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第二章微波集成电路基础.pdf

第二章微波集成电路基础.pdf

上传者: scbzmm 2014-03-14 评分 4.5 0 79 11 358 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《第二章微波集成电路基础pdf》,可适用于工程科技领域,主题内容包含第章第二章微波集成电路基础微波集成电路基础主要内容微波集成传输线微带电路的不连续性微带电路的不连续性阻抗变换Wilkinson功分器耦合器耦合器微波符等。

第章第二章微波集成电路基础微波集成电路基础主要内容微波集成传输线微带电路的不连续性微带电路的不连续性阻抗变换Wilkinson功分器耦合器耦合器微波集成传输线微波集成传输线微带线悬置式微带线悬置式微带线倒置式微带线带线槽线槽线共面波导鳍线鳍线MIC常用的微波传输线MIC常用的微波传输线微带金属膜电力线电力线空气介质基片金属底片(a)标准微带(b)倒置微带(c)悬置微带(d)带线(e)槽线(d)带线(e)槽线MIC常用的微波传输线MIC常用的微波传输线(f)共面波导()鳍线(f)共面波导(g)鳍线微带线微带线微带线是微波集成电路中最流行的平面传输线微带线是微波集成电路中最流行的平面传输线可理解为由同轴线演变而成主要传播准模主要传播准TEM模(其他模式详见《微带电路》P)微带导体接地金属板介质基片接地金属板接地金属板接地金属板接地金属板(a)同轴线(b)带线(c)微带线轴线线图同轴线和微带线微带线微带线特性阻抗和相位常数准静态法()eepLZCvCcCCeCkkC()eppvLCeaC()式中Cck()eeLC以空气为基板的单位长度微带线截面等效电容式中egaCck()C以空气为基板的单位长度微带线截面等效电容C以实际材料为基板的单位长度微带线截面等效电容aC微带线色散:频率升高模式增多磁场纵向分量增长快于电场纵向分量增长传播波长和微带特性阻抗都随之微带线于电场纵向分量增长传播波长和微带特性阻抗都随之而变。一般情况下频率低于~GHz时色散现象不严重。不考虑色散的特性阻抗的公式为:ZhWWlnπrhWWWhhZ()lnrWWWhhh其中W为微带线宽度h为介质基片厚度t是微带线金属导体厚度W为微带线宽度h为介质基片厚度t是微带线金属导体厚度。微带线πlnπWWtWhhht(πWh)()lnπWWthhhht(πWh)()不考虑色散的有效介电常数的公式为rrrWthF()其中eFhWh()hWW其中hWWWhhWFhhW()Wh定性结论:定性结论:)微带线的特性阻抗为一个实数)微带线的特性阻抗为个实数)当Wh=常数)当常数prZgvph=mmr=Z=W=mmhZWh=mmr=Z=W=mm)当常数高阻抗线窄低阻抗线宽)当r=常数高阻抗线窄低阻抗线宽h=mm=Z=W=mmhmmrZWmm微带线微带线的损耗由导体损耗、介质损耗和辐射损耗三部分组成。cdr导体的衰减系数与微带线的几何尺寸有关取决于金属导体电导率和表面不平度是微带线的主要损耗。c减小的方法:选择表面电阻率小的材料如银铜金等选择表面电阻率小的材料如银铜金等导带厚度为趋肤深度的~倍提高导带表面光洁度。提高导带表面光洁度。微带线微带线的最高工作频率受到许多因素的限制寄生模(非TEM波高次模)的激励寄生模(非TEM波高次模)的激励较高的损耗严格的制造公差处理过程中的脆性显著的不连续效应不连续处的辐射工艺加工极限。微带线高次模危害:破坏电路正常工作。路最低次的TM表面波截止频率理论上为零但只有在某一频率上其相速和准TEM波主模相速接近时两有在某频率上其相速和准波主模相速接近时两个模将产生强烈耦合这时才可能激发起TM表面波。