微波电路雷震亚绪论

主要内容主要内容1.1.射频基础理论及分析方法射频基础理论及分析方法射频基础理论及分析方法射频基础理论及分析方法2.2.常用微波电路模块设计及应用常用微波电路模块设计及应用常用微波电路模块设计及应用常用微波电路模块设计及应用3.3.射频电路布线与射频电路布线与射频电路布线与射频电路布线与PCBPCB设计设计设计设计4.4.4.4.射频射频射频射频/微波发射机接收机微波发射机接收机微波发射机接收机微波发射机接收机第1页/共46页1.射频基础理论射频基础理论 及分析方法及分析方法第2页/共46页射频电路分析方法射频电路分析方法 “场场”的分析方法的分析方法 “路路”的分析方法的分析方法电路的本质？第3页/共46页 射频基础理论射频基础理论传输线基本理论传输线基本理论 射频射频/微波网络基础微波网络基础第4页/共46页传输线的工作状态，由 确定 阻抗Z的计算，匹配技术 传输功率P及其考虑n负载与传输线匹配传输线上的导行波，负载吸收功率未必就大n源与传输线匹配入射波功率（大小）与负载无关的条件：源匹配（）n共轭匹配 负载吸收功率最大，传输线上未必为行波n双匹配此时“线”上为行波，负载吸收功率最大 第5页/共46页常见传输线结构图常见传输线结构图同轴线（coaxial cable）带线（stripline）微带线（microstrip）槽线（slot line）平面波导（coplanar waveguide）悬置微带线（suspended microstrip）矩形波导（rectangular waveguide）圆形波导（cylindrical waveguide）鳍线波导（fin line）介质波导（dielectric waveguide）光纤（optical fiber)第6页/共46页 二端口二端口 网络网络 二端口二端口 网络网络a1b1a2b2I1I2V1V2Z Z参数参数V1=Z11I1+Z12I2V2=Z21I1+Z22I2Y Y参数参数I1=Y11V1+Y12V2I2=Y21V1+Y22V2V1=h11I1+h12V2I2=h21I1+h22V2H H参数参数S S S S参数参数参数参数a1 1=S=S11 11 b b1 1 +S+S1212b b2 2a2 2=S21S21b b1 1+S+S2222b b2 2 二端口网络二端口网络第7页/共46页 器件器件 S参数的几点说明参数的几点说明 S11-二端口接匹配负载时，一端口的反射系数二端口接匹配负载时，一端口的反射系数S21-二端口接匹配负载时，一端口到二端口的传输系数。二端口接匹配负载时，一端口到二端口的传输系数。S参数可以避开不现实的边界条件和电磁场关系参数可以避开不现实的边界条件和电磁场关系,通过测试通过测试直接取得，物理概念清晰，在射频直接取得，物理概念清晰，在射频电路中应用广泛。电路中应用广泛。在射频领域，用端口网络的分析方法确定几乎所有射频器件在射频领域，用端口网络的分析方法确定几乎所有射频器件的特性的特性,研究电路和系统的指标。研究电路和系统的指标。在射频频段，很难实现宽频带的开路、短路状态。在射频频段，很难实现宽频带的开路、短路状态。全反射很容易造成有源器件的损坏。全反射很容易造成有源器件的损坏。第8页/共46页频率、阻抗和功率的铁三角关系第9页/共46页 微带线微带线 金属导体带条与接地板构成的传输线金属导体带条与接地板构成的传输线介质介质接地平面接地平面导体带条导体带条第10页/共46页微带线微带线基板参数基板参数：介电常数、介质损耗角正切、：介电常数、介质损耗角正切、基板高度和导线厚度基板高度和导线厚度 电特性参数：特性阻抗、工作频率、工作电特性参数：特性阻抗、工作频率、工作 波长、波导波长和电长度波长、波导波长和电长度 微带线参数：宽度、长度和单位长度衰减量微带线参数：宽度、长度和单位长度衰减量第11页/共46页微带线微带线微带线是射频微带线是射频/微波电路的重要组成部分，提供给器件一个合适的支架。微波电路的重要组成部分，提供给器件一个合适的支架。射频路径上金属线条的尺寸具有物理意义射频路径上金属线条的尺寸具有物理意义微带线可构成电容、电感、滤波器、耦合器微带线可构成电容、电感、滤波器、耦合器等无源器件等无源器件第12页/共46页微带线应用微带线应用微带线构成滤波器微带线构成滤波器微带线构成耦合器微带线构成耦合器微带线构成电容微带线构成电容第13页/共46页微带线构成微带线构成 匹配电路匹配电路功率放大器电原理图功率放大器电原理图功率放大器印制版图功率放大器印制版图第14页/共46页2.