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1、第三章 微波混合集成电路,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微带线混合集成晶体管放大器 3.6微带集成电路结构相关问题,3.1概述,体积大、笨重，无法满足机载、星载等要求,平面集成电路,有源和无源器件,AWS-1 was Decca Radars first S-band(2.7 to 3.1 GHz) sea-going radar. 信号源采用磁控管，传输线采用波导立体电路.,3.1概述,有源器件方面：,3.1概述,3.1概述,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
2、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。,集成电路技术方面：,微波电路元件 集中参数元件 与频率无关的参数，例： L、C、R。由于元件尺寸远小于工作波长，可近似认为传播过程中不存在相位变化。 分布参数元件 元件尺寸与工作波长可比拟（/10）时，采用分布参数传输线，如同轴线、微带线等。,3.1概述,1 inch=25.4mm的导线可以产生的电感为10nH，在1GHz时的阻抗为63欧姆。,3.1概述,混合集成电路应用:,3.1概述,毫米波T/R组件,低噪放,混频器,倍频器,本章将从工程设计角度出发，主要介绍如下内容
3、： 1微带电路设计的相关问题。 2基本微带元件。 3部分重要的固态电路。,3.1概述,3.2微带集成电路中的不连续性,3.2.1 概述 当微带电路产生不连续性时，将带来如下影响： 第一，不连续性区域将发生能量的存储； 第二，产生反射波； 第三，场通过连续性区域后重新沿均匀线传输时，与进入不连续性区域之前有所不同，时延效应将产生相位上的变化，而不连续处存在的损耗将产生信号幅度上的变化。,3.2微带集成电路中的不连续性,微带线不连续性等效电路分析方法： 假设微带线上传输的TEM模，且不连续区域远小于工作波长，分析方法可以分为三个步骤：,场结构分析，确定是容性还是感性,确定合适的电路模型,用数学或实
4、验方法确定元件值,3.2微带集成电路中的不连续性,下变频器,微带集成电路中不连续性类型： 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;,3.2.2微带线的开路端/截断端,/4开路线; 微带到波导探针过渡; 微带线匹配枝节; ,3.2.2微带线的开路端/截断端,开路线缩短效应，长度为l;,边缘电荷积聚（C）； 过剩电荷相关的电流流动（L）； 能量辐射（R）； 介质板内外的表面波（厚基板）。,3.2.2微带线的开路端/截断端,3.2.3微带线的阶梯跳变,两条不同特性阻抗微带线的连接点，低特性阻抗线的电流密度变小，导致面电荷密度也较少。,微带
5、宽度跳变区域电流示意图和等效电路,3.2.3微带线的阶梯跳变,E面:与电场矢量平行的平面,H面:与磁场矢量平行的平面,对偶波导模拟法,3.2.3微带线的阶梯跳变,3.2.4微带间隙,微带间隙及其等效电路,两条微带通过一个串联电容； 两条微带的截断端与导体衬底之间等效于各并联一个电容,由于这个 型网络是对称的，所以可以采用下列两个条件进行求解： 一、两条微带线对称馈电，使两个截断端之间没有电压，即C2等于短路,3.2.4微带间隙,求偶模电容Ce,二、两条微带反对称馈电，这时候，C12等于两个串联，中心点等效为接地。,3.2.4微带间隙,求奇模电容Co,3.2.5微带线拐角,在拐角地区如同有一个并
