微波电路核心问题

1、微波电路的核心问题Key Problems of Microwave Circuits微波电路的核心问题 多年来多年来, 射频射频/微波技术给人们的印象是抽象微波技术给人们的印象是抽象的概念和繁琐的公式。相关课程被通信、的概念和繁琐的公式。相关课程被通信、电子工程专业学生称为电子工程专业学生称为“杀手杀手”课课 如何掌握专业课程的核心知识如何掌握专业课程的核心知识, 为毕业后尽为毕业后尽快适应技术工作奠定良好的基础快适应技术工作奠定良好的基础, 是应该认是应该认真研究的基本问题真研究的基本问题 微波电路的微波电路的核心问题核心问题是正确处理电路的阻是正确处理电路的阻抗、频率和功率的关系抗、频率

2、和功率的关系, 射频射频/微波电路的根微波电路的根本是能量的传输或变换本是能量的传输或变换微波电路的核心问题 微波电路的核心问题是正确处理电路的阻微波电路的核心问题是正确处理电路的阻抗、频率和功率的关系抗、频率和功率的关系, 射频射频/微波电路的根微波电路的根本是能量的传输或变换。本是能量的传输或变换。 Maxwell 方程是射频方程是射频/微波的基本理论微波的基本理论, Maxwell方程的求解或数值计算是解决射频方程的求解或数值计算是解决射频/微波电路的基本方法。但是微波电路的基本方法。但是, 工程中能够严工程中能够严格求解的问题是十分有限的。尤其是有源格求解的问题是十分有限的。尤其是有源

3、器件、材料、结构和工艺特性器件、材料、结构和工艺特性, 实际中无法实际中无法严格把握严格把握, 难于体现在计算过程中。因此射难于体现在计算过程中。因此射频频/微波电路的实验调整必不可少。微波电路的实验调整必不可少。微波电路的核心问题 解决工程问题的有效方法是微波网络方法解决工程问题的有效方法是微波网络方法 散射参数散射参数S概念清晰概念清晰,不追究电路内部的电不追究电路内部的电磁场结构磁场结构, 利用等效电路对波能量的传输和利用等效电路对波能量的传输和反射概念反射概念, 能够方便的进行电路设计和调试。能够方便的进行电路设计和调试。 场论及计算是解决射频场论及计算是解决射频/微波的一种方法微波的

4、一种方法, 不不等于微波的全部等于微波的全部, 在射频在射频/微波电路工程实际微波电路工程实际中中, 无需拘泥于电磁场方程无需拘泥于电磁场方程, 而是要在正确而是要在正确的概念引导下的概念引导下, 完成各个电路单元的功能。完成各个电路单元的功能。微波电路的核心问题 射频射频/微波电路是构成通信系统微波电路是构成通信系统, 雷达系统和雷达系统和其它微波应用系统中的发射机和接收机的其它微波应用系统中的发射机和接收机的关键部件。经过半个多世纪的发展关键部件。经过半个多世纪的发展, 各种电各种电路的原理日趋成熟路的原理日趋成熟, 结构形式多样。现代微结构形式多样。现代微电子技术和电子材料的不断进步电子

5、技术和电子材料的不断进步, 使得各类使得各类接收机和发射机的体积越来越小接收机和发射机的体积越来越小, 功能越来功能越来越强。越强。微波电路的核心问题 最典型的是个人无线通信最典型的是个人无线通信, 也就是手机。可以说也就是手机。可以说, 手机代表了当今世界科学领域的各种成就。在这手机代表了当今世界科学领域的各种成就。在这个小小的塑料盒内个小小的塑料盒内, 集中反映了在电源及电源使集中反映了在电源及电源使用效率、数字电路、模拟电路、半导体技术、信用效率、数字电路、模拟电路、半导体技术、信号处理、材料科学、结构工艺等领域的人类智慧号处理、材料科学、结构工艺等领域的人类智慧, 这些内容的核心是射频

6、这些内容的核心是射频/微波模拟电路。微波模拟电路。 可以想象可以想象: 射频射频/微波技术的革新发展是永恒的微波技术的革新发展是永恒的, 电电路的基本单元是不变的。路的基本单元是不变的。微波电路的核心问题 射频射频/微波电路可分为以下三大类微波电路可分为以下三大类 微波无源电路微波无源电路: 如金属谐振腔滤波器、介质腔如金属谐振腔滤波器、介质腔体滤波器、微带滤波器、功率分配器、耦合器、体滤波器、微带滤波器、功率分配器、耦合器、程控衰减器等。程控衰减器等。 微波有源电路微波有源电路: 如微波放大器、微波振荡器、如微波放大器、微波振荡器、微波调制解调器、开关、移相器、混频器、倍微波调制解调器、开关

