微波電路的核心問題

1、微波電路的核心問題Key Problems of Microwave Circuits微波電路的核心問題 多年來多年來, 射頻射頻/微波技術(shù)給人們的印象是抽象微波技術(shù)給人們的印象是抽象的概念和繁瑣的公式。相關(guān)課程被通信、的概念和繁瑣的公式。相關(guān)課程被通信、電子工程專業(yè)學(xué)生稱為電子工程專業(yè)學(xué)生稱為“殺手殺手”課課 如何掌握專業(yè)課程的核心知識如何掌握專業(yè)課程的核心知識, 為畢業(yè)后盡為畢業(yè)后盡快適應(yīng)技術(shù)工作奠定良好的基礎(chǔ)快適應(yīng)技術(shù)工作奠定良好的基礎(chǔ), 是應(yīng)該認(rèn)是應(yīng)該認(rèn)真研究的基本問題真研究的基本問題 微波電路的微波電路的核心問題核心問題是正確處理電路的阻是正確處理電路的阻抗、頻率和功率的關(guān)系抗、頻率

2、和功率的關(guān)系, 射頻射頻/微波電路的根微波電路的根本是能量的傳輸或變換本是能量的傳輸或變換微波電路的核心問題 微波電路的核心問題是正確處理電路的阻微波電路的核心問題是正確處理電路的阻抗、頻率和功率的關(guān)系抗、頻率和功率的關(guān)系, 射頻射頻/微波電路的根微波電路的根本是能量的傳輸或變換。本是能量的傳輸或變換。 Maxwell 方程是射頻方程是射頻/微波的基本理論微波的基本理論, Maxwell方程的求解或數(shù)值計算是解決射頻方程的求解或數(shù)值計算是解決射頻/微波電路的基本方法。但是微波電路的基本方法。但是, 工程中能夠嚴(yán)工程中能夠嚴(yán)格求解的問題是十分有限的。尤其是有源格求解的問題是十分有限的。尤其是有源

3、器件、材料、結(jié)構(gòu)和工藝特性器件、材料、結(jié)構(gòu)和工藝特性, 實(shí)際中無法實(shí)際中無法嚴(yán)格把握嚴(yán)格把握, 難于體現(xiàn)在計算過程中。因此射難于體現(xiàn)在計算過程中。因此射頻頻/微波電路的實(shí)驗(yàn)調(diào)整必不可少。微波電路的實(shí)驗(yàn)調(diào)整必不可少。微波電路的核心問題 解決工程問題的有效方法是微波網(wǎng)絡(luò)方法解決工程問題的有效方法是微波網(wǎng)絡(luò)方法 散射參數(shù)散射參數(shù)S概念清晰概念清晰,不追究電路內(nèi)部的電不追究電路內(nèi)部的電磁場結(jié)構(gòu)磁場結(jié)構(gòu), 利用等效電路對波能量的傳輸和利用等效電路對波能量的傳輸和反射概念反射概念, 能夠方便的進(jìn)行電路設(shè)計和調(diào)試。能夠方便的進(jìn)行電路設(shè)計和調(diào)試。 場論及計算是解決射頻場論及計算是解決射頻/微波的一種方法微波的

4、一種方法, 不不等于微波的全部等于微波的全部, 在射頻在射頻/微波電路工程實(shí)際微波電路工程實(shí)際中中, 無需拘泥于電磁場方程無需拘泥于電磁場方程, 而是要在正確而是要在正確的概念引導(dǎo)下的概念引導(dǎo)下, 完成各個電路單元的功能。完成各個電路單元的功能。微波電路的核心問題 射頻射頻/微波電路是構(gòu)成通信系統(tǒng)微波電路是構(gòu)成通信系統(tǒng), 雷達(dá)系統(tǒng)和雷達(dá)系統(tǒng)和其它微波應(yīng)用系統(tǒng)中的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的其它微波應(yīng)用系統(tǒng)中的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的關(guān)鍵部件。經(jīng)過半個多世紀(jì)的發(fā)展關(guān)鍵部件。經(jīng)過半個多世紀(jì)的發(fā)展, 各種電各種電路的原理日趨成熟路的原理日趨成熟, 結(jié)構(gòu)形式多樣?，F(xiàn)代微結(jié)構(gòu)形式多樣。現(xiàn)代微電子技術(shù)和電子材料的不斷進(jìn)步電子

