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1、微波电路与器件1.耦合器传输线和集总参数元 件1.1 耦合传输线特性及应用 耦合线是平行放置的、靠得很近的两根传 输线构成。传输线之间就存在着连续的耦 合。在定向耦合器、滤波器、移相器、变换器 、匹配网络等电路中，广泛地用作基本件 。 1.1.1耦合微带线 图1为结构示意图， 其中w为导体带条 的宽度，H为介质基片的厚度，r为介质 基片的介电常数， 设图示微带线的特性 阻抗为Zo，有效介电常数为re 1.1.2 单根微带线的分析与综 合1.1.2.1单根微带线的分析： 由w/h、r 求z。 、re;1.1.2.2由z。、re求w/h、r :1.13 耦合徽带线的分析与综 合 耦合微带线,s为耦
2、台微带线之间距。耦台微带线的 奇模阻抗为Zoe，偶模阻抗为Zoo 。 根据下式计算“单根”微带线的特性阻抗：a) (Zoo)s = Zoo /2, (Zoe)s= Zoe /2 b)利用单根微带线综合公式(1)、(2)计算（Zoe)s 、 (Zoo) s 对应的尺寸: (W/h)so.(W/h)se; c)代入下面两式计算耦合微带线尺寸: W/h和S/h1.1.4 耦合徽带线的优化计算 例1:10dB 耦合器，r =2.6,C=-10dB =10-10/10 =0.1, Zoo=45, Zoe=55; Serenad: 初值尺寸 1.1.5 窄带耦合带状线特点： 超宽频带(一般可达45倍频)；
3、 耦合度平坦的特点:起伏不超过土2dB； 不及微带耦合器简便,但加工较宽边耦合简单 ； 屏蔽效果较好.1.1.5.1 带状线耦合器综合设计的解析公 式 1）由耦合器的阻抗：Xo、Xe 为对应 、 的变量，统称x 2）可以x 表示椭圆函数的自变量k ： 3）最后，综合表示尺寸wh、s/h、1.1.5.3 用软件设计的耦合 器 例2:用介电常数r =96,b=2mm、铜箔厚 t=0.018mm 的介质板设计带线耦合器， 在三个频段内，以45倍频的范围内计算 4种典型的弱耦舍 15dB、20dB、25dB、 30dB。1.1.6 宽边耦合带状线 适合于强、弱、中等一切耦合器，具有定 向性高、屏蔽好等
4、特点例:3dB耦合器：频率1.8-2.4GHz,1.2 集总参数元件1.2.1 集总参数元件简明设计原理 一般集总参数元件的尺寸比其工作波长要 小,小于/10. 集总参数元件: 尺寸小、价格低、宽带、 适合于单片MIC集成电路。1.2.1电感器设计公式及实例 集总参数电感器用一小段短路线(ZL=0） ，其输入阻抗表示为：Zin=ZOLl=R+jL= jL 可以用金属线、带线来实现低电感，典型值 2-3nH; 螺旋电感具有较高的Q值和较高的电感量， 一般0.5-5nH。 1.2.2.1电感器设计公式及实 例1)计算电感的近似公式，手工计算的零阶, 估计为：误差正确值的30 以内。 2)误差近似为
5、5(与用场理论计算相比)的近 似公式：电感器设计公式及实例 例4:平面螺旋电感的匝数n=2.751.2.3常用电容器设计实例 集总参数电容可看成一段开路传输线， YLY=0），其输入阻抗表示为：Yin=Yol=G+jC= jC 可以用微带片状结构来实现低电容，典型值 20 dB.4.3.2多节耦合器： 三级最大平坦型耦合器 单节平行线定向耦合器优点； 满足宽带要求，必须采用多节平行耦合线 结构或耦合渐变线结构。 多节平行耦合线定向耦合器的综合是以单 节为基础。 多节平行耦合线定向耦合器有对称型和非 对称型两类不同结构。4.3.2.1三级最平坦型耦合器的一 种综合技术 设计步骤： 1）f0处驻波