准TEM波和最低表面波寄生模之间产生强耦合时准TEM波和最低表面波寄生模之间产生强耦合时的频率:tan()πTrfh()式中的单位是GHzh的单位是mm。πrhTf倒悬置式微带线和倒置式微带线悬置式微带线和倒置式微带线具有比微带高的Q值(~)。这两种传输媒介可以实现很宽范围的阻抗值因而它们特别适用于滤波器。(b)倒置微带(c)悬置微带带线带线是在无源微波集成电路使用最广泛的传输线之一。带线的主模是TEM。之。带线的主模是TEM。槽槽线在需要高阻抗线、串联短线、短路电路以及采用微波集成电路的混合电路中槽线是非常采用微波集成电路的混合电路中槽线是非常有用的。槽线的传播模式是非TEM其性质基本是横电波(TE)。本是横电波(TE)。共面波导特点:金属导体位于同一平面内(即在衬底的上表面面)优点:安装并联或串联形式的(有源和无源)集总参数元件都很方便(不须在衬底上开孔或开槽)设计灵活槽设计灵活鳍线鳍线特点:在矩形金属波导E面嵌入槽线所组成的一种复合结构由TE和TM模式组成的混合模种复合结构由TE和TM模式组成的混合模优点:混合集成、高Q、高频段分类单面鳍线面鳍线对脊线和隔离鳍线分类:单面鳍线、双面鳍线、对脊线和隔离鳍线单面对称单面不对称单面对称单面不对称表微波集成电路传输线特性传输线适宜的工作频率(GHz)可用的阻抗范围(W)传输线截面尺寸传输线Q值(GHz)标准微带线~~小低悬置或倒置带线~~小中等带线小低带线~~小低共面线~~中等低鳍线~~中等中等槽线~~中等低介介质基片与导体材料基片是微波电磁场传输媒质又是电路支撑体。要求:微波损耗小、表面光滑度高、硬度强、韧性好、价格低价格低。常用:聚四氟乙烯纤维环氧树脂板、氧化铝陶瓷板和石英基片。石英基片。聚四氟乙烯纤维环氧树脂板价格便宜双面用热压法覆以铜膜可以直接光刻腐蚀电路加简便广泛用微波集成电路蚀电路加工简便广泛用于微波集成电路。氧化铝陶瓷板介质损耗小表面光洁适用于较高频段而且介电介质损耗小表面光洁适用于较高频段而且介电常数高制作的MIC小巧精致。但是氧化铝陶瓷板需真空镀膜加工复杂成本高。真镀膜复杂成本高微带线金属膜材料要求:电导率高、稳定不氧化、刻蚀性好、容微带线金属膜材料要求:电导率高、稳定不氧化、刻蚀性好、容易焊接、容易淀积或电镀对基板附着力强。常用:铜与金。典型的导体组合有铬金钛金钽金典型的导体组合有:铬金、钛金、钽金。对于MMIC砷化镓基片常用铬金、钛铂金、钛钯金钯金。作微带电路的设计与制作加工概要电路设计和工艺加工的要点电路设计和工艺加工的要点概加工概要基片处理研磨抛光镀膜金属层减薄版图制作图形放大照相制版版图制作图形放大照相制版光刻涂感光胶(甩胶)曝光腐蚀接地孔金属化与电镀元件焊接无源元件有源元件元件焊接无源元件有源元件电路设计和工艺加工的要点微带线条微带线条微带线边沿电场向两侧延伸电场延伸距离大约等于倍基片厚度。因此为避免线间耦合微带线间距离以及微带至外盒边壁离应保持为基片厚度的倍以上盒边壁距离应保持为基片厚度的倍以上。侧向腐蚀裕量般情况下可把微带线宽加出倍金属膜厚作为腐蚀裕一般情况下可把微带线宽加出~倍金属膜厚作为腐蚀裕量。接地通孔接通孔微带接地是用金属化通孔实现的。有封装晶体管焊接管脚引线和微带电路焊接时必须焊至管脚靠近管壳的根部。管芯和梁式引线器件焊接管芯和梁式引线器件不仅尺寸极小而且更容易被损坏管芯和梁式引线器件不仅尺寸极小而且更容易被损坏。承上、微波固态电路的定义、微波频段划分液态电路?