 距离传输能力，把这种具有远距离传输能力的高频电磁波 称为射频。 • 通常我们把频率为10kHz-30MHz称为高频段。 • 30MHz到3GHz的频率称作射频频段。 • 3GHz以上称为微波频段（30GHz以上也称为毫米波波段）。 • 射频/微波电路：形成有远距离传输能力的高频电磁波的电
路和数字电路相比有很大区别。从上个世纪20、30年代
发展至今，微波电路已得到长足的发展。
0.引言
微波电路的一般要求
1、良好的选择性
2、低噪声、高动态范围
3、接收机对杂散频率信号有良好的抑制能力 4、本振信号应具有低的相位噪声 5、发射机必须严格限制带外衰减 6、发射机功率放大器具有高的功率增加效率 7、低电压、低功耗
微波电路CAD
学会几种常用微波设计软件的仿真设计，并运用它们设 计具体的微波电路及微波系统。重点掌握运用ADS (Agilent 公司)和HFSS (Ansoft公司)软件进行几个专题的射频微波电 路设计与仿真。
课程主要内容
1.微波电路基础 传输线模型基本结构及其等效电路描述，选频回路和阻 抗变换，阻抗匹配技术及Smith圆图的应用。 2.微波网络分析 Z矩阵、Y矩阵、ABCD矩阵、h矩阵及其相互变换，S参量 及其测量方法。 3.无源微波电路 滤波器、混频器、功分器等无源器件的分析与设计。 4.有源微波电路 功率放大器、低噪声放大器、振荡器、微带天线等有源器

混频器的性能指标包括变频损 耗、噪声系数、线性范围等。
常见的微波混频器有晶体混频 器和声表面波混频器等。
混频器的应用范围广泛，如雷 达、通信、电子对抗等领域。
调制解调器
调制解调器是微波电子线路中 的重要组成部分，用于实现信
号的调制和解调。
调制解调器的性能指标包括调 制速率、解调失真等。
常见的微波调制解调器有调频 解调器和调相解调器等。
其他工具
如信号发生器、频谱分析仪等测试设备。
设计实例与案例分析
案例一
某型雷达发射机的微波电路设计。
案例四
某型雷达接收机的微波电路设计。
案例二
某型通信设备的微波电路设计。
案例三
某型卫星天线的微波电路设计。
05
微波电路与系统的测试与测量
测试设备与仪器
01
信号发生器
用于产生微波信号，模拟微波电路 的工作状态。
特点
微波电路与系统具有高频、宽带 、高速、高集成度等特点，能够 实现高速数据传输、高精度测量 和遥控等功能。
微波电路与系统的应用领域
通信
微波电路与系统在通信领域中应用广泛 ，如移动通信、卫星通信、光纤通信等
。
导航
微波电路与系统在导航领域中也有广 泛应用，如卫星导航、无人机导航等
。
雷达
雷达是微波电路与系统的重要应用领 域，主要用于目标探测、跟踪和识别 。
放大器
放大器是微波电子线路中 的重要组成部分，用于放 大信号。
常见的微波放大器有硅微 波放大器、锗微波放大器 和化合物半导体微波放大 器等。
ABCD
微波放大器的性能指标包 括增益、噪声系数、线性 范围等。
放大器的应用范围广泛， 如雷达、通信、卫星电视 等领域。

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直流偏置电路的设计
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低噪声放大器的调试
对照设计版图检查加工好的微波电路板，并按 照所用的电路元件表准备元器件。
按照电路原理图进行焊接，首先焊接放大器的 供电部分，通电检查电压正确后再焊接其他无 源器件，最后将晶体管按正确方式焊接。 在检查焊接无误后，将电路板安装到测试架上， 接通直流电源测量放大器的直流工作点，并进 行调整，使其满足设计要求。
ppt课件
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微波滤波器的分类


根据功率衰减的频率特性来分类，微波滤波 器可分为低通、高通、带通和带阻滤波器。 随着频率的的提高，滤波器不能再用集总参 数的电感和电容元件来组成，需要采用各类 传输线为主体的分布参数结构。根据所用的 传输线类型来分类，微波滤波器可分为波导、 同轴线、微带线滤波器等等。
ppt课件 2
微波电路的实例

下图是一个无线通信系统中接收机和发射 机的系统框图
中频 振荡器
射频 振荡器 馈线
发射 天线1
基带调制信号
中频 BPSK 调制器
中频 中频 滤波器 滤波器
上变频器
射频 滤波器1
功率 放大器
功分器 发射 天线2 馈线
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3
课程目的