5、技術(shù)和電子材料的不斷進(jìn)步, 使得各類使得各類接收機(jī)和發(fā)射機(jī)的體積越來越小接收機(jī)和發(fā)射機(jī)的體積越來越小, 功能越來功能越來越強(qiáng)。越強(qiáng)。微波電路的核心問題 最典型的是個人無線通信最典型的是個人無線通信, 也就是手機(jī)?？梢哉f也就是手機(jī)?？梢哉f, 手機(jī)代表了當(dāng)今世界科學(xué)領(lǐng)域的各種成就。在這手機(jī)代表了當(dāng)今世界科學(xué)領(lǐng)域的各種成就。在這個小小的塑料盒內(nèi)個小小的塑料盒內(nèi), 集中反映了在電源及電源使集中反映了在電源及電源使用效率、數(shù)字電路、模擬電路、半導(dǎo)體技術(shù)、信用效率、數(shù)字電路、模擬電路、半導(dǎo)體技術(shù)、信號處理、材料科學(xué)、結(jié)構(gòu)工藝等領(lǐng)域的人類智慧號處理、材料科學(xué)、結(jié)構(gòu)工藝等領(lǐng)域的人類智慧, 這些內(nèi)容的核心是射頻

6、這些內(nèi)容的核心是射頻/微波模擬電路。微波模擬電路。 可以想象可以想象: 射頻射頻/微波技術(shù)的革新發(fā)展是永恒的微波技術(shù)的革新發(fā)展是永恒的, 電電路的基本單元是不變的。路的基本單元是不變的。微波電路的核心問題 射頻射頻/微波電路可分為以下三大類微波電路可分為以下三大類 微波無源電路微波無源電路: 如金屬諧振腔濾波器、介質(zhì)腔如金屬諧振腔濾波器、介質(zhì)腔體濾波器、微帶濾波器、功率分配器、耦合器、體濾波器、微帶濾波器、功率分配器、耦合器、程控衰減器等。程控衰減器等。 微波有源電路微波有源電路: 如微波放大器、微波振蕩器、如微波放大器、微波振蕩器、微波調(diào)制解調(diào)器、開關(guān)、移相器、混頻器、倍微波調(diào)制解調(diào)器、開關(guān)

7、、移相器、混頻器、倍頻器、頻率合成器頻器、頻率合成器, 功率放大器等。功率放大器等。 T/R 組件組件: 由上述多種元器件構(gòu)成的微波發(fā)射由上述多種元器件構(gòu)成的微波發(fā)射接收功能模塊接收功能模塊, 或稱或稱T/R 組件。組件。微波電路的核心問題 隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展,MM IC 已大量的進(jìn)已大量的進(jìn)入工程使用階段。在元器件體積足夠小的入工程使用階段。在元器件體積足夠小的情況下情況下, 射頻射頻/微波概念可以適當(dāng)?shù)⒉ǜ拍羁梢赃m當(dāng)?shù)? 象普象普通低頻電路一樣進(jìn)行電路設(shè)計通低頻電路一樣進(jìn)行電路設(shè)計, 但要使用微但要使用微波印制板設(shè)計波印制板設(shè)計MM IC 的偏置電路的偏置電路,

8、 在射頻在射頻/微波引線段考慮匹配。微波引線段考慮匹配。 新型微波材料主要是環(huán)境適應(yīng)性、高介電新型微波材料主要是環(huán)境適應(yīng)性、高介電常數(shù)、低損耗介質(zhì)。高介電常數(shù)介質(zhì)的使常數(shù)、低損耗介質(zhì)。高介電常數(shù)介質(zhì)的使用用, 可以縮小微帶電路的結(jié)構(gòu)尺寸。可以縮小微帶電路的結(jié)構(gòu)尺寸。微波電路的核心問題 為了實(shí)現(xiàn)上述各個電路的功能為了實(shí)現(xiàn)上述各個電路的功能, 需要解決的需要解決的核心問題是以下三大主要方面核心問題是以下三大主要方面: 頻率、阻抗頻率、阻抗和功率。只要合理的處理好三者的關(guān)系和功率。只要合理的處理好三者的關(guān)系, 就就能實(shí)現(xiàn)預(yù)期的電路功能。能實(shí)現(xiàn)預(yù)期的電路功能。 由于頻率、阻抗和功率是貫穿射頻由于頻率、