、微波频段划分中波短波超短波红外波长kmmmmcmmmmm中波短波超短波分米波厘米波毫米波亚毫米波红外频率频率kHzMHzMHzMHzGHzGHzGHzGHz《微波固态电路》课程的主要内容~GHzLNABPFMixerIFAmp~MHz、《微波固态电路》课程的主要内容dBdBdBdB总增益:~dBLO承上微波单片集成电路(MMIC)的概述、微波单片集成电路(MMIC)的概述定义:利用半导体批生产技术将电路中所有的有源元件和无源元件都制作在一块砷化镓(GaAs)衬底上的电路称为微波单片集成电路材料(GaAS)、加工(单晶生长外延生长)、常见元器件(有源FETHEMTHBT常见元器件(有源FETHEMTHBT无源电感电容电阻特种空气桥通孔)特种空气桥通孔)承上、常见的微波传输线微波传输线微带传输线特性参数、微带传输线特性参数aZZCkkapvvaeZcCCeagkkCCpevpvegaCCckpgef状态参量?状态参量?承上微带线的一些定性结论:)微带线的特性阻抗为一个实数(??)为个实数(??))当Wh=常数prZgvh=mmr=Z=W=mmh=mmr=Z=W=mmr)当r=常数高阻抗线窄低阻抗线宽h=mm=Z=W=mmhmmrZWmm承上承上加工概要基片处理研磨抛光镀膜金属层减薄版图制作图形放大照相制版加工概要版图制作图形放大照相制版光刻涂感光胶(甩胶)曝光腐蚀光刻涂感光胶甩胶曝光腐蚀接地孔金属化与电镀元件焊接无源元件有源元件元件焊接无源元件有源元件启下、微波单片集成电路、微带电路的不连续性阻抗匹配变换、阻抗匹配变换、功率分配器和耦合器单集微波单片集成电路概述微波单片集成电路材料和加工技术微波单片集成电路材料和加工技术微波单片集成电路常用的元器件微波单片集成电路工艺过程MMIC技术及应用MMIC技术及应用概概述微波单片集成电路通常简称为MMIC(MicrowaveMonolithicIntegratedCircuit)(MicrowaveMonolithicIntegratedCircuit)利用半导体批生产技术将电路中所有的有源元件和无源元件都制作在一块砷化镓(GaAs)元件和无源元件都制作在一块砷化镓(GaAs)衬底上的电路称为微波单片集成电路微波单片集成电路材料和加工技术常用材料GaAs材料()GaAs电子迁移率高其电子迁移率是硅的倍最大漂移速度大是硅的倍寄生电阻小所以器件速度快能制成高电率适合做微波()GaAs能制成cm高电阻率适合于做微波无源元件的衬底。单晶生长方法单晶生长方法水平布里奇(HB)法和液封切克劳斯基(LEC)法。外延生长技术常用方法外延生长技术常用方法液相外延(LPE)气相外延(VPE)有机金属化学气相外延(MOCVE)和分子束外延(MBE)气相外延(MOCVE)和分子束外延(MBE)。单集微波单片集成电路常用的元器件有源元件早期基于锗硅的双极性晶体管(BJT)早期基于锗、硅的双极性晶体管(BJT)MMIC绝大多数是利用砷化镓金属半导体势垒场效应管(简称为MESFET或FET)垒场效应管(简称为MESFET或FET)毫米波频段采用高迁移率晶体管(HEMT)和异质结晶体管(HBT)和异质结晶体管(HBT)新兴InP材料可将半导体光学器件如激光器和微波器件结合在一起这对光电集成电路的发展以及光通信的发展会起重要作用。无源平面元件()平面电感AAWIS(a)方形II(c)圆形(b)六边形()平面电容LWIdIGaAsGaAs(a)叉指式(b)平板叠层式()电阻一般采用两种形式:般采用两种形式:)半导体电阻利用在离子注入沟道有源层时形成的n或n层然后光刻利用在离子注入沟道有源层时形成的或层然后光刻出电阻的平面尺寸通过腐蚀材料的厚度把阻值调到所需值)薄膜电阻)薄膜电阻采用淀积NiCr(镍铬)薄膜然后光刻成要求的图形待做好欧姆接触后需进行热处理以使NiCr膜的电阻率达到稳做好欧姆接触后需进行热处理以使NiCr膜的电阻率达到稳定。两者比较:认为薄膜电阻具有较高的精度和热稳定性所以被广泛地采用。在设计过程中应该考虑到趋肤效应电阻值是频率的函数特别是当工作频率比较高时这种影响是不可是频率的函数特别是当工作频率比较高时这种影响是不可忽视的()其他特种元件空气桥和通孔用于元件互连及接地用于元件互连及接地高频寄生效应不可忽略空气桥<>段传输线空气桥<=>一段传输线通孔<=>一段终端短路的短截线。