了解典型微波电路的原理及设计方法。 学习使用ADS软件进行微波电路的设 计，优化，仿真。 掌握微波电路的制作及调试方法。
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观察仿真曲线
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微带滤波器的设计

版图的仿真

版图的仿真是采用矩量法直接对电磁场进行 计算，其结果比在原理图中仿真要准确，但 是它的计算比较复杂，一般作为对原理图设 计的验证。

*
ODU
7~38G ODU
*
系统设备组成
编号
名 称
说 明
1
GND
接地柱
2
RSSI
收信信号强度指示（直流电压），供调整天线时参考
3
IF
中频接口， N(Female),用中频电缆与IDU连接
4
射频接口
波导接口，用于7GHz ～ 23GHz频段，直接与天线连接。
*
接口介绍说明
♦N 型连接器（阴头） 中频接口用于ODU 到IDU 的连接，为IDU 提供140MHz 中频 信号。从I DU接收-48VDC 和350MHz 发信中频和OOK信号 （发送5.5M，接收10.7M）。 ♦ 调整天线的测试端口(BNC 接口) 利用RSSI 端口，对接收信号的功率进行监测，按照输出的 直流电压于接收信号功率的对应关系进行天线对准。 ♦射频接口 在ODU 的射频出口处安装了圆形的法兰适配器，便于ODU 与天线的连接。 ♦ 接地柱 使用接地螺丝进行接地保护。
0.6m天线和ODU(直接安装, 1+0)
微波设备由室内单元 (IDU)、室外单元 (ODU)、 网管系统、同轴电缆和天线组成
*
一跳系统之间的通信
*
IDU的作用
IDU主要把业务数据、辅助数据、网管及交换数据按一 定数据格式复接成帧，传给调制解调模块，调制解调模 块再完成基带调制解调、中频变频等功能。
*
在大城市和市区，在建设数字节点和分配网络时，数字微波常常是可以与光缆相比的唯一的可供选择的方案。事实上，除了在大城市和小城镇内埋设地下电缆费用非常昂贵外，在闹市区开挖管道常常是很难得到批准的。这种情况在欧美发达国家表现尤为突出。据称，在欧美发达国家用于移动覆盖的传输中大约80％－90％采用数字微波系统。 在世界上许多国家中，微波接力链路可能是可以穿越数千里林区、山区、大草原、沙漠、沼泽地和其他困难地域的唯一可用的大容量传输媒质。而且，由于功率消耗相当低，应用太阳能电源已经成为在这种条件严酷的地区应用数字微波接力系统的一个重要因素。 由于微波电路不易人为破坏，不易受自然灾害的影响，因此微波系统是组成我国通信网的不可缺少的组成部分，是保证通信网安全所不可缺少的。

微波中继通信：是利用微波作为载波并
采用中继(接力)方式在地面上进行的无
线电通信。
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短波微天波波传传播播示示意意图图
F2层 F1层 E层 D层
发
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225~450km 170~220km 100~120km 60~90km
收
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微波中继通信示意图
(1)微波传播具有视距传播特性
(2)微波传播具有损耗
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微波射频波道的频率配置
单波道频率配置
(1)二频制方案 (2)四频制方案
多波道频率配置
(1)交错制方案 (2)分割制方案
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二频制单波道频率配置
优点：占用频带窄、频谱利用率高
缺点：存在反向干扰(指一个通信方向的收信机收到 相反通信方向的同频干扰信号)和越站同频干扰。
解决方法：为防止反向干扰，要求天线具备较高的前
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微波线路的干扰
系统内部干扰
越站干扰 旁瓣干扰
系统外部干扰
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越站干扰示意图
干扰信号应比有用信号低60dB以上 解决方法：使线路走向错开一定角度(不小于 15˚) ，即用“之”字形路由，使天线主瓣射线 与AD连线夹角大于天线主瓣宽度，避免电磁波 传播方向(主瓣)与相邻各ppt课站件 的线路走向一致。 11
解决方法：在进行微波线路路由和站址选择时，应尽 量避开各种外部干扰源。此外，设计新线路时，有时 会遇到与现有通信线路相互连接和配合使用的问题， 若处理不当，也会造成同频或邻频干扰。
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微波线路设计中的路由和站址选择
明确已知条件
(1)线路或被连接的终端的位置，沿线城市或单位