1、微波电路自我介绍上课时间及注意事项上课时间：周四上课时间：周四 5-65-6节节 课间休息课间休息1010分钟分钟 地点：地点：33083308注意事项：注意事项：射频与微波工程实践导论射频与微波工程实践导论 射频通信电路射频通信电路教材与参考书教材与参考书0.引言l射频与微波射频与微波 在电磁波频率低于100kHz时，电磁波会被地表吸收，不能形成有效的无线传输。当电磁波频率高于100kHz时，电磁波可以在空气中传播，并经大气层的电离层反射，形成远距离传输能力，把这种具有远距离传输能力的高频电磁波称为射频。 通常我们把频率为10kHz-30MHz称为高频段。 30MHz到3GHz的频率称作射频
2、频段。 3GHz以上称为微波频段（30GHz以上也称为毫米波波段）。 射频/微波电路：形成有远距离传输能力的高频电磁波的电路。0.引言l射频与微波频段 无线电频谱中占据某一特殊频段的电磁波。0.引言l无线频段的划分0.引言l无线频段的划分0.引言l频段的典型应用0.引言传输线传输线：传输：传输RF/MW信号的装置。信号的装置。无源器件：无源器件：完成微波信号和功率的分配、控制和完成微波信号和功率的分配、控制和滤波等功能的装置，没有进行微波能量与其他能量滤波等功能的装置，没有进行微波能量与其他能量（如直流）的转换（如直流）的转换,如滤波器，如滤波器， 双工器，耦合器等。双工器，耦合器等。有源器件
3、有源器件：产生、放大、变换微波信号和功率的：产生、放大、变换微波信号和功率的装置，一般要将微波能量与其他能量进行转换。装置，一般要将微波能量与其他能量进行转换。天线：天线：辐射或接收电磁波的装置。辐射或接收电磁波的装置。射频微波系统组成0.引言l射频与微波技术射频与微波技术 微波与射频技术在国民经济各个方面广泛应用，如：网络设备、通信、雷达、集成电路、印刷电路板设计、医疗电子系统、电磁兼容等领域。与早期定位于波导和场论相比，现代微波工程中占支配地位的内容是微波电路分析。大多数微波工程师从事平面结构元件和集成电路设计所使用的基本工具是微波电路CAD（计算机辅助设计）软件和网络分析仪，因此微波工程
4、的学习重点逐渐转移到网络分析、平面电路和元器件及有源电路设计方面。0.引言l 微波电路微波电路 微波电路通常是指工作频段的波长在1m-1mm(即300MHz-300GHz)之间的电路。它是现代通信、雷达、导航、遥感等系统的重要组成部分。实际上，对于工作频率较高的电路，人们也经常称为高频电路或射频电路。由于微波电路的工作频率较高，故在材料、结构、电路的形式、元器件以及设计方法等方面，与一般的低频电路和数字电路相比有很大区别。从上个世纪20、30年代发展至今，微波电路已得到长足的发展。1 1、良好的选择性良好的选择性2 2、低噪声、高动态范围低噪声、高动态范围3 3、接收机对杂散频率信号有良好的抑
5、制能力接收机对杂散频率信号有良好的抑制能力4 4、本振信号应具有低的相位噪声本振信号应具有低的相位噪声5 5、发射机必须严格限制带外衰减发射机必须严格限制带外衰减6 6、发射机功率放大器具有高的功率增加效率发射机功率放大器具有高的功率增加效率7 7、低电压、低功耗低电压、低功耗0.引言l微波电路的一般要求课程意义 l 微波电路学习意义微波电路学习意义 从电路分析基础和电磁场电磁波基础出发，理解微波电路的基本理论，学习一些常见微波电路。本课程要求研究生在理解微波电路基本理论的基础，重点学习微波无源电路和微波有源电路的设计及分析方法，结合微波电路实例进行设计及仿真分析，为未来研究射频/微波器件及相
6、关实际工程中微波电路的应用奠定坚实的理论基础。 课程概况l微波电路分类微波电路分类 1.按按源源分类分类微波无源电路(无半导体器件或电真空器件)： 微波网络参量，微波网络元件，功率分配器，定向耦合器，滤波器，匹配电路；微波有源电路(有半导体器件或电真空器件)： 振荡器，锁相环，微波晶体管器件，微波场效应器件，微波电真空器件，微波系统。课程概况2.按按工艺工艺分类分类微波混合集成电路 采用分离元件及分布参数电路混合集成；微波集成电路(MIC) 采用管芯及陶瓷基片；微波单片集成电路(MMIC) 采用半导体工艺的微波集成电路。微波混合集成电路示例 微波集成电路（MIC）示例 微波单片集成电路（MMI
