微波电路及设计的基础知识
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1 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 2
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。 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： 3
图1 微带线 图2 带状线
图3 同轴线 4
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：采用分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微波混合集成电路示例 5
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组件和不连续性组件
图9 传输线段
图10 耦合线 6
图11 开路线 图12 短路线
图13 直角拐弯线 图14 阶梯线 7
图15 渐变线 图16 缝隙 图17 T型结 8
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等等。 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 9
图21 片状电阻 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） 10 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（MMIC）（封装及芯片） 11
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（εr） 备注 聚四氟乙烯玻璃纤维基片 2.7 国产、进口 陶瓷（Al2O3
）基片(99%) 9.6 国产、进口
微波复合介质基片 可选 国产 RT/duroid 5880 2.2 Rogers公司 RO4003 3.38 Rogers公司 TMM10I 9.8 Rogers公司
RT/duroid® Series RO4000® Series TMM® Series 图27 Rogers公司生产的几种微波介质基片 12
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
4231
图28平行耦合线定向耦合器 3.1.2 兰格（Lange）定向耦合器
143268101214Frequency (GHz)
-35
-25-15-50DB(|S[2,1]|)Lange Coupler
DB(|S[3,1]|)Lange Coupler
DB(|S[4,1]|)Lange Coupler
图29 Lange定向耦合器 3.1.3 威尔金森（Wilkinson）功分器/合路器 13
3211819202122Frequency (GHz)
Wilkinson Power Divider-40-30-20-100
DB(|S[1,1]|) ~PD
DB(|S[2,1]|) ~PD
DB(|S[3,1]|)PD
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 14
9101112131415-80-60-40-200freq, GHzdB(S(2,1))dB(S(1,1))
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已。 一般来说，简单的网络通常是窄带的电路，如λg/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 15
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
22212122121111asasbasasb
（1）
即
21bb
21aa
S
其中 S
22211211ssss
（2）
式（1）称做散射方程，S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： S11=0211aa
b，即当埠2匹配时（ZL=Z0），埠1的反射系数；
S22=0122aa
b，即当埠1匹配时（ZS=Z0），埠2的反射系数；
S12=0121aa
b， 即当埠1匹配时，埠2到埠1的传输系数；
S21=0212aa
b，即当埠2匹配时，埠1到埠2的传输系数。
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N×N维的矩阵。 16
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35 Smith阻抗圆图 Z=30+j25Ω
图36 Smith圆图的应用示例 17 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（jωL）、电容平面（1/ jωC）、开路点、短路点和50Ω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。 18
5. 简单的匹配电路设计举例 晶体管放大器匹配电路设计示例 6. 微波电路的计算机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； ② 2.5D平面电路电磁场仿真软件； ③ 3D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
