微波集成电路 课件 第三章 微波无源集成电路

第三章微波无源集成电路目录3.1概述3.2微带集成电路中的不连续性3.3耦合微带线定向耦合器3.4微带线三端口功率分配器3.5微带分支线定向耦合器和微带环形电桥3.6微波集成滤波器微波集成电路发展——小型化、低电压、高可靠性，低成本3.1概述二次世界大战期间，主要采用波导立体电路；1950s,平面传输线概念被提出；1960s,带状线、微带线问题解决，微波集成电路（MIC）开始发展;1970s,氧化铝基片和薄膜工艺发展，使得MIC进入高速发展期；1980s,MIC基本成熟。微波混合集成电路定义：

3.1概述微带电路已成为微波混合集成电路的主要形式微带传输线半开放结构便于集成固态器件和调试微带线良好传输特性(1)工作频率＜最低上限频率，可实现单模传输(2)弱色散特性(3)准确地设计分析方法(4)精确的加工工艺低成本，批量化在氧化铝陶瓷、蓝宝石、铁氧体以及复合介质等绝缘介质衬底上，采用薄膜或厚膜技术制作出微波集成传输线和分布参数电路，并与带封装的或裸芯片固态器件、片式元件（电阻、电容或电感）组合在一起，构成具有完整电路或系统功能的集成电路直流、低频电路由R、L、C等集总元件构成，由集总参数方法分析和设计3.2微带集成路中的不连续性微波电路及不连续性微波电路由分布参数方法分析和设计电路不能明确区分出R、L、C；电路严格地分析实际上是求解电磁场边值问题；需考虑传输线传播特性：（1）传播模式；（2）阻抗；（3）相移电路中可明确区分出R、L、C；电路为由R、L、C元件构成的网络；不用过多考虑传输线——导线形状尺寸和信号通过的损耗和相移；相对于工作波长，电路尺寸小，信号通过附加路劲相移可忽略传输线的材料、结构、尺寸3.2.1概述3.2.1概述微波电路由分布参数方法分析和设计微波电路可等效为分布参数电路网络由微波传输线段构成的、体现“电抗集中效应”的微波电路网络通常被称作微波电路的“不连续性”分布参数元件L、C由不同传输线段实现微波频率高，电路所需L、Ｃ元件值小不同传输线段具有不同的“电抗集中效应”（电场、磁场集中），可实现L、C功能(——不是简单、独立的L、C)“不连续性”概念和传输线行波传输状态相对；不连续性区域将发生能量的存储；不连续性区域将产生反射；不连续性区域将产生相移确定不连续性性质3.2.1概述微波电路实际上是由多个不连续性构成而实现特定功能的电路；严格的场方法(——数值方法)分布参数等效电路法(——TEM波传输线)微波“不连续性”的分析方法：3.2.1概述微带不连续性是构成微带电路的基本单元微带不连续性是实现微带线路功能的基本单元，微带电路实际上是由多个不连续性级联构成的（1）不连续性的性质可由分布参数等效电路方法确定（2）分布参数元件值由准静态分析方法确定（3）现代数值计算方法可准确确定不连续性特性微带电路不连续性采用“场”、“路”结合的方法分析

微带开路端/端节线；微带线的阶梯跳变；微带间隙；微带线的拐角；微带线T接头；微带线十字接头;3.2.1概述微带集成电路中不连续性种类3.2.2微带线的开路端/截断端λ/4开路线;微带到波导探针过渡;微带线匹配枝节;……微带线开路端/截断端的应用3.2.2微带线的开路端/截断端微带开路端实际等效为RLC终端微带线开路端/截断端的等效电路开路端末将出现过剩电荷，过剩电流，辐射能量；过剩电荷是主要的通常，微带开路端可由一个可等效电容或一段理想开路线3.2.2微带线的开路端/截断端微带线开路端/截断端的等效电路测量法确定微带开路端等效理想开路线长度测量出一段长为l