7、C）示例 课程目标 l 微波电路微波电路 了解并掌握微波无源电路及简单有源电路的常用分析方法,能够针对具体微波电路进行分析。l 微波电路微波电路CAD 学会几种常用微波设计软件的仿真设计，并运用它们设计具体的微波电路及微波系统。重点掌握运用ADS (Agilent公司)和HFSS (Ansoft公司)软件进行几个专题的射频微波电路设计与仿真。 课程主要内容 1.微波电路基础 传输线模型基本结构及其等效电路描述，选频回路和阻抗变换，阻抗匹配技术及Smith圆图的应用。2.微波网络分析 Z矩阵、Y矩阵、ABCD矩阵、h矩阵及其相互变换，S参量及其测量方法。3.无源微波电路 滤波器、混频器、功分器等
8、无源器件的分析与设计。4.有源微波电路 功率放大器、低噪声放大器、振荡器、微带天线等有源器件的分析与设计。 射频微波工程类问题分析过程 微波CAD软件与电磁场的数值算法密切相关，所有的数值算法都是建立在Maxwell方程组之上的。在频域，数值算法有：有限元法(Finite Element Method)、矩量法(Method of Moments) 、差分法(Finite Difference Methods) 、边界元法(Boundary Element Method) 和传输线法(Transmission Line matrix Method);在时域，数值算法有：时域有限差分法(Fini
9、te Difference Time Domain)和有限积分法(Finite Integration Technology)。微波CAD软件与电磁场数值计算常见的数值方法l 频域：频域：差分法(FDM)矩量法(MOM)有限元法(FEM)边界元法(BEM)传输线法(TLM)l 时域：时域：时域有限差分法(FDTD)有限积分法(FIT)矩量法 矩量法(MOM)是将Maxwell积分方程化为差分方程，或将积分方程中积分化为有限求和，从而建立代数方程组，并用计算机求解代数方程组。它是一种函数空间中的近似方法。 矩量法可以对任意结构形状的物体上的电流结构建模，直接求出电流的精确分布，故特别适合于电磁兼
10、容、天线辐射、雷达工作等问题的研究。一般其辐射条件允许求解在辐射物体外的任何地点的E和H场。 矩量法对内部区域建模问题困难较大，在非均匀媒质中会遇到困难，要用大量的内部资源。时域有限差分法 时域有限差分法(FDTD)是将时域Maxwell方程组的两个旋度方程中关于空间变量和时间变量的偏导数用差商近似，从而将其转换为离散网格节点上的时域有限差分方程。加入时域脉冲激励后，在时间迭代就可直观地模拟出脉冲在求解区域上传播、反射和散射的过程，进而采用FFT将时域响应变换到频域就可获得所希望的各种电参数，如无源电路的散射参数、天线的辐射特性、散射体的雷达散射截面(RCS)等。 时域有限差分法可以直接求解M
11、axwell方程，不需要存储空间形状参数，很容易对非均匀媒质的场问题建模，对内部复杂介质问题也可以有效地进行建模。 时域有限差分法对无边界问题需要吸收边界条件处理，计算密集型问题有数值色散误差，内存量消耗大。而时域有限差分法在计算场传播和电磁分布等参数方面也比较困难。有限元法 有限元法(FEM)是以变分原理为基础发展起来的一种高效能计算方法。它将大结构划分为有限个小单元，再用比较简单的函数表示每个单元的解，边界条件只在集合体中的方程中引入，只需要考虑强迫边界条件。 有限元法求解工程电磁场问题，可将物体的几何尺寸和电尺寸特性分开定义和处理，可以克服时域有限差分(FDTD)中必需的阶梯建模空间问题
12、，适合于分析较复杂的结构，对内部EM问题和非均匀媒质问题建模也很有效。 有限元法对无边界问题需要对边界进行建模，计算密集型和处理开放区域上未知场点时很难处理，内存量消耗也很大。数值解法根据空间变量分类l一维一维(1D)解法解法 (传输线解，传输线解，SPICE程序程序) 适用范围：场和源都是一维空间变量的函数。 典型应用：传输线；平面波和电路等。l二维二维(2D)解法解法 (MOM,TLM,FEM,FDTD) 适用范围：场和源都是二维空间变量的函数。 典型应用：TE10矩形波导；TEM波同轴线等。l二维半二维半(2.5D)解法解法 (MOM,TLM,FEM,FDTD) 适用范围：场是三维空间变
13、量的函数，源是二维空间变量的函数。 典型引用：平面传输线(微带线，共面波导)、平面结构天线和多层结构器件(LTCC)等。l三维三维 (3D)解法解法 (FDM,MOM,TLM,FEM,FDTD,FIT) 适用范围：场和源都是三维空间变量的函数。 典型应用：可以求解所有的电磁场问题。常用仿真软件l系统仿真软件系统仿真软件Agilent ADS (MOM+解析法)Microwave Office (MOM+解析法)Ansoft Designer (MOM+解析法)CST Design Studio (MOM+解析法)l电磁场仿真软件电磁场仿真软件2.5D Ansoft Esemble (MOM)