6、联电容，路径的加长如同是两段短传输线或是两个电感。,直角拐角电流示意图和等效电路,微带匹配拐角（a）50欧姆；（b）任意宽度,3.2.5微带线拐角,直接的直角拐角会产生较大反射。为了减小反射，把拐角的外部切成 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。,3.2.6微带线T接头,微带T 型接头在微带电路中应用广泛，如分支线电桥等。,微带T接头等效电路,3.2.7微带线十字接头,微带线十字接头的设计资料不多，主要是实验的方法来确定其性能。,微带线十字接头及其等效电路,3.2.8微带线实现集总元件,1.串联电感和并联电容,一段无耗短传输线,若Zc大，则L大， C小可忽略,
7、等效为串联电感； 若Zc小，则C大， L小可忽略,可等效为并联电容.,当介质基片厚度一定时，微带宽度W，则Zc；,一段窄的短微带线可等效为串联电感； 一段宽的短微带线可等效为并联电容。,T型集总元件电路,（a）间隙电容 （b）交指电容（c）中心导体上的迭层电容,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,3. LC串联谐振电路,3.2.8微带线实现集总元件,在传输线上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。,L,C,3.2.8微带线实现集总元件,如果是一个串联谐振和一个接地的并联谐振相互级联，其响应又如何？,3.2.8微带线实现集总元件,
8、3.3 耦合微带线定向耦合器,3.3 .1 耦合微带线,距离较近的微带线之间都有能量耦合。,耦合微带线的结构,微带线之间的电耦合和磁耦合,当对任意一个口加以激励时，通过长度为l的线间耦合， 如何求得主线和辅线（不加信号源的线）的各个引出口的响应？,3.3 .1 耦合微带线,耦合微带线的分析方法,耦合微带线中奇、偶模的场结构,1、2两口输入一对相互对称的信号，如两个相同的电压U,1、2两口输入一对相互反对称的信号，如两个幅度相等、相位相反的电压U与-U,四口网络的问题就可以作二口网络来分析,3.3 .1 耦合微带线,当然，奇偶模激励只是一种特殊情况，在一般情况下并不是奇偶模激励。但是在口1、2上
9、，任意一对输入电U1，U2，总可以分解成一对奇偶模分量，并使U1等于两分量之和， U2等于两分量之差。,3.3 .1 耦合微带线,故而得到：,必须注意的是： （1）奇偶模激励时，由于边界不同，场结构不同，耦合线上的状况及其参量是不相同的，必须先分解成奇偶模各自求解，最后将结果进行叠加后才是耦合线的解。 （2）对解对称四口网络的问题，利用线性网络叠加原理，都可以采用奇偶模分析法加以简化分析。,3.3 .1 耦合微带线,3.3.2 耦合微带线定向耦合器,1. 平行耦合微带线定向耦合器,主线,副线,锯齿形定向耦合器实例,3.3.2 耦合微带线定向耦合器,均匀介质填充的耦合微带线定向耦合器分析,3.3
10、.2 耦合微带线定向耦合器,微带平行耦合线定向耦合器,微带平行耦合线定向耦合器等效电路,由端口输入的信号一部分传至端口，一部分耦合至副线由端口输出，端口无输出。,设口接电压源1V，口均接匹配负载Z0，于是，除口外，其余三口仅存在出射波b2,b3,b4, 1口的反射波为b1,于是各端口电压:,3.3.2 耦合微带线定向耦合器,由于耦合微带线在结构上具有对称性，因而可采用奇、偶模概念和叠加原理，把定向耦合器分解为二个四端网络来分析。把偶模和奇模工作状态的电压、电流叠加起来，即得各路总电压和总电流。,3.3.2 耦合微带线定向耦合器,奇偶模激励电压为：,偶模激励时：,其中，oe和Toe为偶模激励时的
11、电压反射系数和传输系数,奇模激励时：,3.3.2 耦合微带线定向耦合器,其中，oo和Too为偶模激励时的电压反射系数和传输系数,利用线性叠加原理，各端口的电压为：,3.3.2 耦合微带线定向耦合器,为使平行耦合线构成完全匹配的反向定向耦合器，必须有,3.3.2 耦合微带线定向耦合器,耦合微带线定向耦合器完全匹配和完全隔离条件,任意频率上的耦合系数为,3.3.2 耦合微带线定向耦合器,传输系数,3.3.2 耦合微带线定向耦合器,定向耦合器的技术指标 （1）耦合度：,3.3.2 耦合微带线定向耦合器,（2）定向性：,（3）隔离度：,例：设计一个耦合微带线定向耦合器，其中心频率为750MHz，耦合为