、两端开路微带线谐振频率和谐振波长（半波长谐振器）所测得的谐振波长

g和微带TEM波波长

gTEM不同,两者关系可表示为：

是介于0.7-1.07之间的常数，h是基片厚度3.2.3微带间隙微带间隙及其等效电路特性：Π-型电容网络由于两条微带截断端相互影响，C1≠COC；间距s越大，C12越小，C1就越接近COC；间距s越小，C12越大，C1就越小；

s:0→∞，C1：0→COC，C12：∞→03.2.3微带间隙奇偶模法分析微带间隙偶模激励：奇模激励：阶梯阻抗变换；高低阻抗低通滤波器;……微带线阶梯阶梯跳变应用3.2.4微带线的阶梯跳变3.2.4微带线的阶梯跳变微带阶梯跳变处，电能减少，磁能增加；阶梯跳变呈感性，可由电感等效微带线阶梯跳变等效电路两条不同导带宽度微带线的连接处，较宽微带线局部被截断在连接处宽条带电流线连续地向窄条带聚集，宽条带截断区面电流密度变小，面电荷密度减小.微带阶梯跳变处，电界面和几何界面不一致。电界面向宽条带偏移3.2.4微带线的阶梯跳变波导模拟法定性分析微带线阶梯跳变等效（1）将微带线用平板波导等效特性阻抗相同:Zc相位常数相同:基片厚度等于板间距:h对偶（2）应用对偶定理，将平板波导变换为对偶波导；(3)再由波导等效电路对偶变换为平板波导等效电路→微带等效电路3.2.4微带线的阶梯跳变波导模拟法定性分析微带线阶梯跳变等效等效对偶对偶3.2.5微带线拐角微带线拐角拐角区域等效为并联电容;路劲加长等效为两段传输线或电感;也可用对偶波导模拟法分析：微带拐角3.2.5微带线拐角微带线修正拐角采用切角处理，减小拐角并联电容效应：把拐角的外部切成45°斜角，利用两次反射的相互抵销达到匹配。斜角边长是使两次反射抵消的关键。对于50Ω微带线，实验表明，45°斜角边长为1.6倍导带宽度时，从L波段到X波段都能得到良好匹配。(带状线结果)3.2.6微带线T分支微带线T分支应用广泛：微带分支线电桥；微带功率分配器；并联分支匹配电路；直流偏置网络……3.2.6微带线T分支微带线T分支等效电路等效为并联电容可采用对偶波导模拟法分析3.2.6微带线T分支对偶波导模拟法分析微带线T分支对偶对偶3.2.7微带线十字分支微带线十字分支微带十字分支不连续性较大，实际应用较少；和T分支类似，微带十字分支可等效为并联电容;精确的结果主要由实验测定3.2.8微带线实现集总元件1.采用微带结构模拟集总元件：电感和电容3.2.8微带线实现集总元件1.采用微带结构模拟集总元件：电感和电容(3)

g/4＜l＜

g/2高阻抗微带线可近似等效为一个电感；(2)l＜

g/4

低阻抗微带线可近似等效为一个电容；(1)短微带线，高阻时呈感性；低阻时呈容性3.2.8微带线实现集总元件1.采用微带结构模拟集总元件：电感和电容(4)

g/2＜l＜

g时，可用型网络等效2.微带电容元件3.2.8微带线实现集总元件电容值较小电容值较大电容值最大（c）MIM电容（b）交指电容（a）间隙电容3.LC谐振电路3.2.8微带线实现集总元件