14、Sonnet (MOM) IE3D (MOM)3D Ansoft HFSS (FEM) Ansys (FEM) CST Microwave Studio (FIT) XFDTD (FDTD) FEKO (MOM+PO/UTD)常用仿真软件软件数值算法简 介ADS(Advance Design system)矩量法(MoM)Agilent公司产品：线性/非线性电路仿真；数字电路仿真；信号系统分析、仿真。Ansoft HFSS有限元法(FEM)Ansoft公司产品：三维电磁仿真。电磁场数值解和开边界问题；近远场辐射问题；特征阻抗、传输常数及S参数计算；结构的本征模或谐振解。Ansoft Desig
15、ner矩量法(MoM)Ansoft公司产品：线性/非线性电路仿真；2.5维平面电路高频仿真；信号系统分析、仿真。CST有限积分法(FIT)CST公司产品：三维电磁仿真；微波电路仿真；温度场仿真等协同仿真。XFDTD时域有限差分法(FDTD)REMCOM公司产品：三维电磁仿真；无线、微波电路仿真；雷达散射、化学、光学和生物组织仿真 。常用仿真软件软件数值算法微波仿真软件数值算法Momentum(Agilent公司)矩量法(MoM)EMPIRE(IMST公司)时域有限差分法(FDTD)Ensemble(Ansoft公司)矩量法(MoM)Fiedelity(Zeland公司)时域有限差分法(FDTD
16、)Mafia(CST公司)有限积分法(FIT)FEKO(ANSYS公司)矩量法(MoM)MW Office(AWR公司)矩量法(MoM)ANSYS(ANSYS公司)有限元法(FEM)ADS Agilent Technoligyies公司推出的一套电路自动设计软件。公司推出的一套电路自动设计软件。Agilent Technoligyies公司把已有产品公司把已有产品HP MDS(Microwave Design System)和和HP EEsof IV(Electronic Engineering Software)两者的精华有机的结合两者的精华有机的结合起来，并增加了许多新的功能，构成了功能强
17、大的起来，并增加了许多新的功能，构成了功能强大的ADS软件。软件。 ADS软件范围涵盖了小至元器件软件范围涵盖了小至元器件,大到系统级的设计和分析，主要包大到系统级的设计和分析，主要包括括RFIC设计软件、设计软件、RF电路板设计软件、电路板设计软件、DSP专业设计软件、通讯系专业设计软件、通讯系统设计软件以及微波电路设计软件。统设计软件以及微波电路设计软件。 ADS软件仿真手段丰富多样，可实现包括时域和频域、数字与模拟、软件仿真手段丰富多样，可实现包括时域和频域、数字与模拟、线性与非线性、噪声等多种仿真分析手段，并可对设计结果进行成品线性与非线性、噪声等多种仿真分析手段，并可对设计结果进行成
18、品率分析与优化，从而大大提高了复杂电路的设计效率，是非常优秀的率分析与优化，从而大大提高了复杂电路的设计效率，是非常优秀的微波电路、系统信号链路的设计工具。不但其仿真性能优越微波电路、系统信号链路的设计工具。不但其仿真性能优越,而且提而且提供了功能强大的数据后处理能力。这对我们进行复杂、特殊电路的仿供了功能强大的数据后处理能力。这对我们进行复杂、特殊电路的仿真、数据后处理及显示提供了可能。该软件切实考虑到工程实际中各真、数据后处理及显示提供了可能。该软件切实考虑到工程实际中各种参数对系统的影响，对要求分析手段多样，运算量大的仿真分析，种参数对系统的影响，对要求分析手段多样，运算量大的仿真分析，
19、尤其适用。尤其适用。ADS ADS软件可应用于整个现代通信系统及其子系统，能对通信系软件可应用于整个现代通信系统及其子系统，能对通信系统进行快速、便捷、有效的设计和仿真。这是以往任何自动设计统进行快速、便捷、有效的设计和仿真。这是以往任何自动设计软件都不能够的。所以，软件都不能够的。所以，ADS已被广大电子工程技术人员接受，已被广大电子工程技术人员接受，应用也愈加广泛。应用也愈加广泛。 ADS功能非常强大，对整个现代通信系统及其子系统的设计功能非常强大，对整个现代通信系统及其子系统的设计和仿真提供支持。主要应用有以下几个主要方面：和仿真提供支持。主要应用有以下几个主要方面：射频和微波电路的设计
