微波传输线理论及应用

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MicroWaveOffice，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，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元件（电容，电阻等）通过键合，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HMIC。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MicrowaveSpice(时域模拟)；COMPACT公司的LINMIC、MicrowaveHarmonica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MMICCAE（=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：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1D，2D分别并接于离分支接头点四分之一波长处。如果1D处于正向导通状态（近似短路），2D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2D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2D导通1D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1D导通2D截止时，通道A为导通通道而B为段开通道；当2D导通1D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1D、2D的工作状态，就能使信号在两条不同通道中换接，实现单刀双掷功能。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1D和2D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2D导通，且fy较大，如fy10，经过/4传输线阻抗变换，在端口（3）呈现的阻抗为fCfCcfCyZYZYYZZ2123)(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（b）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=90
代入后）23321log10yyyyLrrdB式中，ryCjZCjCffCZRYZy/123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fY有值，可求信道（2）电流2I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CiZZ1；而信道（2）处于短路状态，其输入阻抗fCiYZZ22，因此2iZ两端的信号电压近似为0V，流过2iZ的电流为202/iZvI。假定信道（1）不存在，信号源功率直接加在信道（2），相当于SPST开关状态，由于2iZCZ,流过2iZ的电流2020/2iZVI，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dB6，于是SPDT开关的隔离度计算式为dByLdB62/1log102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矩阵表示DCBA..........=1...................11.....0.......11......0.....1hehheyZyyZ并—串级联开关归一化A矩阵表示式同样可写成DCBA..........=.1...........11......0.....11....0......1ehheehZyyZZy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dBL=102241logheheyZyZ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。表1.1第四章：MicroWaveOffice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MicrowaveOffice。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，通常只能在少数几个频率上进行设计，故频带较窄。计算机辅助设计（ComputerAidedDesign，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，微波工程师以把微波电路CAD软件看成了赖以生存的必备工具。1