单集微波单片集成电路工艺过程基本工艺技术(P)()光刻工艺()光刻工艺()离子注入工艺()薄膜淀积()腐蚀工艺()腐蚀工艺()电镀工艺MMIC技术及应用最适宜的频率范围最适宜的频率范围分米波的高端、厘米波和毫米波(包括亚毫米波)突出优点()电路的体积重量大大减小成本低()电路的体积、重量大大减小成本低。与现有的微波混合集成电路(HMIC)比较体积可缩小~成本可降低~。()便于批量生产电性能一致性好制造MMIC是采用半导体批量加工工艺一旦设计的产品验证后就可大批量生产电路在制造过程中不需要调整。()可用频率范围提高频带成倍加宽。由于避免了有源器件管壳封装寄生参量的有害影响所以电路工作频率和带宽大大提高。和带宽大大提高。()可靠性高寿命长MMIC一般不需要外接元件清除了内部元件的人工焊接当集成度较高时接点和互连线减少整机零部件数大量减少所以可靠性大大提高(可时接点和互连线减少整机零部件数大量减少所以可靠性大大提高(可提高倍)。虑设计考虑当工作频率小于GHz时采用集总参数匹配网络基本上能解决晶体管输入输出匹配问题。本能解决晶体管输输问题当工作频率大于GHz时必须考虑电路寄生参数的影响也就是要用分布参数考虑的波导线和数的影响也就是要用分布参数考虑的波导线和耦合线与器件的输入输出阻抗匹配。连微带电路的不连续性微波电路不连续性微带元件微带元件连微波电路不连续性典型的微带不连续性元件开路和短路线、导体间的间隙、阻抗变换器、直角和非直角的弯头以及交叉结寄生电抗(因为它们不非直角的弯头以及交叉结寄生电抗(因为它们不是人为引起的)对电路的影响对电路的影响窄带电路中频率偏移输入输出电压驻波比变差引起宽带IC电路增益较大起伏影响多功能电路中的接口由于不连续性使电路性能变坏而使成品率变低在高增益放大器中造成表面波和辐射耦合引起振荡。连典型的微带线不连续性(a)开路端(b)导体间的间隙耦合线滤波器耦合线滤波器宽度变(c)宽度跃变阻抗变换器(d)直角弯帯切角角和不不带切切角(e)T型结(f)交叉结低阻抗短线(g)半圆短路线(h)扇形分支微带元件微带元件LCC(a)微带线段(b)线段等效电路ZZopZopop(c)终端开路分支(d)开路分支等效电路ZshopZsh(e)终端短路分支(f)短路分支等效电路、截断端等效电路截断端等效路rkCg小于C、微带线间隙等效电路TTCCC(dC缝隙)C(dC缝隙)C、微带线尺寸跳变等效电路ZLLJxZcZCTT等效电路等效电路T电流线分布、微带直角弯等效电路TWXXT电流线示意图WXXW=XaXaTTXbWXW=TTXb连法微带线不连续性分析方法电磁场全波分析用电磁场数值解法求出不连续性在不同频率时的S参用电磁场数值解法求出不连续性在不同频率时的S参数把不连续性当做一个用S参数矩阵代表的微波网络。络。主要的电磁场数值解法:等效波导场匹配法、谱域法、直线法有法矩量法等直线法、有限元法、矩量法等。优点精度高优点:精度高缺点:速度慢连法微带线不连续性分析方法等效电路分析根据电磁场数值解的S参数矩阵或者经验公根据电磁场数值解的S参数矩阵或者经验公式得出等效电路模型中电感、电容、电阻等优点:计算速度快缺点:精度降低。阻抗匹配与微带匹配元件Z、阻抗匹配gZLZcZgE在上述微波能量传输系统中为使波源的功率有效g地传给负载就必须使其阻抗匹配。阻抗匹配有多种:无反射匹配、共轭匹配、最佳噪声源匹配阻抗匹配有多种无反射匹配、共轭匹配、最佳噪声源匹配无反射匹配:包括负载匹配和波源匹配ZZ传输线呈行波波状态负载无反射负载匹配:波源匹配是指波源与传输线之间的匹配CLZZ传输线呈行波波状态负载无反射负载匹配:波源不会产生二次反射CgZZ共轭匹配是指负载吸收最大功率的匹配gZ*LgZZ=此时:gZgEZLZLZgcZ共轭匹配时传输线上任一参考面均为共轭匹配。