微波毫米波电路分析与设计--第一章-下PPT课件.ppt

1南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系1.6 微带线谐振器微带线谐振器 用微带传输线结构构成的谐振器一般用一段用微带传输线结构构成的谐振器一般用一段终端开路终端开路或或短路短路微微带线构成。由于电磁波在终端全反射，在微带传输线上形成驻波，带线构成。由于电磁波在终端全反射，在微带传输线上形成驻波，发生谐振，贮存能量，故可构成谐振器。发生谐振，贮存能量，故可构成谐振器。1.6.1 终端终端短路短路微带线谐振器微带线谐振器根据传输线理论，终端短路的有限长微带线，其归一化输入阻抗为：根据传输线理论，终端短路的有限长微带线，其归一化输入阻抗为：当终端短路时，有当终端短路时，有 2南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系微带线谐振器当当时，即半导内波长的整数倍，其输入阻抗为：时，即半导内波长的整数倍，其输入阻抗为：由于微带线衰减很小，故由于微带线衰减很小，故 相当于串联谐振，为半波长串联谐振器。相当于串联谐振，为半波长串联谐振器。当当 时，即四分之一导内波长的奇数倍，其输入阻抗为：时，即四分之一导内波长的奇数倍，其输入阻抗为：由于微带线衰减很小，故由于微带线衰减很小，故 相当于并联谐振，为四分之一波长并联谐振器相当于并联谐振，为四分之一波长并联谐振器 。3南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系微带线谐振器1 1 半波长串联谐振器半波长串联谐振器 半波长串联谐振器等效电路半波长串联谐振器等效电路无载品质因数：无载品质因数：4南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系微带线谐振器2 2 四分之一波长并联谐振器四分之一波长并联谐振器 1.6.2 终端终端开路开路微带线谐振器微带线谐振器 由于终端开路传输线与终端短路传输线互为对偶关系，半波由于终端开路传输线与终端短路传输线互为对偶关系，半波长终端开路线相当于并联谐振而四分之一波长终端开路线相当于长终端开路线相当于并联谐振而四分之一波长终端开路线相当于串联谐振。串联谐振。1.6.3 其它平面结构谐振器其它平面结构谐振器 在混合微波集成电路中，经常采用的平面谐振器还有其它几种在混合微波集成电路中，经常采用的平面谐振器还有其它几种形式。形式。5南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系 微带圆形谐振器（也称为介质径向线谐振器）微带圆形谐振器（也称为介质径向线谐振器），即介质基片上面的，即介质基片上面的导体带是圆形或椭圆形，与接地板之间形成谐振腔，这种谐振器可以较导体带是圆形或椭圆形，与接地板之间形成谐振腔，这种谐振器可以较方便与微带线耦合，其固有品质因数一般较高。可应用于微波半导体振方便与微带线耦合，其固有品质因数一般较高。可应用于微波半导体振荡器中的谐振回路。荡器中的谐振回路。导体圆导体圆盘盘接地板接地板介质基介质基片片接地板接地板导体圆导体圆环环介质基介质基片片金属层金属层介质基介质基片片槽缝槽缝接地板接地板微带圆形谐振器微带圆形谐振器微带圆环谐振器微带圆环谐振器槽线谐振器槽线谐振器微带环形谐振器微带环形谐振器，原理与上面类似。，原理与上面类似。微带槽线谐振器，微带槽线谐振器，它是在微带基板的一个金属覆盖面上用腐蚀的它是在微带基板的一个金属覆盖面上用腐蚀的办法制作出一定形状与尺寸的槽缝，暴露出介质，而另一面金属完全办法制作出一定形状与尺寸的槽缝，暴露出介质，而另一面金属完全腐蚀掉。腐蚀掉。微带线谐振器6南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系1.7 微带线滤波器微带线滤波器 微波滤波器是微波系统中非常重要的元件之一，它是微波放大器、微波滤波器是微波系统中非常重要的元件之一，它是微波放大器、振荡器、变频器、倍频器等电路的重要组成部分，掌握微波滤波器的振荡器、变频器、倍频器等电路的重要组成部分，掌握微波滤波器的原理与设计对于完成微波混合集成电路与单片集成电路的分析、设计原理与设计对于完成微波混合集成电路与单片集成电路的分析、设计及应用都有重要意义。及应用都有重要意义。微波滤波器可看作是一二端口网络，具有微波滤波器可看作是一二端口网络，具有选频选频的功能，可以的功能，可以分离分离阻隔频率，使得信号在规定的频带内通过或被抑制阻隔频率，使得信号在规定的频带内通过或被抑制。滤波器按其插入。