20、（包括射频和微波电路的设计（包括RFIC、RF Board）DSP设计设计通信系统的设计通信系统的设计向量仿真向量仿真每个设计本身又包括以下几个内容：每个设计本身又包括以下几个内容：绘制原理图绘制原理图系统仿真系统仿真布局图布局图Pspice原理图原理图ADS 后处理后处理 Ansoft HFSS软件是适用于射频、无线通信、封装及光电子设计的软件是适用于射频、无线通信、封装及光电子设计的任意形状三维电磁场仿真的软件。任意形状三维电磁场仿真的软件。ANSOFT HFSS是业界公认的三维电是业界公认的三维电磁场标准仿真软件包，它必将为射频、无线通信、封装及光电子产品新磁场标准仿真软件包，它必将为射
21、频、无线通信、封装及光电子产品新功能的开发提供崭新高效的研究手段。本软件彻底摆脱了传统的设计模功能的开发提供崭新高效的研究手段。本软件彻底摆脱了传统的设计模式，大大减少了研制费用和时间，加快产品进入市场的步伐。式，大大减少了研制费用和时间，加快产品进入市场的步伐。HFSS提供提供了一简洁直观的用户设计界面、精确自适应的场求解器、拥有空前电性了一简洁直观的用户设计界面、精确自适应的场求解器、拥有空前电性能分析能力的功能强大后处理器，能计算任意形状三维无源结构的能分析能力的功能强大后处理器，能计算任意形状三维无源结构的S参数参数和全波电磁场。和全波电磁场。 Ansoft HFSS充分利用了如自动匹
22、配网格产生及加密、切线向矢量有充分利用了如自动匹配网格产生及加密、切线向矢量有限元、限元、ALPS(Adaptive Lanczos Pade Sweep)和模式和模式-节点转换（节点转换（Mode-node）等的先进技术，从而使操作人员可利用有限元法）等的先进技术，从而使操作人员可利用有限元法(FEM) 在自己的在自己的电脑少对任意形状的三维无源结构进行电磁场仿真。电脑少对任意形状的三维无源结构进行电磁场仿真。HFSS自动计算多个自动计算多个自适应的解决方案，直到满足用户指定的收敛要求值。其基于自适应的解决方案，直到满足用户指定的收敛要求值。其基于Maxwell（麦克斯韦）方程的场求解方案能
23、精确预测所有高频性能，如散射、模（麦克斯韦）方程的场求解方案能精确预测所有高频性能，如散射、模式转换、材料和辐射引起的损耗等。式转换、材料和辐射引起的损耗等。Ansoft HFSSAnsoft HFSS HFSS用高效率的计算机虚拟模型的方法来取代费时费力的用高效率的计算机虚拟模型的方法来取代费时费力的“cut-and-try”试验方法，可大大缩短设计周期。仿真分析诸如天线、微波试验方法，可大大缩短设计周期。仿真分析诸如天线、微波转换器、发射设备、波导器件、射频滤波器和任意三维非连续性等复转换器、发射设备、波导器件、射频滤波器和任意三维非连续性等复杂问题，已简单化成只需画结构图、定义材料性能、
24、设置端口和边界杂问题，已简单化成只需画结构图、定义材料性能、设置端口和边界条件。条件。HFSS自动产生场求解方案、端口特性和自动产生场求解方案、端口特性和S参数。其参数。其S参数结果参数结果可输出到通用的线性和非线性电路仿真器中来使用。可输出到通用的线性和非线性电路仿真器中来使用。 Ansoft HFSS的自适应网格加密技术使的自适应网格加密技术使FEM方法得以实用化。初方法得以实用化。初始网格（将几何子分为四面体单元）的产生是以几何结构形状为基础始网格（将几何子分为四面体单元）的产生是以几何结构形状为基础的，利用初始网格可以快速解算并提供场解信息，以区分出高场强或的，利用初始网格可以快速解算
25、并提供场解信息，以区分出高场强或大梯度的场分布区域。然后只在需要的区域将网格加密细化，其迭代大梯度的场分布区域。然后只在需要的区域将网格加密细化，其迭代法求解技术节省计算资源并获得最大精确度。必要时还可方便地使用法求解技术节省计算资源并获得最大精确度。必要时还可方便地使用人工网格化来引导优化加速网格细化匹配的解决方案。人工网格化来引导优化加速网格细化匹配的解决方案。Ansoft HFSS HFSS功能非常强大功能非常强大,主要应用有以下几个主要方面：主要应用有以下几个主要方面：1.射频和微波器件设计射频和微波器件设计 HFSS能够快速精确地计算各种射频能够快速精确地计算各种射频/微波部件的电磁