在传输线上串/并联一个或多个支节，这些支节等效于串联或并联谐振回路。LCCL3.2.8微带线实现集总元件3.3耦合微带线概述间距离接近的传输线之间都有能量耦合：电耦合（耦合电容），磁耦合（耦合电感）可利用有规律、可控的耦合实现特定微波电路功能：定向耦合器，滤波器，匹配电路，混合电桥等耦合微带线：（1）结构：由在介质基片上同一侧面的两根平行金属导带以及基片背面同一金属接地面构成，形成了两根导带侧边间距为s的平行微带线结构；（2）耦合微带线间的耦合是两列TEM波间的电耦合和磁耦合（类似静电耦合和静磁耦合），可由分布互电容CM和分布互电感LM表达。KC：电容耦合系数，KL：电感耦合系数；L和C为考虑另一根线存在但未被激励时，单根线的分布参数电感和分布参数电容。耦合关系：3.3耦合微带线耦合微带线上TEM波传播情况复杂，是两列相互耦合的TEM波传输，电磁分布情况复杂；耦合微带线分析方法考虑复杂的电磁问题简化为多个简单问题的迭加——（迭加方法：比如利用傅里叶级数分析非正弦波、利用泰勒级数分析非线性线性问题等）复杂分布参数电路的奇偶模分析方法：要点：分析奇偶模激励下的电磁场问题，并充分利用对称性使问题简化（3）利用迭加原理得到任意激励下的电路响应（1）利用电路结构对称性，分别对电路馈以反对称激励（偶模激励和奇偶激励），得到不同的、具有对称特性的电磁场分布（2）分别利用对称性简化电磁场分布边界条件，实现简化分析奇、偶模激励下的电路，并得到奇偶模响应结果；3.3耦合微带线此方法即求在奇偶模激励下耦合微带线的传播特性参量与等效分布参数参量之间的关系；考虑理想TEM波耦合微带在奇偶模激励下的情况（1）先考虑空气耦合微带线，部分介质填充情况引入填充因子来考虑；（2）忽略传输损耗；（小尺寸电路）；（3）忽略高次波型影响，线间为纯TEM波耦合（类似于静电耦合和静磁耦合），可完全有互电感和互电容表示；（4）仅仅考虑奇偶模激励情况，其他情况可看做奇偶模情况的迭加奇偶模法分析耦合微带线KC：电容耦合系数，KL：电感耦合系数；L和C为考虑另一根线存在但未被激励时，单根线的分布参数电感和分布参数电容。耦合关系：3.3耦合微带线奇偶模法分析耦合微带线方程中的符号问题？？均匀介质耦合微带线分布参数电路方程电耦合与磁耦合性质不同决定了耦合微带线等效电路网络中的感应电流和感应电压的正负关系3.3耦合微带线奇偶模法分析耦合微带线均匀介质耦合微带线分布参数电路方程3.3耦合微带线奇偶模法分析耦合微带线均匀介质耦合微带线分布参数电路方程3.3耦合微带线均匀介质耦合微带线特性参数奇偶模相速关系奇偶模特性阻抗关系均匀介质填充耦合微带线，电磁耦合系数相等，奇偶模相速/相移常数相等3.3耦合微带线均匀介质耦合微带线特性参数均匀介质耦合微带线各种特性阻抗关系均匀介质耦合微带线特性阻抗与耦合系数的关系3.3耦合微带线均匀介质耦合微带线特性参数：Zce＞Zco;紧耦合时，K

→1，Zce>>Zco;弱耦合时，K

→0，Zce=Zco=Zc;弱耦合时，耦合微带特性参数接近单根微带线特性参数，可得到宽带工作特性；均匀介质填充时，奇偶模特性相移常数、相速、耦合系数等参数相等，可用于实现高方向性定向耦合器奇偶模特性参量可充分表达耦合特性：3.3耦合微带线耦合微带线奇偶模特性参数求解耦合微带线奇偶模特性阻抗可由分布参数电容表达3.3耦合微带线空气耦合微带线奇偶模特性阻抗的求解3.3耦合微带线部分介质填充耦合微带线空气引入等效介电常数

e概念，将部分填充介质

r情况等效为均匀填充介质

eo、

ee情况来分析部分填充介质耦合微带线奇偶模相速不相等：3.3耦合微带线耦合微带线特性阻抗3.3耦合微带线耦合微带线特性参数EDA计算工具-LinCalc3.4耦合微带线定向耦合器概述由电长度为π/2的耦合微带线构成，①为输入端、④为输出端、②为耦合端、③为隔离端。①-④为主线，

②-③为副线。主线和副线上信号传输方向相反，又称为“反向定向耦合器”一般为弱耦合情况（-20dB），主线上传输大功率信号，副线耦合输出弱的取样信号，用于高功率信号检测等3.4耦合微带线定向耦合器主要技术指标耦合度C：P1P2P4P3方向性D：隔离度I：三者之间的关系为:I=C+D理想情况下，高隔离度，高方向性：P3→0，D→∞，I→∞3.4耦合微带线定向耦合器奇偶模法分析均匀介质填充耦合微带线定向耦合器奇偶模特性参数：

奇偶模激励时的反射系数和传输系数：

0o、T0o

;