滤波器按其插入衰减的频率特征来分有四种类型：衰减的频率特征来分有四种类型：v 低通滤波器低通滤波器v 高通滤波器高通滤波器 v 带通滤波器带通滤波器 v 带阻滤波器带阻滤波器 7南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系微带线滤波器8南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系微带线滤波器微波滤波器的微波滤波器的技术指标技术指标通常有以下几项：通常有以下几项：截止频率截止频率 频率范围和带宽频率范围和带宽 通带内最大衰减通带内最大衰减 一定带外频率下的带外衰减一定带外频率下的带外衰减 形状系数形状系数 寄生通带寄生通带 插入相移和时延频率特性插入相移和时延频率特性 品质因数品质因数 波纹波纹 微波滤波器的种类非常繁多，根据其采用的传输线类型可分为微波滤波器的种类非常繁多，根据其采用的传输线类型可分为波导类型、同轴线类型、带状线类型和微带线类型等。波导类型、同轴线类型、带状线类型和微带线类型等。滤波器的设计方法也多种多样，一般采用的是滤波器的设计方法也多种多样，一般采用的是综合法综合法，即，即先设计先设计出滤波器的低通原型，然后应用频率变换，推导出其它种类滤波器出滤波器的低通原型，然后应用频率变换，推导出其它种类滤波器的设计公式，最后用适当的元件和结构来实现的设计公式，最后用适当的元件和结构来实现。9南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系微带线滤波器1.7.1 微带线低通滤波器微带线低通滤波器 用微带结构实现原型电路中串联电感和并联电容的方法有三类：用微带结构实现原型电路中串联电感和并联电容的方法有三类：集总元件法、高低阻抗线法和开短路支线法。集总元件法、高低阻抗线法和开短路支线法。例：电感输入的五节低通滤波器的微带线图，截止频率例：电感输入的五节低通滤波器的微带线图，截止频率 ，通带内最大衰减通带内最大衰减 ，在，在 时带外衰减时带外衰减 ；输入、输出微带线特性阻抗为输入、输出微带线特性阻抗为 ；采用；采用RT/Dourid5880RT/Dourid5880基片材料。基片材料。1 12 2串联电感串联电感并联电容并联电容10南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系1.7.2 微带线带通滤波器微带线带通滤波器（a a）电容间隙耦合滤波器）电容间隙耦合滤波器（b b）耦合微带线滤波器）耦合微带线滤波器（c c）发夹线滤波器）发夹线滤波器（d d）短路支线滤波器）短路支线滤波器（e e）开路支线滤波器）开路支线滤波器微带带通滤波器的结构微带带通滤波器的结构微带线滤波器11南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系微带线滤波器Microwave Office 仿真模型：仿真模型：12南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系微带线滤波器1.7.3 微带线带阻滤波器微带线带阻滤波器（a a）耦合谐振器带阻）耦合谐振器带阻滤波器滤波器（b b）开路支线带阻滤）开路支线带阻滤波器波器（c c）耦合微带带阻滤）耦合微带带阻滤波器波器微带带阻滤波器的结构微带带阻滤波器的结构13南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系Microwave Office 仿真模型：仿真模型：微带线滤波器14南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系1.8 微带线阻抗变换器与阻抗匹配网络微带线阻抗变换器与阻抗匹配网络 它们的功能是把一个具有确定数值的阻抗，经过网络的作用，变它们的功能是把一个具有确定数值的阻抗，经过网络的作用，变换为另一个需要的阻抗。换为另一个需要的阻抗。设计匹配网络的方法很多，主要有两种方式：设计匹配网络的方法很多，主要有两种方式：通过阻抗与导纳圆通过阻抗与导纳圆图设计微带线阻抗图设计微带线阻抗（可进一步决定线宽）（可进一步决定线宽）及串并联线长度及串并联线长度，还可以采，还可以采用用网络综合法网络综合法。前一种方法一般适用于窄频带情况，后一种方法可在。前一种方法一般适用于窄频带情况，后一种方法可在预定的各种指标下设计出所需的阻抗匹配网络。预定的各种指标下设计出所需的阻抗匹配网络。在低于在低于1GHz1GHz频率下，阻抗变换器频率下，阻抗变换器一般由集总参数元件构成，最简单的一般由集总参数元件构成，最简单的阻抗匹配网络一般是由电感和电容组阻抗匹配网络一般是由电感和电容组成的成的两元件网络两元件网络。