26、特性，得到微波部件的电磁特性，得到S参数、参数、传播特性、高功率击穿特性，优化部件的性能指标，并进行容差分析，帮助传播特性、高功率击穿特性，优化部件的性能指标，并进行容差分析，帮助工程师们快速完成设计并把握各类器件的电磁特性，包括：波导器件、滤波工程师们快速完成设计并把握各类器件的电磁特性，包括：波导器件、滤波器、转换器、耦合器、功率分配器、转换器、耦合器、功率分配/和成器，铁氧体环行器和隔离器、腔体等。和成器，铁氧体环行器和隔离器、腔体等。 2.电真空器件设计电真空器件设计 在电真空器件如行波管、速调管、回旋管设计中，在电真空器件如行波管、速调管、回旋管设计中，HFSS本征模式求解本征模式求
27、解器结合周期性边界条件，能够准确地方针器件的色散特性，得到归一化相速器结合周期性边界条件，能够准确地方针器件的色散特性，得到归一化相速与频率关系，以及结构中的电磁场分布，包括与频率关系，以及结构中的电磁场分布，包括H场和场和E场，为这类器件的设场，为这类器件的设计提供了强有力的设计手段。计提供了强有力的设计手段。 HFSS3.天线及天线阵设计仿真天线及天线阵设计仿真 HFSS可为天线及其系统设计提供全面的仿真功能，精确方针计算天线可为天线及其系统设计提供全面的仿真功能，精确方针计算天线的各种性能，包括二维、三维远场的各种性能，包括二维、三维远场/近场辐射方向图、天线增益、轴比、半近场辐射方向图
28、、天线增益、轴比、半功率波瓣宽度、内部电磁场分布、天线阻抗、电压驻波比、功率波瓣宽度、内部电磁场分布、天线阻抗、电压驻波比、S参数等。参数等。4.光电器件仿真设计光电器件仿真设计 HFSS的应用频率能够达到光波波段、精确仿真光电器件的特性。的应用频率能够达到光波波段、精确仿真光电器件的特性。 5.高速互连结构设计高速互连结构设计 随着频率的不断提高和信息传输速度的不断提高，互连结构的寄生效应随着频率的不断提高和信息传输速度的不断提高，互连结构的寄生效应对整个系统的性能影响已经成为制约设计成功的关键因素。对整个系统的性能影响已经成为制约设计成功的关键因素。MMIC、RFIC、或高速数字系统需要精
29、确的互联结构特性分析参数抽取、或高速数字系统需要精确的互联结构特性分析参数抽取、HFSS能够自动和能够自动和精确地提取高速互联结构、片上无源不见及版图寄生效应。精确地提取高速互联结构、片上无源不见及版图寄生效应。 HFSS 11HFSS 11 后处理后处理l 相关参考书目相关参考书目微波电路引论微波电路引论 R.J.Weber R.J.Weber著，朱建清等译著，朱建清等译 电子工业出版社电子工业出版社射频射频/ /微波电路导论微波电路导论 雷振亚雷振亚 编著编著 西安电子科技大学出版社西安电子科技大学出版社射频电路设计射频电路设计理论与应用理论与应用 王子宇等译王子宇等译 电子工业出版社电子
30、工业出版社微波工程微波工程 D.M.Pozar D.M.Pozar著，张肇仪等译著，张肇仪等译 电子工业出版社电子工业出版社计算电磁学要论计算电磁学要论 盛新庆盛新庆 中国科学技术大学出版社中国科学技术大学出版社ADSADS应用详解：射频电路设计与仿真应用详解：射频电路设计与仿真 陈艳华等编著陈艳华等编著 人民邮人民邮电出版社电出版社HFSSHFSS原理与工程应用原理与工程应用 谢拥军等编著谢拥军等编著 科学出版社科学出版社1.传输线l传输线定义传输线定义 能够导引电磁波沿一定方向传输导波系统。一般由两根或两根以上平行导体构成，主模(最低模）是TEM横电磁波或准横电磁波。电路理论和传输线理论之
31、间的关键差别是电尺寸。 平行双导线 1.传输线 同轴线 1.传输线 微带线 1.传输线传输线理论： 传输线理论又称传输线理论又称一维分布参数电路理论一维分布参数电路理论，是微波电路设计和，是微波电路设计和计算的理论基础。传输线理论在电路理论与场的理论之间起着桥计算的理论基础。传输线理论在电路理论与场的理论之间起着桥梁的作用，在微波网络分析中也相当重要。梁的作用，在微波网络分析中也相当重要。 传输线有传输线有长线长线和和短线短线之分。所谓长线是指传输线的几何长之分。所谓长线是指传输线的几何长度与线上传输电磁波的波长比值度与线上传输电磁波的波长比值( (电长度电长度) )大于或接近大于或接近1 1