0e、T0e奇偶模分析法要点：——求解奇偶模特性参数和四端口网络的端口电压、传输功率的关系（耦合、隔离关系）奇偶模阻抗为：Zco

，Zce均匀介质奇偶模电长度相等:3.4耦合微带线定向耦合器奇偶模法分析均匀介质填充耦合微带线定向耦合器偶模激励时，单根线对端口匹配负载Z0归一化转移矩阵：UeUe3.4耦合微带线定向耦合器奇偶模法分析均匀介质填充耦合微带线定向耦合器奇模激励时，单根线对端口匹配负载Z0归一化转移矩阵：-UoUo耦合微带线定向耦合器网络参数可由：Z0、ZcO、Zce、Θ确定3.4耦合微带线定向耦合器奇偶模法分析均匀介质填充耦合微带线定向耦合器各端口入射波电压：各端口出射波电压：设①口接电压源1V，②③④口均接匹配负载Z0。各端口电压：3.4耦合微带线定向耦合器奇偶模法分析均匀介质填充耦合微带线定向耦合器ae2ae1偶模激励电压：偶模激励时端口电压3.4耦合微带线定向耦合器奇偶模法分析均匀介质填充耦合微带线定向耦合器ao2ao1奇模激励电压：奇模激励时端口电压3.4耦合微带线定向耦合器奇偶模法分析均匀介质填充耦合微带线定向耦合器利用线性叠加原理，各端口的电压a2a13.4耦合微带线定向耦合器奇偶模法分析均匀介质填充耦合微带线定向耦合器利用线性叠加原理，各端口的电压a2a13.4耦合微带线定向耦合器3.4耦合微带线定向耦合器奇偶模法分析均匀介质填充耦合微带线定向耦合器理想定向耦合器要求：P1P2P4P3（1）理想端口匹配（2）理想隔离完全匹配和完全隔离条件:Z0=ZC3.4耦合微带线定向耦合器奇偶模法分析均匀介质填充耦合微带线定向耦合器理想定向耦合器各端口电压：P1P2P4P33.4耦合微带线定向耦合器理想定向耦合器P1P2P4P3电压耦合系数耦合度/（功率）耦合系数传输系数3.4耦合微带线定向耦合器理想定向耦合器P1P2P4P3能量守恒：耦合微带线定向耦合器是全频段90°定向耦合器S21和S41相差90°在中心频率处，

=90°，耦合端与输入端同相，输出端滞后90°3.4耦合微带线定向耦合器理想定向耦合器P1P2P4P3弱耦合时，k<<1此时，在中心频率上耦合最强，偏离中心频率越远，耦合越弱3.4耦合微带线定向耦合器耦合微带线定向耦合器的耦合与奇模和偶模归一化阻抗的关系耦合度C（dB）电压耦合系数kZco/Z0Zce/Z0耦合度C（dB）电压耦合系数kZco/Z0Zce/Z010.89130.23984.170160.15850.85231.17320.79430.33862.954170.14130.89741.15330.70790.41352.418180.12590.88111.13540.63100.47572.102190.11220.89341.11950.56230.52931.889200.10000.90451.10660.50120.57641.735210.089130.91451.09370.44670.61841.620220.079430.92351.08380.39810.65611.542230.070790.93151.07390.35480.69011.449240.063100.93881.065100.31620.72081.387250.056230.94531.058110.28180.74851.336260.050120.95111.051120.25120.77361.293270.044670.95631.046130.00390.79631.234280.039810.96101.041140.19950.81691.224290.035480.96511.036150.17780.83551.197300.031620.96891.0323.4耦合微带线定向耦合器耦合微带定向耦合器设计：已知端口阻抗Z0、耦合度C/耦合系数K，求解奇偶模参数和电长度P1P2P4P3（1）令：（2）耦合系数K：（3）得：耦合微带物理参数：基片厚度/线宽，基片材料，间距等；耦合段长度取奇偶模四分之一波长平均值3.4耦合微带线定向耦合器实际耦合微带定向耦合器具体问题理想隔离、理想匹配——理想方向性耦合器是建立在均匀介质填充条件下的。Z0=ZC实现耦合端和输入端同相的相位条件非均匀介质填充耦合微带线的影响3.4耦合微带线定向耦合器实际微带线由非均匀介质填充耦合微带线，不满足理想隔离、理想匹配条件——理想方向性3.4耦合微带线定向耦合器P1P2P4P3实际微带线由非均匀介质填充耦合微带线，不满足理想隔离理想匹配条件——理想方向性3.4耦合微带线定向耦合器消除非均匀介质填充对定向耦合器方向性影响的方法（2）采取介质加载的方法，使电磁场完全在同一种介质中分布。（1）采取耦合带状线实现定向耦合器加载介质与基片材料相同，厚度为3~5h3.4耦合微带线定向耦合器消除非均匀介质填充对定向耦合器方性影响的方法（3）采用折线边界耦合微带，增加奇模耦合电容，满足匹配和隔离条件以及相位条件C0o=C1+C2C1C2奇模电场分布比偶摸电场分布在空气中更多，故