9、阻抗和功率是貫穿射頻/微波工微波工程的三大核心指標(biāo)程的三大核心指標(biāo), 將其稱為將其稱為“射頻鐵三角射頻鐵三角”能夠形象的反映射頻能夠形象的反映射頻/微波工程的基本內(nèi)容。微波工程的基本內(nèi)容。這三方面既有獨(dú)立特性這三方面既有獨(dú)立特性, 又相互影響。這就又相互影響。這就是射頻是射頻/微波工程的核心問題。微波工程的核心問題。 頻率、阻抗和功率三角關(guān)系用下圖表示頻率、阻抗和功率三角關(guān)系用下圖表示Agilent 4395A 網(wǎng)絡(luò)/頻譜/阻抗分析儀N5230A PNA-L網(wǎng)絡(luò)分析儀網(wǎng)絡(luò)分析儀300 kHz至至20 GHz 4G矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀羅德與施瓦茨矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀羅德與施瓦茨頻率范圍頻率范圍:10Hz /

10、9kHz-4GHz Rohde&SchwarzE4440A PSA 系列頻譜分析儀,3 Hz - 6.7 GHzE4406A VSA 系列發(fā)射機(jī)測試儀，7 MHz 至 4 GHz微波電路的核心問題一、頻率一、頻率頻率是射頻頻率是射頻/微波工程中最基本的一個參數(shù)微波工程中最基本的一個參數(shù), 對應(yīng)于無線系統(tǒng)所工作的頻譜范圍對應(yīng)于無線系統(tǒng)所工作的頻譜范圍, 也規(guī)定也規(guī)定了所研究的微波電路的基本前提了所研究的微波電路的基本前提, 進(jìn)而進(jìn)而, 決決定微波電路的結(jié)構(gòu)形式和器件材料。直接定微波電路的結(jié)構(gòu)形式和器件材料。直接影響頻率的射頻影響頻率的射頻/微波電路有微波電路有:(一一) 信號產(chǎn)生器信號產(chǎn)

11、生器, 用來產(chǎn)生特定頻率的信號用來產(chǎn)生特定頻率的信號, 如點(diǎn)頻振蕩器、機(jī)械調(diào)諧振蕩器、壓控振如點(diǎn)頻振蕩器、機(jī)械調(diào)諧振蕩器、壓控振蕩器、頻率合成器等。蕩器、頻率合成器等。(二二) 頻率變換器頻率變換器, 將一個或兩個頻率的信號變將一個或兩個頻率的信號變?yōu)榱硪粋€所希望的頻率信號為另一個所希望的頻率信號, 如分頻器、變?nèi)绶诸l器、變頻器、倍頻器、混頻器等。頻器、倍頻器、混頻器等。微波電路的核心問題(三三) 頻率選擇電路頻率選擇電路, 在復(fù)雜的頻譜環(huán)境中在復(fù)雜的頻譜環(huán)境中, 選選擇所關(guān)心的頻譜范圍。經(jīng)典的頻率選擇電擇所關(guān)心的頻譜范圍。經(jīng)典的頻率選擇電路是濾波器路是濾波器, 如低通濾波器、帶通濾波器、如低

12、通濾波器、帶通濾波器、高通濾波器和帶阻濾波器等。近年發(fā)展起高通濾波器和帶阻濾波器等。近年發(fā)展起來的高速電子開關(guān)由于體積小來的高速電子開關(guān)由于體積小, 在許多方面在許多方面取代了濾波器實(shí)現(xiàn)頻率選擇。在射頻取代了濾波器實(shí)現(xiàn)頻率選擇。在射頻/微波微波工程中工程中, 這些電路可以獨(dú)立工作這些電路可以獨(dú)立工作, 也可以相也可以相互組合互組合, 還可以與其它電路組合還可以與其它電路組合, 構(gòu)成射頻構(gòu)成射頻/微波電路子系統(tǒng)。這些電路的測量儀器有微波電路子系統(tǒng)。這些電路的測量儀器有頻譜分析儀、頻率計數(shù)器、功率計、網(wǎng)絡(luò)頻譜分析儀、頻率計數(shù)器、功率計、網(wǎng)絡(luò)分析儀等。分析儀等。微波電路的核心問題二、功率二、功率功率