32、，反之称，反之称为短线。为短线。长线长线分布参数电路分布参数电路 短线短线集中参数电路集中参数电路 忽略分布参数效应 考虑分布参数效应 当频率提高到微波波段时，这些分布效应不可忽略，所以当频率提高到微波波段时，这些分布效应不可忽略，所以微微波传输线是一种分布参数电路波传输线是一种分布参数电路。这导致传输线上的电压和电流是。这导致传输线上的电压和电流是随时间和空间位置而变化的二元函数。随时间和空间位置而变化的二元函数。 1.传输线l等效电路法等效电路法 R,L,C和G描述。 平行双导线的分割平行双导线的分割1.传输线l等效电路法等效电路法 同轴线的分割同轴线的分割1.传输线l等效电路法等效电路法
33、 一般等效电路表示法一般等效电路表示法优点：优点：清楚，直观的物理图像；有助于标准化两端网络表示法；可用清楚，直观的物理图像；有助于标准化两端网络表示法；可用基基尔霍夫电压和电流定律尔霍夫电压和电流定律分析；提供从微观向宏观扩展的过程。分析；提供从微观向宏观扩展的过程。缺点：缺点：忽略了边缘效应，不能分析电路元件的干扰；由磁滞效应引起的忽略了边缘效应，不能分析电路元件的干扰；由磁滞效应引起的非线性被忽略。非线性被忽略。1.传输线l三种常用传输线结构参量三种常用传输线结构参量 1.传输线l一般传输线方程一般传输线方程 1.传输线l传输线方程的解传输线方程的解 1.传输线传输线的特性参量传输线的特
34、性参量 传输线的特性参量主要包括：特性阻抗、传播常数、相速和相波长、反射系数、输入阻抗、驻波比和传输功率等。 对于无耗传输线模型对于无耗传输线模型0LZC0RGl特性阻抗特性阻抗这里的阻抗是以正向和反向行进的电压和电流波为基础。 0Rj LVVZIIGj C 1.传输线l传播常数传播常数Rj LGj Cj对于低耗传输线有(无耗传输线 22cdRCGLLCLC0RG)无耗0 LCl相速和相波长相速和相波长 相速是指波的等相位面移动速度。 相波长定义为波在一个周期T内等相位面沿传输线移动的距离。1pvLC pppv Tvff21.传输线l反射系数反射系数端接负载无耗传输线电压反射系数电压反射系数开
35、路开路 短路短路匹配匹配000LLZZVVZZ LZ 01 0LZ 01 0LZZ00 1.传输线l输入阻抗输入阻抗 传输线终端接负载阻抗ZL时，距离终端z处向负载方向看去的输入阻抗定义为该处的电压U (z)与电流I (z)之比，即 ZzU zI zin1.传输线l输入阻抗与反射系数的关系输入阻抗与反射系数的关系 ZzU zI zU zzI zzZzzinii111101.传输线l驻波比驻波比驻波比驻波比1.传输线l端接负载无耗传输线端接负载无耗传输线l回波损耗及插入损耗1.传输线2.Smith圆图lSmith圆图圆图 1939年， P.H.Smith为了简化反射系数计算，开发了以保角映射原理
36、为基础的图解方法，即Smith圆图。Smith圆图能够在一个图中简单直观地显示传输线阻抗及反射系数。 理解： Smith圆图实际上是(电压)反射系数的极坐标图； 一种求解传输线问题的辅助图形； 电阻圆和电抗圆是正交的。 用Smith圆图思考，可以开发出关于传输线和阻抗匹配问题的直观想象力。 2.Smith圆图l反射系数的相量形式反射系数的相量形式 负载反射系数描述了特性阻抗和负载阻抗之间的阻抗失配度。 将 向 转换是构成Smith圆图的关键组成部分。 000000LjLriLZZjeZZ 20( )Ljjdrideej 0( )d2.Smith圆图l归一化阻抗公式归一化阻抗公式 归一化输入阻抗
37、z和反射系数存在一一对应的关系，在阻抗平面上的一点必然能在平面上找到其对应点。 011inindzZdZd 011indZdZd2222121riiinrijzrjx222211ririr2221irix2.Smith圆图l阻抗平面到反射系数圆图的映射阻抗平面到反射系数圆图的映射(1) 222211ririr 222111rirrr 2.Smith圆图l阻抗平面到反射系数圆图的映射阻抗平面到反射系数圆图的映射(2) 2212riix 222111rixx 上式为归一化电阻的轨迹方程，上式为归一化电阻的轨迹方程，当当r r等于常数时，其轨迹为一簇圆；等于常数时，其轨迹为一簇圆；电阻圆r11 半径
38、：半径：0 ,1rr圆心坐标：圆心坐标：r00.512圆心(0,0) (1/3,0) (1/2,0)(2/3,0)(1,0)半径12/31/21/30 r ，半径 都与（1，0）相切 圆心都在正实轴上单位圆单位圆缩小为点缩小为点(1,0)222111rrrir第二式为归一化电抗的轨迹方程，第二式为归一化电抗的轨迹方程，当当x x等于常数时，其轨迹为一簇等于常数时，其轨迹为一簇圆弧圆弧；（；（| | | | 1 1）电抗圆x1 半径：半径：x1, 1圆心坐标：圆心坐标：x00.512圆心(1, )(1, 2)(1, 1)(1, 2)(1,0)半径211/20 r ，半径 圆心都在 r r=1=1