一般情况下满足共轭匹配的传输系统线上是存在反射般情况下满足共轭匹配的传输系统线上是存在反射波的共轭匹配不代表无反射匹配。常我们为波的所需通常我们认为波源是匹配的所以阻抗匹配主要是需要解决负载匹配。*CggZZZ、匹配元件当负载与传输线不匹配时可以在它们之间插入一个阻抗变换元件或二端口网络使包括该元件或网络在内的新的负载与传输线匹配。这种阻抗变换元件或网络称为匹配元件、匹配网络或匹配器网络或匹配器。对无损传输线其特性阻抗通常是实数在某种意义对无损传输线其特性阻抗通常是实数。在某种意义上讲阻抗匹配过程也是将复数阻抗换成实数阻抗。匹配元件有多种类型按工作带宽可分为:窄带匹配和宽带匹配)窄带匹配)窄带匹配A、单支节匹配支节匹配是用终端开路或短路的均匀传输线段接入负载与传输线之间来实现匹配的装置输线之间来实现匹配的装置。单支节只接入一个支节单支节只接入一个支节。()ZijZlt开路终端开路线等效为电容P{glc()()ccZinjZglZinjZgltt开路短路终端开路线等效为电容终端短路线等效为电感LcZjZtgzZZcLincZjZtgzZZ根据反射系数与输入阻抗之间的对应关系根据反射系数与输入阻抗之间的对应关系在经过一系列变换以后我们得到了阻抗圆图:在经过一系列变换以后我们得到了阻抗圆图:R()LjLeZabRRRRX常数波源波源Z()abRRXZR)(YZ线线VmaxVmax线线()ab()babXZ负载负载RX)(YZVminVmin线线常数负载负载imaxVVSbX同时还表示驻波系数同时还表示驻波系数SSminabXXjb感性X容性BB'bja()()()()()()BGG'开路点短路点(,)(,)(,)匹配点短路点开路点(,)(,)(,)匹配点电流波节电流波腹Ba电压波节Rmin=K电压波腹Rmax=S容性X电流波节Gmin=K电流波腹Gmax=S感性BBB容性XB开路ZcZL开路并联电容短路并联电感ZL单支节有并联和串联但微带线串联不可实现TYcLYYLY'YjBLYLYLYLYjB短路YcsSYjB短路sjB并联单支节原理图LinsYYY并联单支节原理图使用导纳原图较为方便jBjBYYincYY其它解?B、双支节三支节匹配(并联)存在匹配禁区(死点)慎用!!!dZLZcZLsinLGd适用范围:d为固定长度一般选取为、和不能为。C、阻抗变换器g它是一节特性阻抗与主传输线不同的g传输线段负负为纯电时应主要针对负载阻抗ZL=RL(即负载为纯电阻)时应用。负载经过g线段之后在参考面处的输入阻抗:ZLccLZjZtgzcZjZtgzCLLZZZZl=(n)gn=,,,LZ为使新的负载与主传输线匹配则必须LCZZCCCZZZ所以:CCLZZRLLZR所CCLZZR由于无耗传输线的特性阻抗是实数因此由于无耗传输线的特性阻抗是实数因此g阻抗变换器主要用于匹配纯电阻性负载。ggZCWCZc,WcZCWCZc,Wc当时RL当:RLZc时<RL当:RLZc时>如果说一定要用g阻抗变换器来匹配复I、利用电压波腹波节点阻抗负载ZL=RLjX有两种方法:从传输线行驻波状态我们了解到传输线上电压波腹波节点的输入阻抗分别为:波腹波腹Zmax=ZcS(波腹)Zmax>ZcZ=ZS(波节)Z<ZvII波腹波腹Zmin=ZcS(波节)Zmin<Zc此时在电压波腹波节点插变换ggg波节波节插入g阻抗变换器即可完成匹配。gZcZcmaxminllmaxminZZgZcZcgZiZcZZcZcZminZL通常利用电压波节点ZmaxZLZc<ZcZc>Zc通常利用电压波节点利用电压波腹点II、并联电抗电纳LLYG并联感性or容性电纳取决于导纳g并联感性or容性电纳取决于导纳容性短路线,感性开路线ZcZcjBLLLLYGjBZcgZc还有其它尺寸组合不详述。