12、10dB。,3.3.2 耦合微带线定向耦合器,3.3.2 耦合微带线定向耦合器,计算得W=2.38mm,S=0.31mm, P=57.16mm,且50微带线宽度W50=2.92mm,实际耦合微带线耦合器需考虑的问题：,3.3.2 耦合微带线定向耦合器,（2）制造公差的影响,（1）非均匀填充介质导致的奇偶模相速不等对定向性的影响.,改善耦合微带线定向耦合器方向性的方法,3.3.2 耦合微带线定向耦合器,曲折线定向耦合器,介质加载定向耦合器,由于把耦合区的直线边界改变成折线边界，使耦合区加长，两根线的分布电容加大，从而使奇模电容加大。,在耦合微带线的金属图案上，再加一块介质，它使两根微带线的分布电
13、容加大，从而使奇模电容加大。,一般来讲，考虑加工精度的影响，单个定向耦合器的耦合度较弱，C一般大于8dB，低于8dB则由于耦合间隙太小，工艺上难以实现。 方向性较差，一般隔离度不超过30dB，很多时候，由 可知，对于弱耦合的场合，方向性一般较差（几个dB）。,3.3.2 耦合微带线定向耦合器,如何实现高隔离度、强耦合定向耦合器？,3.3.2 耦合微带线定向耦合器,Lange耦合器,当要求紧耦合（耦合度小于6dB）时，可采用交指结构（交指数通常取4）,3.3.2 耦合微带线定向耦合器,3.3.2 耦合微带线定向耦合器,3.3.2 耦合微带线定向耦合器,3.3.2 耦合微带线定向耦合器,3.3.2
14、 耦合微带线定向耦合器,作业：用奇偶模分析法分析微带分支电桥,3,2,1,4,A,B,C,D,1输入，2、3输出，相位差90度； 4为隔离端口，无输出；,无耗T形结功分器,3.4 微带线三端口功率分配器,无耗三端口网络的三个端口无法实现同时匹配！,匹配条件,3.4 微带线三端口功率分配器,有耗T形结功分器,匹配条件,可实现三个端口的完全匹配！,3.4 微带线三端口功率分配器,有耗T形结功分器,损耗了一半功率,Wilkinson（威尔金森）功分器,3.4 微带线三端口功率分配器,三端口功分网络，可实现输出隔离和三个端口匹配,采用奇偶模分析,3.4 微带线三端口功率分配器,偶模激励,3.4 微带线
15、三端口功率分配器,2、3端口匹配,3.4 微带线三端口功率分配器,奇模激励,2、3端口匹配,3.4 微带线三端口功率分配器,3.4 微带线三端口功率分配器,3dB功率分配器具有： （1）等幅同相输出； （2）输出端口具有非常好的隔离度。,3dB Wilkinson功率合成器,3.4 微带线三端口功率分配器,3.4 微带线三端口功率分配器,3dB Wilkinson功率合成/分配器应用,3.4 微带线三端口功率分配器,Wilkinson不等分功分器,3.4 微带线三端口功率分配器,隔离电阻R计算,3.4 微带线三端口功率分配器,隔离,3.4 微带线三端口功率分配器,3.4 微带线三端口功率分配器,Wilkinson不等分功分器设计公式,例1：设计一个二等分功分器，f=3GHz，输入输出阻抗50，画出结构示意图，并简要考虑对不连续性的修正。（选取介质基片介电常数r=9.6，基片厚度h=0.5mm，金属图案层厚度t=0.005mm）。,3.4 微带线三端口功率分配器,3.4 微带线三端口功率分配器,对于端口1来说，实际上相当于一个1/4波长阻抗变换器，其相对带宽较窄。,宽带设计,例2：设计一X波段功率分配合成网络： 工作频率：8-12GHz 驻波比：1.5（ 14dB） 差损：1dB,3.4 微带线三端口功率分配器,（1）选择基片材料,(2)方案选择,