6、比R,总偶合系数C0:R=( C0 +1)/(1- C0）阶梯驻波V1 、V2: 2)四分之一波长滤波器的阶梯阻抗: 3)各级奇偶模阻抗: 4)根据奇偶模阻抗,求各级耦合线尺寸,作为 初值,进行优化计算例20:频率:1.2-1.4GHz,耦合度:10dB, C0=- 10dB=0.14.3.3多导体耦合器（交指耦 合器 LANGE桥,多指耦合器或多导体偶合器,通 常设计三分贝电桥,输出相位是正交的. 交指线型是紧耦合、集成度最高、方向性 最好、频带最宽的一种新型徽带耦器 优点:体积小、便于微带电路集成. 缺点:金丝球焊接。例21:L波段的3分贝桥,优化结果:采用4指结 构,也可6 、8 指。
7、1)耦合度求指数 2）仿真4.4 高定向性耦合器方法 （利用屏蔽.加补偿电容、覆加介质 ） 4.4.1利用屏蔽 在平行耦合微带线的上部加接地屏蔽，使 大量的场分布在耦合微带线上的空气介质 中。 缺点：加工困难，精度难以控制。 4.4.2补偿电容 直接补偿奇模电容，使奇偶模电容相等，即增加 奇模相角，使奇偶模电长度相等，输出到隔离的 能量抵消。 提高定向性，必须补偿奇偶模相速，加补偿电容 ，具体实现方式加叉指电容。4.4.3利用介质重叠 在平行耦合微带线的上部覆盖一层与微带线 相同的介质，使奇偶模电容相等。 缺点：加工难度增加，可以用多层板解决。5.Wilkinso耦合器、功分器 5.1 Wil
8、kinso功率分配器设计原理及应用 当需要把输入功率、按一定的幅度比、相 位要求分配成若干路输出，或几路功率按 一定幅相要求合成一路，这需要一多端口 网络-功率分配器/合成器，同时器件的输 入/输出驻波、器件使用前后的能耗不大。 主要应用： 通常两种实现方式，并馈多路功分器：简单功分器、隔离功 分器。5.1.1Wilkinso功率分配器设计要求 ： 1）按要求（幅度、相位）分配功率； 2）输入/输出端口匹配； 3）输出端间良好的隔离；5.1.2一分二不等功率分配器 设计原理 公式：算出各级1/4波长的特性阻抗Z0i（其 中k2为端口的功率比） 5.1.3大型Wilkinso功分网络 设计步骤及
9、实例 5.1.3.1功分网络设计步骤 : 1)根据网络的分布要求（数值分布）计算网 络拓扑图。 2)计算每级功率分配器单元的阻抗。 3)选择合适的实现方式。 4)用serenade软件的模拟仿真各级分配器 单元。 5)在AUTO CAD软件上画出所需的功率分 配网络。 6)将AUTO CAD软件画出的功率分配网络 图导入Desinger 软件，计算网络最终性 能。 7)LAYOUT 输出到AUTO CAD，直接出图 。 5.1.3.2大型Wilkinso功分网络 设计实例 实例22:设计P波段的一分十三不等功率分配 网络. 特点：采用一级隔离电阻，一级阻抗匹配段 ，可以节省四分之一波长线,降低
10、损耗。5.1.3.3总结及本例特点 特点: 1)拓扑图中给出了各级电路的功分比、线宽 及隔离电阻值； 2)该布局主要是综合考虑级数少和同一功分 器分配比小得到。 3)网络误差分析。6.滤波器 微波滤波器在微波毫米波通信、卫星通信 、雷达、导航、制导、电子对抗、测试仪 表等系统中都有着广泛的应用，简单地说 滤波器就是允许需要的频率信号以地损耗 通过，不需要的频率信号以高隔离被阻挡 。6.1滤波器低通原型的几种响应 形式 6.1.1最平坦响应 特点：插损频响在零频点有最高阶数的频 率导数为零，中心频率附近损耗最小，带 外抑制度随频率而尽快的单调增加。工作 频带窄 。6.1.2切比雪夫响应 特点：通