ZcZL))宽带匹配上述匹配方法都只能在一个频率(或波长)上实现理想匹配当频率发生变化时匹配就会被破坏所以叫窄带匹配配当频率发生变化时匹配就会被破坏所以叫窄带匹配。窄带匹配的带宽(相对带宽)只能达到fff宽带匹配需要在下列范围内均使负载与传输线匹配宽带匹配需要在下列范围内均使负载与传输线匹配。~ffA、两段(或多段)阻抗匹配gg为了实现宽带匹配每一段的阻抗交换比不能每段的阻抗交换比不能太大假设交换比相等:ZZzcZLLZZRZCZZZZcZc而CZZZ得到:LRZZ而:CLZZR{得到:CCCZZZCZZZ{CCLLZZRRZLR具体微带电路形式:具体微带电路形式:gZCgggRZCZcZC,ZCZCZCLCRZggLCRZRLRL除两节g阻抗匹配以外也可采用更多节数视具体设计要求定。具体设计要求定。同样要实现对复阻抗负载的多节g阻抗匹配也可用窄带匹配方法(g阻抗匹配),先将复阻抗在电压波节处变换为纯阻再进行多节g阻抗匹配的宽带方法。gB、g阻抗变换器与g支节联合匹配gg单节g阻抗变换器只能用作为窄带匹配。当频率偏离中心频率时,匹配线的长度不再是g使得新的负载阻抗不再等于ZC也就是说不再匹配。这时阻抗不再是纯阻,有电抗(电纳),只要抵消电抗就可使工作频带展宽。工作频带展宽。分两种情况:当RL<ZC时串联g开路线补偿。gZCZCRLLccLZjZtgzcZjZtgzCLLZZZZgRZLC<cLLZ当RL>ZC时(微带能实现)并联g当RL>ZC时(微带能实现)并联g短路支节补偿。gZCZCRLZCZCRZLC>ZcRLZcgRZLC>电路结构g作业:分析其带宽拓展原理作业:分析其带宽拓展原理C、渐变线渐变线横截寸渐变的匀输线渐变线是横截面尺寸逐渐变化的非均匀传输线它的特征是渐变线的特性阻抗沿传输线渐变。LZL=RLZcZc(z)z按渐变线特性阻抗的变化规律可分为:指数线指数线余弦平方线线性过渡线性过渡以指数线为例,特性阻抗的变化规律可写为:bb(z)()lCCLbbczzZZeeRbzZLRCL()=lnCbLZLRLzcZ=z()gLn,,n(,)最佳匹配带宽Z=zc()c仅供参考微波固态电路设计中微带电路拓扑扑结构的选择原则()微波的高频段如工作在X频段或更高宜选用微带阻抗跳变式的阻抗变换器微带阻抗跳变式的阻抗变换器原因:a)微带阶梯跳变的不连续性计算容易精度高a)微带阶梯跳变的不连续性计算容易、精度高、修正量小所以容易获得精确结果。b)频率高工作波长短微带线段机械尺寸既短b)频率高工作波长短微带线段机械尺寸既短又宽若采用分支线结构则由于分支线太短微带线的T型结构不连续性的电磁场高次模影响很微带线的T型结构不连续性的电磁场高次模影响很大计算精度相对要下降。()对于微波低频端如S频段或更低端宜选用分支微带结构原因原因:a)频率低单元微带线较长若用阻抗变换类型的结构必然导致电路尺寸过长。结构必然导致电路尺寸过长。b)线条本身长度较大T型结构不连续性相对很小计算误差影响减弱()在微波固态电路的设计中当微波管输入阻抗为容性时此时S处在Smith圆图下半平面匹配电路第个微带元件宜选用电感性微带单元反之当S处在个微带元件宜选用电感性微带单元反之当S处在Smith圆图上半平面时宜用电容性微带单元。电感性微带元件包括终端短路分支线和高阻抗窄微带电感性微带元件包括终端短路分支线和高阻抗窄微带级联线段电容性微带元件包括终端开路分支线和低阻抗宽微带级联线段。功率分配器和耦合器功率分配器和耦合器功率分配器(简称功分器)和耦合器是无源微波部件是现代微波集成电路中类不可缺少的无部件是现代微波集成电路中一类不可缺少的无源元件用以完成功率分配或功率组合。