微波传输线理论及应用.docx

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1、第一章：引言随着时代的发展，微波技术以及工艺在近年来等到了飞速的发展， 这主要是得益于新的微波器件以及新一代的微波传输线的发展。在微波系统中，单刀双掷开关作为最简单，最常用的微波控制器 件在大型的微波设计中起着很重要的作用，我在指导老师刘老师和何 老师的悉心指导下，我参阅了一些有关的设计资料，完成了对单刀双 掷开关的研制。在本文中，我将从原理开始，具体分析和介绍研制的过程。在第 二章中，主要介绍单刀双掷开关的基本构造，主要参数，匹配网络等 等。在第三章中，主要介绍本次设计所使用的软件MicroWave Office， 其操作形式，优化方法和自己的一些使用心得。第四章，将着重介绍 本次设计的图形

2、，参数的测量、优化指标。第三章微波固态电路介绍微波固态电路的发展与微波集成电路技术密切相关，而微型化 技术则是以提高集成度为基础的。目前对雷达，电子战和通讯等电子 设备中微波电路“微型化”的呼声甚高；“微型化”的含义远比其名 词本身寓意要广泛，它至少还意味着：一致性，低价格和高可靠。微 波集成电路(MIC)的概念来自低频集成电路(IC)，其发展也是遵循着低 频的途径。60年代后期随着各种微波半导体器件的问世以及微带传 输线理论和薄膜工艺的成熟，以混合集成电路(HMIC)的形式出现。是采用薄膜或厚膜工艺在介质衬底表面制作以分布参数为主的微波 电路，其中有源器件和集总参数攵元件（电容，电阻等）通过

3、键合，焊 接或压接加到衬底表面。70年代HMIC发展迅速，应用广泛，使原 先用分立元件实现的微波系统在小型化，轻量化方面起了变革，性能 与价格方面也有所得益，而且逐渐出现了集成度提高的多功能 HMICo HMIC的发展对微波技术本身起了推动作用，并为单片微波 集成电路的研制奠定了基础。MMIC的含义是采用半导体多层工艺（如外延，离子注入，溅射，蒸发，扩散等方法或这些方法与其他方 法的结合）将所有的微波或毫米波有源器件或无源元件（包括连接线） 制成一整体或制作于半绝缘衬底表面以实现单个芯片的功能部件或 整件。近10年来，MMIC事业蓬勃发展，归因于：性能优良的GaAs 半绝缘衬底材料的大量应用及

4、外延，离子注入等工艺的成熟， MESFET的大力开发并已成为多用途器件；肖特基势垒二极管与各种 MESFET （包括双栅FET）可用相同工艺在同一衬底上制作；特别是 可进行精确定模和优化设计的CAD工具日臻完善。与功能相同的 HMIC相比，MMIC的体积，重量可减至1/100或更小（频率愈低， 减少愈多，在L波段可减至1/1000,或更小）。因MMIC适于批加工， 在材料均匀性好和工艺成熟的前提下可实现良好的电性能一致。由于 大大减少接插件，联线和外接元器件，可靠性改善因数可达20-100, 由于寄生参量减至最小，MMIC具有宽带本能，其抗辐射能力也较强。 但MMIC也有其缺点。首先。采用半导

5、体工艺在衬底上制成的电路， 从占有面积来看，无源元件比有源元件大，因此不仅价格高，也不利 于提高成品率，而且传输线损耗大。其次MMIC难以实现电路微调， 故为获得最佳性能，必须更多地依赖CAD技术。又由于元件密集， 射频耦合强，顾宜尽量采用集总元件，由CAD进行邻近效应计算等。 此外，由于GaAs导热率不佳，散热较难，高功率集成仍是难题。对 MMIC的故障指示及监测尚在研究中，其途径是进行微波预先测试研 究，并将估计元件故障编入CAD程序。以往，经典的HMIC研制程序是：设计计算或CAD-电路布局 -制版加工- 试验微调- 修改设计-。因基于不很精确的设计， 上述过程往往需返复数次。其间由于等

6、于等待加工，使整个周期延长。 这种方法显然不适于先进的微型化组件的研制，特别因对MMIC不可 能进行微调，故首先必须研究精确的元器件定模和CAD技术。近几 年来国外已推出一些对MMIC设计行之有效的CAD软件包。它们针 对小信号或大信号工作可分别给出线性、非线性的频域或时域分析。 例如EEsof公司的Libra （包含线性和非线性频域模拟）和Microwave Spice（时域模拟）；COMPACT 公司的 LINMIC、Microwave Harmonica 等软件均已广为应用。现又推出可给出三维结构分析乃至全局电磁模 拟的软件，如EEsof公司的EMsim和HP公司的HFSS，它们适于计