当系统的工作频率提高到几个当系统的工作频率提高到几个GHzGHz范围，一般可以采用集总和分布参数混范围，一般可以采用集总和分布参数混合结构合结构.15南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系微带线阻抗变换器与阻抗匹配网络集总两元件匹配网络阻抗变换过程示意图集总两元件匹配网络阻抗变换过程示意图16南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系微带线阻抗变换器与阻抗匹配网络集总、分布参数混合网络阻抗变换过程示意图集总、分布参数混合网络阻抗变换过程示意图17南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系1.8.1 1.8.1 四分之一波长阻抗变换器四分之一波长阻抗变换器 微带线阻抗变换器与阻抗匹配网络 根据传输线理论，其输入阻抗为纯电阻根据传输线理论，其输入阻抗为纯电阻 ，取，取 ，完成了完成了 到到 的变换。这种阻抗变换机构一般只能对纯电阻性负载有效的变换。这种阻抗变换机构一般只能对纯电阻性负载有效.对于任意负载对于任意负载 ，使用两种方案先完成到，使用两种方案先完成到 的变化。的变化。方案一：方案一：方案二：方案二：18南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系微带线阻抗变换器与阻抗匹配网络1.8.2 四分之一波长阶梯阻抗变换器四分之一波长阶梯阻抗变换器 为加宽带宽，常采用多节阶梯阻抗变换器：为加宽带宽，常采用多节阶梯阻抗变换器：1.8.3 渐变线渐变线阻抗变换器阻抗变换器 19南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系微带线阻抗变换器与阻抗匹配网络1.8.4 单株线阻抗变换器单株线阻抗变换器 单株线阻抗变换器是依靠调整与主传输线相并联（或串联）的单株线阻抗变换器是依靠调整与主传输线相并联（或串联）的终端短路（或开路）支线的长度及在主线上的接入位置（或主传输终端短路（或开路）支线的长度及在主线上的接入位置（或主传输线长度）来实现预定的阻抗变换的。对于微带类型的微波电路来说，线长度）来实现预定的阻抗变换的。对于微带类型的微波电路来说，经常采用的是所谓的经常采用的是所谓的 形形或或反反 形形结构。结构。形阻抗变换器形阻抗变换器 反反 形阻抗变换器形阻抗变换器 20南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系微带线阻抗变换器与阻抗匹配网络形阻抗变换器形阻抗变换器 设计参数有四个：主线和支线的长度，主线和支线的特性阻抗（取决设计参数有四个：主线和支线的长度，主线和支线的特性阻抗（取决于主线和支线线宽）。设计中既可以确定特性阻抗而调整线长，又可以根于主线和支线线宽）。设计中既可以确定特性阻抗而调整线长，又可以根据固定线长而仅调整特性阻抗。据固定线长而仅调整特性阻抗。利用阻抗（导纳）圆图，设计线长度利用阻抗（导纳）圆图，设计线长度 和和 ：1.1.设设 ，在主线圆图上标注出对应于，在主线圆图上标注出对应于 和和 归一化值的归一化值的 和和 ，分别为阻抗变换的出发点和目标点，分别为阻抗变换的出发点和目标点，2.2.画出通过画出通过 点的等反射系数圆点的等反射系数圆，则，则 应在圆应在圆上；画出通过点上；画出通过点 的的等电导圆等电导圆，由于终端开路或短路支线并联于主线，而且从主线看去，由于终端开路或短路支线并联于主线，而且从主线看去的输入阻抗为纯电抗，故也应在圆的输入阻抗为纯电抗，故也应在圆上。圆上。圆和圆和圆的交点有两个，的交点有两个，取其中一个认为是点取其中一个认为是点 ，这样主线长度即是从，这样主线长度即是从 出发、沿圆出发、沿圆、向信、向信号源方向旋转、到达号源方向旋转、到达 点的对应长度，点的对应长度，21南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系微带线阻抗变换器与阻抗匹配网络3.3.设采用终端短路支线作为并联于主线上的株线，可在支线圆图上标出设采用终端短路支线作为并联于主线上的株线，可在支线圆图上标出 支线负载阻抗支线负载阻抗 对应点，并在其上画出通过对应点，并在其上画出通过 点的等反射系数圆点的等反射系数圆。从主线圆图上可求出从主线圆图上可求出 和和 对应的电纳差，此电纳差即应该是支线输对应的电纳差，此电纳差即应该是支线输 入阻抗对应的归一化电纳，在支线圆图上画出此归一化电纳对应的等入阻抗对应的归一化电纳，在支线圆图上画出此归一化电纳对应的等 电纳圆电纳圆。圆。圆与圆与圆的交点对应阻抗即为的交点对应阻抗即为 。这样支线长度即是从。这样支线长度即是从 出发、沿圆出发、沿圆、向信号源方向旋转、到达、向信号源方向旋转、到达 点的对应长度。点的对应长度。4.4.应注意本问题还有另外一组解，即应注意本问题还有另外一组解，即 点的另外一个位置，求解过程与点的另外一个位置，求解过程与前类似。