功率分配器主干进N分支出(N可取)功率分配器:主干进N分支出(N可取、…)耦合器:或主干进N分支出功分器通常采用等分(dB)形式但也有不等分的情况。定向耦合器则可以设计为任意功率分分的情况定向耦合器则可以设计为任意功率分配比但混合网络一般是等功率分配。混合结在输出端口之间有º(正交)或º相移。输出端间有交或相移Wilkinson功率分配器gAZAZZZBZ微带等功分Wilkinson功分器真dB功分器场仿真图端口端口端口中心频率为GHz真dB功分器场S参数仿真结果中心频率为GHz中心频率为GHz特点:带宽约一个倍频程频带边缘隔离度降低频带边缘隔离度降低改进:在功分阶梯前加一λg阻抗变换器可改善性能(如VSWR)采用多节展宽频带(Cohn:十倍频程)。利用多节设计有可能获得十倍频程带宽。等不等分Wilkinson功分器提问RZKR=ZKZRZRZR=ZKRZK图微带不等分Wilkinson功分器(为功率分配比)PK图微带不等分Wilkinson功分器(为功率分配比)KP等不等分Wilkinson功分器若微带不等分Wilkinson功分器端口和端口之间的功率比是则采用如下的设计PKP间的功率则采用如下的设计公式:KPKZZK()ZKZZKKRZKKN路Wilkinson功分器ZNZNZZZNZZZZNZZZNZZg微带N路等分Wilkinson功分器耦合器直接耦合式定向耦合器分支线耦合器分支线耦合器Lange耦合器混合环耦合器接直接耦合式定向耦合器四端口器件两种常用表示符号和端输入直通两种常用表示符号和端口定义见左图。端口的部分功率耦合隔离耦合端口的部分功率耦合到端口(耦合端口)耦合系数为。剩余功S输入隔离直通率传送到端口(直通端口)其系数为。S隔离耦合定向耦合器的两种常用表示符号和常规功率流向端口为隔离端口。纠错:PS>SS>S纠错:PS>S,S>S定向耦合器常用表征参量PlglgdBPSPS耦合度=C=纠错:P加“”号lglgdBSPPS方向性=D=lglgdBPSP隔离度=I=耦合端口和非耦合端口间的方向性为:D=IC耦合隔离微带定向耦合器耦合隔离g输入直通微带返向定向耦合器输入直通增加带宽:多节结构真微带定向耦合器场仿真图各参数各参数分支线耦合器当臂输入P=时,P=,P=P=φφ、dB分支线电桥P=P=,φφ=当臂输入P=时,P=,g用途:P=P=,φφ=cZzcZc相移型平衡混频器用途:gZcZc()dB功分器QPSK调制器cZZcZcQPSK调制器真微带dB分支线耦合器场仿真图各参数各参数Lange耦合器特点特点:高边缘耦合度两输出端口之间有º相位差两输出端口之间有相位差优点:体积小体积小与双耦合线器件比较它的线间距较大与分支线耦合器比较它的带宽宽缺点:耦合线很窄加工不便线之间需要额外的连接线(空气桥)分类:折叠交指型耦合器和非折叠交指型耦合器折叠交指型耦合器和非折叠交指型耦合器(a)折叠交指型隔离ZSZ直通隔离WWg耦合输入耦合输入ZZ真折叠交指型场仿真图(b)非折叠交指型直通隔离耦合输入真非折叠交指型场仿真图混合环耦合器当臂输入P=时,臂P=(传播路径相差)信号抵消g电路形式:g臂P=(传播路径相差)信号抵消臂P=P=,φ=φgZcgZg当臂输入P=时,臂P(传播路径相差)信号抵消gCZZcg臂P=(传播路径相差)信号抵消P=P=,φφ=g用途:反相()型平衡混频器优点:工作带宽和隔离优于dB分Zgg优点:工作带宽和隔离优于dB分支线电桥缺点两平分臂被隔离臂分开ZcZc,原理:对臂隔离邻臂平分缺点:两平分臂被隔离臂分开加公用偏压源困难真微带dB混合环耦合器场仿真图端口端口端口端口输入输出被隔离(中心频率为GHz)微带dB混合环耦合器S参数图(中心频率为GHz)

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