7、算迭层螺旋电感、电压器、空气桥以及邻近效应等。采用这些软件后 可使MMIC设计精度大为提高。不仅如此，目前的软件还可对电路成 品率进行优化，并使电路对加工容差的灵敏度最低，与CAD软件逐 步完善的同时，计算机辅助加工（CAM）和计算机辅助测试（CAT） 也已逐渐成熟。乃有可能改变以往的研制方法，而是借助计算机是模 拟和制图程序之间直接相互作用，对设计与加工进行微调。目前已形 成的集软件与硬件与一身的 MMIC CAE (二CAD+CAM+CAT)工 作站，可一次完成定模、综合、模拟、线性与非线性分析、优化、制 图、加工、测试和调整。目前EEsof和HP等公司均已开发出MMIC 工作站。第三章：

8、微波单刀双掷开关。1. 单刀双掷开关。在微波控制电路中，最普通但又最常用的开关是单刀双掷开关。它把信号来回换接到两个不同的设备上，形成交替工作的两条微 波通路。其典型例子是雷达天线收发开关，发射机和接收机共用 一个天线，由一个单刀双掷开关控制。2. 单刀双掷开关的基本结构。图 1.01最简单的单刀双掷开关如图1.01所示。它们分别由两个并联或串联型的单刀单掷开关并接构成。在并联型开关中，两个PIN管D，1D2分别并接于离分支接头点四分之一波长处。如果D1处于正向导通状态（近似短路），D处与反向截止状态（近似开路），则通道A无功率通过。因为从接头参考面向通道A看，输入阻抗为无限大，而通道B由于d

9、处近似开路，故不影响功率通过。此时，输 入端的微波信号从B通道输出，反之，当D导通D截止时输入信 号全部从A通道输出。显然，在串联型开关中，当d导通d截止 时，通道A为导通通道而B为段开通道；当D导通D截止时，通 道B为导通通道而A为段开通道。由此可见，只要控制D、D的工作状态，就能使信号在两条不同通道中换接，实现单刀双掷功台匕 能匕。3. 单刀双掷开关的性能测量。（即开关的插入衰减和隔离度）一个理想的单刀双掷开关，要求信号在导通通道上衰减为零；在断开通道上隔离度为无穷大。由于PIN管的工作状态不可能达到理想的导通和截止，所以 双掷开关其导通通道插入衰减实际上并不为零，断开通道的隔离度也 不是

10、无穷大。下面以并联型双掷开关为例，对它的插入衰减和隔离度 作一些分析讨论。图 1.02首先画出单刀双掷开关的等效电路如图1.02所示。由于（1）、（2） 两种在同一瞬间气和七的工作状态不同，导纳Y值各异，而器件并 非理想元件，要考虑开关断开支路对另一条支路阻抗的影响。例如计 算SPDT开关插入衰减，令导通，且七 较大，如七10，经过人/4 传输线阻抗变换，在端口（3）呈现的阻抗为Z 2Z eq Z 2 Y = Z yf c图 1.03于是可将图中（a）的等效电路表示为计算插入衰减的等效电路， 如图中（3 所示。此图与图1.03 （c）有统一形式，故可由式求得插 入衰减（式中将0 =90代入后）

11、L = 10log1 + dBy3&C Yf L = Rf / Z c显然，SPDT开关的插入衰减比SPST的插入衰减大，这是由于信 道（2）非理想短路所引入的附加衰减所致。下面近似计算SPDT开关的隔离度。理想情况下端口（2）应无输出，但实因y有值，可求信道（2） 电流/2在信道（1）存在和不存在时两种情况下的变化，从而求出泄 漏至信道（2）的功率。图 1.04图1.04为确定信道（2）电流的等效电路，图中（a）为两信道均 存在时端口（1）和端口（2）对信号源端口（3）的阻抗等效电路。 设信道（1）处于传输状态，端口（3）的输入阻抗Z = Z ；而信道（2） 处于短路状态，其输入阻抗Z =

12、Z2 Y ，因此Z两端的信号电压近似 为V，流过Z的电流为I = v /Z。假定信道（1）不存在，信号源功 0i 22 0 i 2率直接加在信道（2），相当于SPST开关状态，由于z z，流过Z 的电流120牝2匕/Z.2，因此在SPDT开关情况下，泄漏到信道（2）的 功率仅为SPST工作状态下的1/4，相当于SPDT的隔离度增加了 6dB， 于是SPDT开关的隔离度计算式为LB = 10log|1+ y /2|2 + 6dB图 1.05为了改善单刀双掷开关特性，可以采用多管串并联或并 串联的形式。电路示意图如图1.05所示。为说明这种电路的特点，以 单管串联和单管并联电路的级联开关归一化A矩