支线当然也可选取开路终端负载，其对应支线长度也可以很前类似。支线当然也可选取开路终端负载，其对应支线长度也可以很容易从支线圆图上求得。容易从支线圆图上求得。22南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系微带线阻抗变换器与阻抗匹配网络23南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系微带线阻抗变换器与阻抗匹配网络 24南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系微带线阻抗变换器与阻抗匹配网络设计线特性阻抗设计线特性阻抗 和和 ：设设 、，则有：，则有：其正负号取决于支线是短路还是开路终端其正负号取决于支线是短路还是开路终端 设设 、，则有：，则有：假设采用终端开路支线可有：假设采用终端开路支线可有：25南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系微带线阻抗变换器与阻抗匹配网络反反 形阻抗变换器形阻抗变换器 26南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系1.8.5 滤波阻抗变换器滤波阻抗变换器 它的设计思路及结构形式和一般滤波器是基本相同的，主要不同之它的设计思路及结构形式和一般滤波器是基本相同的，主要不同之点仅在于一般滤波器的输入输出阻抗相等和接近相等，但滤波阻抗变换点仅在于一般滤波器的输入输出阻抗相等和接近相等，但滤波阻抗变换器的输入输出阻抗可大不相同，在设计时器的输入输出阻抗可大不相同，在设计时有意把滤波器的两端阻抗设计有意把滤波器的两端阻抗设计成要求值成要求值即可。即可。1.9 微带线平衡不平衡转换器微带线平衡不平衡转换器 平衡平衡-不平衡转换器简称为不平衡转换器简称为“巴仑巴仑”，即，即BALanced-UNbalanced transformer，缩写为，缩写为BALUN。它的作用是将高频信号从单端输入。它的作用是将高频信号从单端输入变成平衡输出，并完成阻抗匹配功能。变成平衡输出，并完成阻抗匹配功能。27南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系巴仑低频电路巴仑低频电路2 2 巴仑初级的一端是接地的，巴仑初级的一端是接地的，初级是不平衡端口。巴仑次级初级是不平衡端口。巴仑次级2 2和和3 3两端都不接地，对地都具有两端都不接地，对地都具有高阻抗，因而次级是平衡端口。高阻抗，因而次级是平衡端口。当初级两端与地之间都接有负载当初级两端与地之间都接有负载电阻时，它们对地产生的电压大电阻时，它们对地产生的电压大小相等而方向相反。小相等而方向相反。改变变压器的变比改变变压器的变比 可使输入电阻与信号源电阻可使输入电阻与信号源电阻 相等而达到匹配。相等而达到匹配。巴仑的线路和结构随工作波段和电路形式不同而不同，有同轴线巴仑的线路和结构随工作波段和电路形式不同而不同，有同轴线结构、微带线结构等，在平衡类型的微波混频器、放大器等电路中有结构、微带线结构等，在平衡类型的微波混频器、放大器等电路中有重要作用。重要作用。微带线平衡不平衡转换器28南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系上金属带上金属带微带线平衡不平衡转换器1.9.1 双面微带线巴仑双面微带线巴仑1 1介质夹心介质夹心横向剖面图横向剖面图双面微带线巴仑双面微带线巴仑上金属带上金属带下金属带下金属带介质基片（介质基片（）屏蔽盒屏蔽盒2 23 3上金属带上金属带下金属带下金属带纵向立体图纵向立体图1 12 2渐变微带线巴仑渐变微带线巴仑1 1介质夹心介质夹心2 23 3下金属带下金属带29南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系1.9.2 共面微带线巴仑共面微带线巴仑微带线平衡不平衡转换器1 12 2共面微带线及共面微带线巴仑共面微带线及共面微带线巴仑介质基片介质基片中心带中心带地板地板地板地板平衡输出口平衡输出口下地板下地板微带线输入微带线输入不平衡端口不平衡端口金属化接地孔金属化接地孔腐蚀掉区域腐蚀掉区域3 330南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系第一章第一章 作业作业补充题补充题：试给出微带线三端口功率分配耦合器、微带环形电桥试给出微带线三端口功率分配耦合器、微带环形电桥（1801800 0电桥）和分支线电桥（电桥）和分支线电桥（90900 0电桥）的结构示意图，并电桥）的结构示意图，并分别简述其工作原理。分别简述其工作原理。第二章第二章