39、直线上都在（1，0）点与实轴相切直线，对应纯电阻直线，对应纯电阻缩小为点缩小为点(1,0)222111xxir2.Smith圆图l映射图形表示法映射图形表示法-Smith圆图圆图 2.Smith圆图lSmith圆图圆图 2.Smith圆图l普通负载的阻抗变换分析普通负载的阻抗变换分析 确定电路阻抗响应，以预言RF/MW系统的性能。过程： 1.归一化负载阻抗 2.在Smith圆图中确定zL位置 3.找出反射系数 4. 旋转 获得 5.记录归一化输入阻抗 6.转换到实际阻抗LLZz0Lz 2 d0( )ind 0d inzd ininzdZdZjZ5050500,例1已知阻抗 ，求导纳YYj121
40、YYZj00011.ir0Z Y1122-j2.Smith圆图例例2 2在在 为为5050 的无耗线上的无耗线上Z Zminmin=0.2=0.2，电压波节点距负载，电压波节点距负载 /3/3，求负载阻，求负载阻抗抗 Z0Zlir05.00.20.33j1.480.77ZminZin向负载min0.2ZZjin077148.ZZ Zjinin038574.向负载旋转 33. 0反归一 2.Smith圆图例例3 3 特性阻抗特性阻抗 ，负载阻抗，负载阻抗050Z 10050LZj求距负载求距负载0.240.24处输入阻抗。处输入阻抗。解：解： 归一化负载阻抗归一化负载阻抗 21Lzj0.251
41、j2Lz0.213inz0.4531 1） 其对应向电源波长其对应向电源波长0.213 arctg(1/2)2/2l(0.4636) /40.213l2) 2) 旋转旋转0.240.24到到inz0.420.25502112.5inzjj2.Smith圆图rjxj Lrj xL11rjxrj xj CCgjbj Cgj bC11gjbgj bj LL串联电感串联电感串联电容串联电容并联电容并联电容并联电感并联电感用用Smith圆图设计匹配网络圆图设计匹配网络2.Smith圆图2.Smith圆图l特殊变换分析特殊变换分析开路线变换开路线变换 为了获得纯感性或容性电抗，必须沿为了获得纯感性或容性电
42、抗，必须沿r=0r=0的圆工作，从的圆工作，从起始点起始点=1=1顺时针方向旋转。顺时针方向旋转。容性电抗容性电抗感性电抗感性电抗cjXLjX1011cotinzjdj C Z 201cotinj LzjdZ 1011cotdarcnCZ201cotLdarcnZ2.Smith圆图l特殊变换分析特殊变换分析开路线变换开路线变换 通过开路传输线制造容性和感性电抗通过开路传输线制造容性和感性电抗2.Smith圆图l特殊变换分析特殊变换分析短路线变换短路线变换 为了获得纯感性或容性电抗，必须沿为了获得纯感性或容性电抗，必须沿r=0r=0的圆工作，从的圆工作，从起始点起始点=-1=-1顺时针方向旋转。
43、顺时针方向旋转。容性电抗容性电抗感性电抗感性电抗cjXLjX1011taninzjdj C Z201taninj LzjdZ1011arctandnCZ201arctanLdnZ2.Smith圆图l特殊变换分析特殊变换分析短路线变换短路线变换 通过短路传输线实现容性和感性电抗通过短路传输线实现容性和感性电抗2.Smith圆图l导纳变换导纳变换 11indzrjxd 0111ininindYyYzd 11jjeded由归一化阻抗表达式经过倒置，可得由归一化阻抗表达式经过倒置，可得在归一化输入阻抗表达式中用在归一化输入阻抗表达式中用-1=exp(-j-1=exp(-j* *pi)pi)乘以反射系数
44、，乘以反射系数，等效于在复平面上旋转等效于在复平面上旋转1801802.Smith圆图l导纳圆图导纳圆图 将阻抗将阻抗SmithSmith圆图旋转圆图旋转180180，得到导纳，得到导纳SmithSmith圆图。圆图。000RGrgZ GZY000XBxbZ BZY2.Smith圆图l导纳圆图叠加图形：导纳圆图叠加图形：ZY-Smith圆图圆图 ZY-SmithZY-Smith圆图，把圆图，把Z-SmithZ-Smith圆图和圆图和Y-SmithY-Smith圆图叠合在一个图形上圆图叠合在一个图形上2.Smith圆图lR和和L元件的并联元件的并联 0inLLZygjL2.Smith圆图lR和和