13、阵表示-A.B=L.ZeL.0=.Z 一eC.D _0.1_y.h.1_ *. h.1并一串级联开关归一化A矩阵表示式同样可写成=L.0L.Ze-y.h.10.1ACB.D1.Zey .1 + y Z .hh e由上两式求出两种开关的插入衰减和隔离度的表示均可写成为乙=10 log；|2 + Z + y + Zy |2dB4 e h e h表1.1列出三种开关插入衰减和隔离度的计算结果，表中结果说明双管串并联开关的隔离度比其他两种开关有很大提高。可见多 管串并联电路的性能更具有优越性。当然，它们的插入衰减比单 管开关要大。在工作带宽方面也适用于宽带工作。开关电路形式插入衰减dB隔离度dB串并联

14、开关0. 1342.28申联开关0. 0868. 6并联开关- . 0. 04328. 3理想二极管参数:C尸O.lpF,R尸4Q, Zf-=Rf/Zc 或(-/-6. 37GHz, Zc=50Qyh=Zc/Rf表1.1第四章：MicroWave Office软件的应用本次设计将主要使用计算机辅助设计，使用的软件为Microwave Office。由于放大器的各个元件，都集中在一块基片上，分布参数的 影响就不能忽略，有时还必须考虑传输线间电磁场的耦合效应，对有 源器件的模型，对它们的模拟精度非常重要。对于传统的方法，存在着两个主要的缺点：其一是它假设晶体管 具有单向传输特性，这有时就会导致较大

15、的误差；其二在史密斯圆图 利用等增益圆设计晶体管的输入输出匹配网络，设计的过程十分复杂 而且不精确，通常只能在少数攵几个频率上进行设计，故频带较窄。计算机辅助设计（Computer Aided Design，缩写为CAD）的快 速发展始于70年代。CAD对于缩短产品设计周期、提高产品质量、 降低产品成本起极其重要的作用。近年来随着计算机技术的进步，各 种数值方法的提出，计算机辅助设计在微波领域中已经取得了可喜的 成果，现在不仅在微波无源网络中广采用计算机辅助设计，而且微波 有源器件乃至微波系统也越来越多的采用计算机辅助设计。一方面， 微波电路采用计算机辅助设计可以提高效率，降低设计成本，达到事

16、 半功倍的效果；另一方面，它可以模拟实际工作中电路的调试过程， 增加设计的可靠性和灵活性，提高设计电路的质量。同时，由于计算 机辅助设计中采用了能精确反映器件的数学模型，在目标函数中综合 考虑了各频率点增益，噪声系数等因素，有计算机自动选择电路参数， 并对电路进行最优设计，从而解决了许多用经典方法无法解决的问 题。因此，计算机辅助设计在微波放大器的设计中有着广泛的运用。目前常用的方法有三种：选定网络拓补直接优化法、网络综合法 和实频技术设计法。微波电路是现代通信、雷达、导航、遥感等系统的重要组成部分。 在CAD技术被广泛应用前，在微波工程方面，CAD技术的关键和电 子工程的其他领域有所不同。在

17、微波电路CAD技术中，各种传输线 及其不均匀区模型，元件之间的寄生耦合模型以及微波有源器件的非 线性模型等在技术上具有很大的难度。微波电路CAD和一般的电子线路CAD相比有以下几特点：（1）微波电路CAD中必须有精确的传输线模型和各种微波部件模 型（2）微波电路CAD中有时必须采用电磁仿真等数值仿真工具（3）微波电路CAD软件一般具备S参数分析的功能微波电路CAD软件这一设计工具已被广泛应用于微波低噪声放 大器、微波功率放大器、微波混频器、微波压控/介质振荡器、微波 滤波器、微波功率合成/分配器、微波电调衰减器等部件的设计。为 了缩短产品研制周期、降低产品成本、提高产品性能指标，微波工程 师以

18、把微波电路CAD软件看成了赖以生存的必备工具。1. MicroWave Office 简介CAD在微波电路工程的大规模运用始于70年代末COMPACT公 司开发的软件，今天，HPEESOF成为最大的一家微波电路CAD软 件厂商。HPADS是一套先进的电路设计软件，功能齐全，使用灵活， 具有原理图输入，模拟方针，版图绘制等先进的功能，被广泛运用于 微波低噪声放大器、微波功率放大器、微波混频器、微波压控/介质 振荡器、微波滤波器、微波功率合成/分配器、微波电调衰减器等部 件的设计。微波电路CAD和一般的电子线路CAD相比，由以下几个特点:（1）微波电路CAD中必须有精确的模型和各种微波部件的模型。

19、（2）微波电路CAD中有时必须采用电磁仿真等数值仿真工具。（3）微波电路CAD软件一般都具备S参数分析的功能。同时，微波CAD通常包括下面几方面内容：a. 线性微波电路的交流小信号分析和S参数分析b. 微波电路的直流分析c. 非线性微波电路的谐波分析d. 非线性微波电路的瞬态分析e. 微波电路的噪声分析f. 微波电路的优化设计g. 微波电路的容差分析和容差设计h. 微波部件和电路的电磁仿真i. 微波集成电路的布线和版图设计j. 微波元件和电路的计算机辅助测试k. 微波器件的建模和参数提取l. 微波系统仿真m. 微波滤波器和匹配网络的综合n. 微波电路和系统设计的专家系统o. 微波部件和电路的热