eo＜

ee

∴veo＞

vee增加奇模电容中C2分量，减小veo使veo→vee，达到KL→KC，满足匹配和隔离条件以及相位条件：3.4耦合微带线定向耦合器增加耦合度的方法（1）简单串接，实现紧耦合单个耦合微带定向耦合器可实现-8dB~-30dB左右的耦合，不易实现紧耦合采用两个相同耦合系数k的耦合器串接，耦合系数为：3.4耦合微带线定向耦合器增加耦合度的方法（1）简单串接，实现紧耦合3.4耦合微带线定向耦合器增加耦合度的方法（1）简单串接，实现紧耦合3.4耦合微带线定向耦合器增加耦合度的方法（2）LANGE耦合器：更复杂的串接3.5微带线功率分配器概述功率分配器概念：将输入信号分成相等或不等的多路功率输出网络功率分配器应用MMICPA；高功率合成功率分配相控阵雷达将发射功率分配到各天线单元；共用同一本振的多通道收发系统功率合成（功率合成器）3.5微带线功率分配器概述功率分配器主要技术指标：支路数功率分配比隔离度损耗驻波功率容量功率分配器类型二进制树形，级联型，N-路型，……等功率型，非等功率型隔离型，非隔离型波导型，同轴型，微带型……

……3.5微带线功率分配器WilkinsonN-wayHybridpowerdividerAcoaxiallineinwhichthehollowinnerconductorhasbeensplitintonsplinesoflength/4.Ashortingplateconnectsthesplinesattheinputend,andresistorsareconnectedinaradialmannerbetweeneachsplineattheoutputendandacommonjunctionOutputconnectorsareshownconnectedtothesplinesinan“inline”manner3.5微带线功率分配器微带Wilkinson

功分器3.5微带线三端口功率分配器微带线wilkinson功率分配器结构与功能平衡工作状态：通过选择不同Z02和Z03的

g/4线，并配接合适的负载R2和R3，实现不同比例的功率分配/功率合成，并使(2)、(3)端口间无压差，电阻R上无电流由T/Y型结，特性阻抗为Z02和Z03的

g/4线、电阻R构成的三端口功率分配网络:(1)为输入端口，

(2)、(3)为输出端口非平衡工作状态：(2)、(3)端口间存在电压差，电阻R上有电流流过。由(2)口输入的信号分为两路达到(3)端口：一路Z02

g/4线—Z03

g/4线，一路通过电阻R，并在(3)端口实现相互抵消。即实现(2)-(3)端口隔离隔离电阻3.5微带线三端口功率分配器微带线wilkinson功率分配器网络分析功率分配比与支路阻抗的关系设(2)、(3)端口功率分配比：平衡工作状态，(2)、(3)端口无电压差：Z2Z3V2V3V13.5微带线功率分配器Z2Z3V2V3V1Zin3Zin2Zin2和Zin3为在(1)处分别向支路(1)-(2)和支路(1)-(3)的输入阻抗：在(1)处分别流向支路(1)-(2)和支路(1)-(3)的功率比值：功率分配比与支路阻抗的关系功率分配比与支路阻抗的关系：3.5微带线三端口功率分配器微带线wilkinson功率分配器Z2Z3V2V3V1Zin3Zin2输入端匹配要求在输入端(1),支路(1)-(2)和支路(1)-(3)为并联关系：Z0=Zin2//Zin33.5微带线三端口功率分配器微带线wilkinson功率分配器Z2Z3V2V3V1Zin3Zin2阻抗关系确定选择合适的Z2、Z3，根据要求的功率分配比为K2，可得到各分支路特性阻抗：例如：3dB功分器（等功率分配），K=1，Z0