45、C元件的并联元件的并联 0inLLygjZC2.Smith圆图lR和和L元件的串联元件的串联 0inLLzrjL Z2.Smith圆图lR和和C元件的串联元件的串联 01inLLzrjCZ其它圆图lSchimdt(施密特）圆图施密特）圆图 将极坐标表示的 映射到用矩坐标表示的z=r+jx或y=g+jb平面，即在z平面或y平面上画出等 线及等 线，即Schimdt圆图。 应用Schimdt圆图进行阻抗或导纳求和运算比较方便。 je 其它圆图lCarter(卡特）圆图卡特）圆图 将极坐标表示的 映射到 ，则成为Carter圆图,即在 平面上画出等 线及等 线,由等模值阻抗圆和等辐角阻抗圆构成Car
46、ter圆图。 jzz ejeujv z传输线圆图的基本应用 l给定阻抗或导纳求驻波比和驻波最小点位置，或反之；l给定阻抗或导纳求反射系数，或反之；l求沿线的阻抗或导纳变换关系；l给定阻抗求导纳，或反之；l阻抗求和、差或导纳求和、差。2. 选频回路与阻抗变换选频回路的主要指标选频回路的主要指标1LCLC串、并联选频回路串、并联选频回路23阻抗变换网络阻抗变换网络2. 选频回路与阻抗变换 选频回路的作用是从众多的频率中选出有用信号，选频回路的作用是从众多的频率中选出有用信号，滤除或抑制无用信号，也就是完成对信号的频谱进行滤滤除或抑制无用信号，也就是完成对信号的频谱进行滤波处理的实现电路，我们也称之
47、为滤波器。波处理的实现电路，我们也称之为滤波器。选频回路的主要指标选频回路的主要指标12. 选频回路与阻抗变换选频回路（滤波器）分类选频回路（滤波器）分类按频率分类按频率分类2. 选频回路与阻抗变换选频回路（滤波器）分类选频回路（滤波器）分类按实现分类按实现分类电感和电容组成的电感和电容组成的LCLC滤波器；滤波器；晶体滤波器是利用石英晶体薄片构成；晶体滤波器是利用石英晶体薄片构成；声表面波滤波器声表面波滤波器(SAW)(SAW)是利用压电效应构成的；是利用压电效应构成的；陶瓷滤波器是利用陶瓷介质构成的；陶瓷滤波器是利用陶瓷介质构成的；微带滤波器是利用微带线构成的；微带滤波器是利用微带线构成的
48、；腔体滤波器是利用金属谐振腔构成的。等腔体滤波器是利用金属谐振腔构成的。等2. 选频回路与阻抗变换2. 选频回路与阻抗变换2. 选频回路与阻抗变换选频回路（滤波器）性能描述选频回路（滤波器）性能描述()BW20dB频域传输函数：频域传输函数： outinjVjHjVjHje 幅度幅度- -频率特性频率特性相位相位- -频率特性频率特性2. 选频回路与阻抗变换选频回路（滤波器）主要参数选频回路（滤波器）主要参数中心频率中心频率 foBW20dB通频带通频带 BW3dBBW3dB带内波动带内波动选择性与矩形选择性与矩形系数系数0.10.112BWKBW插入损插入损耗耗 RinRout PoutPi
49、n选频选频回路回路inoutPLP输入输出阻抗输入输出阻抗群时延群时延( )( )gdd ( )2. 选频回路与阻抗变换选频回路（滤波器）主要参数选频回路（滤波器）主要参数2. 选频回路与阻抗变换LCLC串、并联选频回路串、并联选频回路2基本模型：用基本模型：用L与与C构成的串并联回路是射频构成的串并联回路是射频/微波电路中常用微波电路中常用的选频回路，除完成选频功能外，还可以进行阻抗变换。的选频回路，除完成选频功能外，还可以进行阻抗变换。回路导纳：回路导纳：1()Y jGj Cj L谐振的定义谐振的定义:谐振频率：谐振频率：12oofLC()Y jG并联谐振回路并联谐振回路谐振时的特点谐振时
50、的特点阻抗特性阻抗特性谐振时导纳最小，谐振时导纳最小， 称称 为回路的特性阻抗为回路的特性阻抗0()1YGR001LC电压特性电压特性输出电压最大且与信号源同相。输出电压最大且与信号源同相。品质因数品质因数品质因数描述回路储能与其能耗之比。品质因数描述回路储能与其能耗之比。RTVCVQ/2222谐振时回路一周内能耗谐振时回路总储能对于对于LCLC并联谐振回路：并联谐振回路：RLRGCQ002. 选频回路与阻抗变换并联谐振回路特性并联谐振回路特性电流特性电流特性流经电感的电流（流经电感的电流（IS为电流源激励）为电流源激励）000SLSVI RIjQIjLjL 流经电容的电流流经电容的电流000