20、分析与其它软件相比，MicroWave Office的模型更为精确，适用范围更为广泛。在本课题中，主要掌握使用MicroWave Office进行电路分析，仿真与优化。这种软件可用于计算S参数，并通过各个频率点的S参数资料， 自动拟合出S参数曲线，采用它设计的电路具有一定的可靠性。同时， 该软件还能够对电路进行优化设计，能够通过反复修改电路参数以达 到预计的目标（如给定的增益、频带、噪声系数攵的等等指标）。除此 之外，该软件还可以对微波电路进行直流分析和噪声分析、对非线性 微波电路进行谐波分析和瞬态分析，微波部件和电路的电磁仿真。通过一段时间的熟悉之后，我对Microwave Office辅助

21、设计软件有 了一定了解认识。下面简单介绍一下这一软件：进入界面，可以看见Proj,Elem,Var三个功能块：(1)Proj(a)Design Notes用于做一些实验记录（b）roject Frequency确定实验的频率范围（c）Global Equations从中可以看到最终的优化值(d)Data Files从中可以看到你选用元件的参数，包括直流参数，各个频率段的S参量(e)Schematics从中可以查阅你创建的文件以及电路图等资料(f)EM Structures适用于一些电磁的研究（g）Conductor Materials用以确定一些电阻的特性（h）Graph用于创建图表，观察实验

22、结果：右键点击选择Add Graph新建图表，选择图象种类（如Rectangular矩形 图，Smith Chart史密斯圆图等）(i)Optimizer Goals确定优化对象，产品指标：右键点 击选择 Add Opt Goal，在 New/Edit Meas中添加优化目标，然后在 Goal中确定优化指标，最后在Goal Type中选择期望值相对于指标的 大小关系。(j) Yield Goal同样起优化作用(k) Output Files设定文件中的相关参数攵(2)Elem这是一个器件库，用于选择一些元 器件，比如电感，电容，电阻，电 源，传输线以及各个公司的器件产 品（3）Var用于查阅一

23、些优化值我的毕业设计课题主要利用Microwave Office对微波电路进行优 化设计：用户给定电路的拓扑结构、各元件初始值和电路的设计指标 目标，CAD软件自动改变元件值，直到满足电路的设计指标目标。设计步骤如下：（1）根据所需指标，确定适当元件器（2）确定电路，加直流偏置（3）设置未知元件，优化目标，以及所需性能指标（4）利用软件优化，并调整优化次数（5）通过图像确定产品性能具体操作如下：（1）新建 Projectr Add Schematic New Schematic（2）元器件的选择ElementrLumped Element选择电感、电阻、电容等元器件Elementr Libra

24、ryr Linear或 Nonlinear中选取各个公司的元器 件Linear或Nonlinear中选取各个公司的元器件（3）设计电路连接电路（4） 图表：Graphs右键新建 Add Graphr选择图形种类 GraphType r Analyze 模拟（5）优化：Optimizer Goals右键Add Opt Goalr加入优化目标， 确定优化值（6）进行优化Simulater Optimizer确 定优化次数攵（7）Analyze模拟，确定最终参数攵值第五章：微带单刀双掷开关的设计本次的设计，我采用的是多管串并联的形式。1. 设计图2. 参数在图中我设置了三个端口，分别设为（1）（2）

25、、（3）三个端口， 其中（1）和（2）为输出端口，（3）为输入端口。我设定（1） 端口为导通通道，（2）端口为截止通道，（3）端口为信号输入 端。如此一来，两两之间便产生九个不同的参数。分别为S1,1 , S1, 2, S1, 3, S2, 1, S2, 2, S2, 3, S3, 1, S3,2 , S3, 3。S1, 1是导通通道口的驻波比；S3, 1是开关的插入衰减；S3, 2是开关的隔离度；S1, 2是导通通道和截止通道之间的隔离度；S2, 2是截止通道口的驻波比，S3, 3是输入通道口的驻波比。由于整个电路从左往右是对称的，所以S3, 1和S1, 3, S2, 1和S1，2从数值上讲是相等的。S1，1在X波段的波形:S1，2在X波段的波形:S1, 3在X波段的波形:V77777,Graph?DB(|S1,3|)* kakaW7777777777777.Frequency (GHz)S2, 2在X波段的波形:Frequency (GHz)S2, 3在X波段的波形S2, 3在X波段的波形:Graph 10DB(|S3.3|)* kakaFrequency (GHz)