11、带内损耗小于指定值，通带较宽 ，有一定的等波纹损耗，带外抑制度随频 率而尽快的单调增加。6.1.3椭圆函数响应 特定：与最平坦响应、切比雪夫响应相比 ，椭圆函数响应有一定的衰减峰，不像切 比雪夫响应滤波器那样有单调增长的衰减 值，它有更陡的阻带边缘，衰减更快。6.1.4几种滤波器比较 椭圆函数响应滤波器，它有更陡的阻带边 缘，衰减更快。 最平坦响应函数，在通带内可以得到平坦 的幅频响应， 选用Tchebychef响应。 微带滤波器具有尺寸小、重量轻、成本低 、易加工等优点，在微波平面电路和微波 集成电路(MIC)中得以广泛应用。6.2滤波器设计实例 6.2.1两极点滤波器 例23：中心频率为f
12、o=10GHz； 带宽为f=1GHz； 带内插损为LA 一3dB，Sll一20dB； 带外抑制：频带两端fofo 20(即0 8GHz和12GHz)处，S2l一50dB； 带内波纹：05dB。6.3.3梳状线带通滤波器 滤波器对高Q值、窄通带、宽阻带滤波器 的要求越来越高。 滤波器窄通带的设计也是以增大损耗为代 价的。 减少辐射损耗成为窄通带滤波器设计的关 键； 以梳状导体杆来实现窄带高Q滤波器设计. 输入、输出端口耦合用抽头形式。 实现准同轴线的谐振线元,可以是矩形杆, 也可以是圆杆.6.3.3.1梳状线带通滤波器原 理 概述及特点： 1)每个线元的一半与相邻的线元的一半构 成同端接地的平行
13、偶合线。 2)每条谐振器与地之间的自电容由三部分 组成： 3)线0、n+1是末端阻抗变换器； 4) 用抽头线输出； 5)谐振线导纳Yaj，滤波器有最佳无载Q值 。 6) 通常的设计方式. 7)滤波器中导体的自电容计算 8)集总电容Cs1。 9)结构实现时, 集总电容调协区足够长,且 不占滤波器体积.6.3.3.2梳状线带通滤波器公 式 1选定滤波器的水平导纳Yaj/ YA，（一 般Yaj/YA=0.677）；计算滤波器的导纳倒 置变换器的电纳斜率参数：2计算导纳倒置变换器的特性导纳：梳状线带通滤波器公式 3计算每条线与地之间的单位长度的归 一化电容：梳状线带通滤波器公式 4.相邻线元间的单位长
14、度互电容： 5集总电容： 6滤波器中各导体单位长归一化自电容 和相邻杆间单位长归一化互电容，可进一 步计算滤波器每一个导体杆的具体几何尺 寸W、S。根据不同结构的滤波器选择不 同的公式或软件。 例26：设计一个带通滤波器,fo中心频率 1.3GHz,频响:切比雪夫式,波纹0.1dB,带宽 :0.13GHz衰减40dB点(fo0.2)GHz。6.小信号放大器设计 放大器是微波电路中的增益器件，是电路 中在需要的频率提高射频能量的器件。 功率增益：传递到负载的功率与从源到网 络的资用功率之比。 当网络在输入、输出端口共轭匹配时，器 件获得最大单项功率增益，称为资用功率 。 设计一个单级放大器：设计
15、一个 输入匹配 网络使s0，设计一个 输出匹配网络使 L0，且在所有频率上稳定。6.1小信号放大器设计1 噪声系数,任意网络的噪声系数：F=输入端信噪比/输出端信噪比 N级串联放大器的噪声计算：FF1+(F2 -1)/ G1 +(F3 -1)/G1 G2 +(F4 - 1)/G1 G2 G3.6.1小信号放大器设计 例27：一个两级串联放大器，第一级的增 益和噪声系数分别为9dB和2dB,第二级的 增益和噪声系数分别为10dB和3dB，计 算总噪声系数。6.1小信号放大器设计2 稳定性判别： 对应于任意ZL的输入反射系数in和对应于 任意ZS的输出反射系数out6.2小信号放大器设计 小信号微波晶体管放大器设计,根据对放大 器提出的技术指标完成对输入输出匹配网 络的设计。 低噪声匹配网络是一定程度失配的网络。 低噪声放大器设计步骤： 1）按照电路性能（增益、噪声系数）要 求选定管子， 2）计算稳定性，判定稳定性： 3）设计匹配网络。低噪声匹配网络的设 计应从输入匹配网络开始逐步向后设计。 s=opt L=2例28: 性能指标要求：噪声系数NF1.3dB ，可用增益GA30dB；工作中心频率f0; 噪声系数端口驻波比1.5；带宽Bf： 20MHz Thanks!