7、、移相器、混频器、倍频器、频率合成器频器、频率合成器, 功率放大器等。功率放大器等。 T/R 组件组件: 由上述多种元器件构成的微波发射由上述多种元器件构成的微波发射接收功能模块接收功能模块, 或称或称T/R 组件。组件。微波电路的核心问题 随着半导体技术的发展随着半导体技术的发展,MM IC 已大量的进已大量的进入工程使用阶段。在元器件体积足够小的入工程使用阶段。在元器件体积足够小的情况下情况下, 射频射频/微波概念可以适当淡化微波概念可以适当淡化, 象普象普通低频电路一样进行电路设计通低频电路一样进行电路设计, 但要使用微但要使用微波印制板设计波印制板设计MM IC 的偏置电路的偏置电路,

8、 在射频在射频/微波引线段考虑匹配。微波引线段考虑匹配。 新型微波材料主要是环境适应性、高介电新型微波材料主要是环境适应性、高介电常数、低损耗介质。高介电常数介质的使常数、低损耗介质。高介电常数介质的使用用, 可以缩小微带电路的结构尺寸。可以缩小微带电路的结构尺寸。微波电路的核心问题 为了实现上述各个电路的功能为了实现上述各个电路的功能, 需要解决的需要解决的核心问题是以下三大主要方面核心问题是以下三大主要方面: 频率、阻抗频率、阻抗和功率。只要合理的处理好三者的关系和功率。只要合理的处理好三者的关系, 就就能实现预期的电路功能。能实现预期的电路功能。 由于频率、阻抗和功率是贯穿射频由于频率、

9、阻抗和功率是贯穿射频/微波工微波工程的三大核心指标程的三大核心指标, 将其称为将其称为“射频铁三角射频铁三角”能够形象的反映射频能够形象的反映射频/微波工程的基本内容。微波工程的基本内容。这三方面既有独立特性这三方面既有独立特性, 又相互影响。这就又相互影响。这就是射频是射频/微波工程的核心问题。微波工程的核心问题。 频率、阻抗和功率三角关系用下图表示频率、阻抗和功率三角关系用下图表示Agilent 4395A 网络/频谱/阻抗分析仪N5230A PNA-L网络分析仪网络分析仪300 kHz至至20 GHz 4G矢量网络分析仪罗德与施瓦茨矢量网络分析仪罗德与施瓦茨频率范围频率范围:10Hz /

10、9kHz-4GHz Rohde&SchwarzE4440A PSA 系列频谱分析仪,3 Hz - 6.7 GHzE4406A VSA 系列发射机测试仪，7 MHz 至 4 GHz微波电路的核心问题一、频率一、频率频率是射频频率是射频/微波工程中最基本的一个参数微波工程中最基本的一个参数, 对应于无线系统所工作的频谱范围对应于无线系统所工作的频谱范围, 也规定也规定了所研究的微波电路的基本前提了所研究的微波电路的基本前提, 进而进而, 决决定微波电路的结构形式和器件材料。直接定微波电路的结构形式和器件材料。直接影响频率的射频影响频率的射频/微波电路有微波电路有:(一一) 信号产生器信号产生器,

11、用来产生特定频率的信号用来产生特定频率的信号, 如点频振荡器、机械调谐振荡器、压控振如点频振荡器、机械调谐振荡器、压控振荡器、频率合成器等。荡器、频率合成器等。(二二) 频率变换器频率变换器, 将一个或两个频率的信号变将一个或两个频率的信号变为另一个所希望的频率信号为另一个所希望的频率信号, 如分频器、变如分频器、变频器、倍频器、混频器等。频器、倍频器、混频器等。微波电路的核心问题(三三) 频率选择电路频率选择电路, 在复杂的频谱环境中在复杂的频谱环境中, 选选择所关心的频谱范围。经典的频率选择电择所关心的频谱范围。经典的频率选择电路是滤波器路是滤波器, 如低通滤波器、带通滤波器、如低通滤波器