13、用來描述射頻功率用來描述射頻/微波信號的能量大小微波信號的能量大小, 所所有電路或系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)都是實(shí)現(xiàn)射頻有電路或系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)都是實(shí)現(xiàn)射頻/微微波能量的最佳傳遞。對射頻波能量的最佳傳遞。對射頻/微波信號功率微波信號功率影響的主要電路有影響的主要電路有:(一一) 衰減器衰減器, 控制射頻控制射頻/微波信號功率的大小。微波信號功率的大小。通常是由有耗材料通常是由有耗材料(電阻性材料電阻性材料) 構(gòu)成。有構(gòu)成。有固定衰減量和可調(diào)衰減量之分。固定衰減量和可調(diào)衰減量之分。微波電路的核心問題(二二) 功分器功分器, 將一路射頻將一路射頻/微波信號分成若干微波信號分成若干路的組件路的組件, 可以是等分的

14、可以是等分的, 也可是比例分配也可是比例分配的的, 希望分配后信號的損失盡可能地小。功希望分配后信號的損失盡可能地小。功分器也可用作功率合成器分器也可用作功率合成器, 在各個支路口接在各個支路口接同頻同相等幅信號同頻同相等幅信號, 在主路疊加輸出。在主路疊加輸出。(三三) 耦合器耦合器, 定向耦合器是一種特殊的分配器。定向耦合器是一種特殊的分配器。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, 用以檢測用以檢測主路信號工作狀態(tài)是否正常。分支線耦合器主路信號工作狀態(tài)是否正常。分支線耦合器和環(huán)形橋耦合器實(shí)現(xiàn)不同相位的功率分配和環(huán)形橋耦合器實(shí)現(xiàn)不同相位的功率分配/合成合成, 配合微波二極

15、管配合微波二極管, 完成多種功能微波電完成多種功能微波電路路, 如如: 混頻、變頻、移相等。混頻、變頻、移相等。微波電路的核心問題(四四) 放大器放大器, 提高射頻提高射頻/微波信號功率的電路。微波信號功率的電路。在射頻在射頻/微波工程中地位極為重要。用于接微波工程中地位極為重要。用于接收中是小信號放大器收中是小信號放大器, 低噪聲高增益貫串設(shè)低噪聲高增益貫串設(shè)計任務(wù)的始終。用于發(fā)射中是功率放大器計任務(wù)的始終。用于發(fā)射中是功率放大器, 為了滿足要求的輸出功率為了滿足要求的輸出功率, 不惜器件和電源不惜器件和電源成本。用于測試儀器中的放大器成本。用于測試儀器中的放大器, 完善和豐完善和豐富了儀器

16、的功能。富了儀器的功能。微波電路的核心問題微波電路的核心問題三、阻抗三、阻抗 阻抗是在特定頻率下阻抗是在特定頻率下, 描述各種射頻描述各種射頻/微微波電路對微波信號能量傳輸影響的一個參數(shù)。波電路對微波信號能量傳輸影響的一個參數(shù)。構(gòu)成電路的材料和結(jié)構(gòu)對工作頻率的響應(yīng)決構(gòu)成電路的材料和結(jié)構(gòu)對工作頻率的響應(yīng)決定電路阻抗參數(shù)大小。工程實(shí)際中定電路阻抗參數(shù)大小。工程實(shí)際中, 努力的努力的方向是設(shè)法改進(jìn)阻抗特性方向是設(shè)法改進(jìn)阻抗特性, 實(shí)現(xiàn)能量的最大實(shí)現(xiàn)能量的最大傳輸。傳輸。微波電路的核心問題所涉及射頻所涉及射頻/微波電路有微波電路有:(一一) 阻抗變換器阻抗變換器, 增加合適的元件或結(jié)構(gòu)增加合適的元件或結(jié)構(gòu), 實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)一個阻抗向另一個阻抗的過渡。一個阻抗向另一個阻抗的過渡。(二二) 阻抗匹配器阻抗匹配器, 是一種特定的阻抗變換器是一種特定的阻抗變換器, 實(shí)實(shí)現(xiàn)兩個阻抗之間的匹配。現(xiàn)兩個阻抗之間的匹配。(三三) 天線天線, 是一種特定的阻抗匹配器是一種特定的阻抗匹配器, 實(shí)現(xiàn)射頻實(shí)現(xiàn)射頻/微波信號在封閉傳輸線和空氣媒體之間的微波信號在封閉傳輸線和空氣媒體之間的匹配傳送。匹配傳送。微波電路的核心問題可以看出可以看出: 射頻鐵三角滲透到射頻射頻鐵三角滲透到射頻/微波工程各個角落。微波工程各個角落。利用網(wǎng)絡(luò)的概念利用網(wǎng)絡(luò)的概念, 保證加工工藝保證