12、、带通滤波器、高通滤波器和带阻滤波器等。近年发展起高通滤波器和带阻滤波器等。近年发展起来的高速电子开关由于体积小来的高速电子开关由于体积小, 在许多方面在许多方面取代了滤波器实现频率选择。在射频取代了滤波器实现频率选择。在射频/微波微波工程中工程中, 这些电路可以独立工作这些电路可以独立工作, 也可以相也可以相互组合互组合, 还可以与其它电路组合还可以与其它电路组合, 构成射频构成射频/微波电路子系统。这些电路的测量仪器有微波电路子系统。这些电路的测量仪器有频谱分析仪、频率计数器、功率计、网络频谱分析仪、频率计数器、功率计、网络分析仪等。分析仪等。微波电路的核心问题二、功率二、功率功率用来描述

13、射频功率用来描述射频/微波信号的能量大小微波信号的能量大小, 所所有电路或系统的设计目标都是实现射频有电路或系统的设计目标都是实现射频/微微波能量的最佳传递。对射频波能量的最佳传递。对射频/微波信号功率微波信号功率影响的主要电路有影响的主要电路有:(一一) 衰减器衰减器, 控制射频控制射频/微波信号功率的大小。微波信号功率的大小。通常是由有耗材料通常是由有耗材料(电阻性材料电阻性材料) 构成。有构成。有固定衰减量和可调衰减量之分。固定衰减量和可调衰减量之分。微波电路的核心问题(二二) 功分器功分器, 将一路射频将一路射频/微波信号分成若干微波信号分成若干路的组件路的组件, 可以是等分的可以是等

14、分的, 也可是比例分配也可是比例分配的的, 希望分配后信号的损失尽可能地小。功希望分配后信号的损失尽可能地小。功分器也可用作功率合成器分器也可用作功率合成器, 在各个支路口接在各个支路口接同频同相等幅信号同频同相等幅信号, 在主路叠加输出。在主路叠加输出。(三三) 耦合器耦合器, 定向耦合器是一种特殊的分配器。定向耦合器是一种特殊的分配器。通常是耦合一小部分功率到支路通常是耦合一小部分功率到支路, 用以检测用以检测主路信号工作状态是否正常。分支线耦合器主路信号工作状态是否正常。分支线耦合器和环形桥耦合器实现不同相位的功率分配和环形桥耦合器实现不同相位的功率分配/合成合成, 配合微波二极管配合微

15、波二极管, 完成多种功能微波电完成多种功能微波电路路, 如如: 混频、变频、移相等。混频、变频、移相等。微波电路的核心问题(四四) 放大器放大器, 提高射频提高射频/微波信号功率的电路。微波信号功率的电路。在射频在射频/微波工程中地位极为重要。用于接微波工程中地位极为重要。用于接收中是小信号放大器收中是小信号放大器, 低噪声高增益贯串设低噪声高增益贯串设计任务的始终。用于发射中是功率放大器计任务的始终。用于发射中是功率放大器, 为了满足要求的输出功率为了满足要求的输出功率, 不惜器件和电源不惜器件和电源成本。用于测试仪器中的放大器成本。用于测试仪器中的放大器, 完善和丰完善和丰富了仪器的功能。

16、富了仪器的功能。微波电路的核心问题微波电路的核心问题三、阻抗三、阻抗 阻抗是在特定频率下阻抗是在特定频率下, 描述各种射频描述各种射频/微微波电路对微波信号能量传输影响的一个参数。波电路对微波信号能量传输影响的一个参数。构成电路的材料和结构对工作频率的响应决构成电路的材料和结构对工作频率的响应决定电路阻抗参数大小。工程实际中定电路阻抗参数大小。工程实际中, 努力的努力的方向是设法改进阻抗特性方向是设法改进阻抗特性, 实现能量的最大实现能量的最大传输。传输。微波电路的核心问题所涉及射频所涉及射频/微波电路有微波电路有:(一一) 阻抗变换器阻抗变换器, 增加合适的元件或结构增加合适的元件或结构, 实现实现一个阻抗向另一个阻抗的过渡。一个阻抗向另一个阻抗的过渡。(二二) 阻抗匹配器阻抗匹配器, 是一种特定的阻抗变换器是一种特定的阻抗变换器, 实实现两个阻抗之间的匹配。现两个阻抗之间的匹配。(三三) 天线天线, 是一种特定的阻抗匹配器是一种特定的阻抗匹配器, 实现射频实现射频/微波信号在封闭传输线和空气媒体之间的微波信号在封闭传输线和空气媒体之间的匹配传送。匹配传送。微波电路的核心问题可以看出可以看出: 射频铁三角渗透到射频射频铁三角渗透到射频/微波工程各个角落。微波工程各个角落。利用网络的概念利用网络的概念, 保证加工工艺保证加