常用微波电路模块设计及应用第15页/共46页射频模块射频模块第16页/共46页介质腔分频锁相振荡器介质腔分频锁相振荡器用于频率监测用于频率监测为分频片提供信号为分频片提供信号振荡器输出振荡器输出平行线型耦合器平行线型耦合器平行线定向耦合器的应用平行线定向耦合器的应用第17页/共46页射频器件实际设计步骤射频器件实际设计步骤确定技术指标确定技术指标 选择元器件选择元器件 设计电原理、印制版图设计电原理、印制版图 组装、焊接组装、焊接 调测调测 工程设计软件工程设计软件 网络分析仪网络分析仪 （ADS、ANSOFT、MICROOFFICE）频谱仪频谱仪 射频电路学习五大要素射频电路学习五大要素 射频理论射频理论 设计工具设计工具 仿真工具仿真工具 电路制作电路制作 测试测试 SMITH ANSOFT RF2000 MATHCAD 用MATHCAD、SMITH设计射频电路射频模块设计射频模块设计第18页/共46页二端口有源元件电路输出匹配电路输入匹配电路S SIN IN=S S1111L LG GO OG GS S G GL L OUT OUT=S S2222放大器电路方块图R R S SR R L L射频模块设计射频模块设计 放大器放大器第19页/共46页 小信号放大器设计步骤小信号放大器设计步骤1.根据指标选择适当晶体管根据指标选择适当晶体管2.设计直流偏置电路设计直流偏置电路3.测量晶体管的测量晶体管的S参数参数3.判断稳定性判断稳定性4.根据单向化系数确定单、双向化设计根据单向化系数确定单、双向化设计5.设计输入输出匹配网络设计输入输出匹配网络 最大增益设计最大增益设计 等增益设计等增益设计 最佳噪声设计最佳噪声设计小信号放大器设计步骤小信号放大器设计步骤第20页/共46页Freqency(GHz)S11S21S12S22Mag.Ang.Mag.Ang.Mag.Ang.Mag.Ang.0.50.49-15312.7980.030500.42-350.60.48-15910.7940.034520.39-350.70.48-1639.3900.037530.38-350.80.47-1678.2870.040550.37-360.90.47-1707.3850.044560.36-371.00.47-1716.6820.047570.37-381.50.441774.9710.065590.40-42-452.00.411633.4610.083580.42 AT41511设计设计一一900MHz放大器。其中放大器。其中电源为电源为12VDC，输出入阻抗为输出入阻抗为50。AT41511AT41511之之S S参数表参数表(V VCECE=8V=8V，I IC C=25mA=25mA，Zo=50Zo=50，T TA A=25)=25)如下列。如下列。小信号放大器的设计（最大增益）小信号放大器的设计（最大增益）第21页/共46页 小信号放大器的设计（最大增益）小信号放大器的设计（最大增益）第22页/共46页小信号放大器的设计（最大增益）小信号放大器的设计（最大增益）第23页/共46页小信号放大器的设计（最大增益）小信号放大器的设计（最大增益）第24页/共46页小信号放大器的设计（最大增益）小信号放大器的设计（最大增益）第25页/共46页用用SMITH2.0设计小信号放大器设计小信号放大器(等增益等增益)0.1770.1050.4320.047505050 505050RF INRF OUT射频电路射频电路第26页/共46页网络分析仪网络分析仪当一个射频信号通过一个器件时，会产生反射当一个射频信号通过一个器件时，会产生反射/传输传输 反射反射/传输特性决定了器件对射频信号的处理能力传输特性决定了器件对射频信号的处理能力电路的设计电路的设计 反射反射/传输特性的设计传输特性的设计第27页/共46页 网络分析仪网络分析仪-测试放大器特性测试放大器特性第28页/共46页3.射频电路布线射频电路布线 与与PCB设计设计第29页/共46页射频电路布线与射频电路布线与PCB制作制作微微波波产产品品的的开开发发和和应应用用的的发发展展方方向向是是：复复杂杂性性和和集集成成度度越越来来越越高。高。在射频电路板的设计中，在理论上还有不在射频电路板的设计中，在理论上还有不 确定性，但也有很多常规及经验。确定性，但也有很多常规及经验。在实际设计中，往往会因设计条件的约束在实际设计中，往往会因设计条件的约束 而无法实施这些常规准则。而无法实施这些常规准则。在实际设计中应恰当地进行折中处理在实际设计中应恰当地进行折中处理。第30页/共46页两大步骤：布局、布线两大步骤：布局、布线 布局布局 布布局局是是设设计计中中一一个个重重要要的的环环节节，合合理理的的布布局局是是 PCBPCB设设计计成成功功的的第第一一步步，是是实实现现一一个个优优秀秀RFRF设设 计的关键。计的关键。布局规则布局规则 1 1、设置去耦电容、设置去耦电容 2 2、确保射频信号路径最短、确保射频信号路径最短 3 3、高功率发射电路远离低功率接收电路、高功率发射电路远离低功率接收电路 第31页/共46页射频电路布线与射频电路布线与PCB制制作作电源设置去耦电容电源设置去耦电容第32页/共46页 射频电路布射频电路布线线 与与PCB制作制作确定射频信号最短路径确定射频信号最短路径第33页/共46页射频电路布线与射频电路布线与PCB制作制作高功率发射电路远离低功率接收电路高功率发射电路远离低功率接收电路 保证充足的物理空间保证充足的物理空间 布置在布置在PCBPCB板的两面板的两面 加金属屏蔽罩加金属屏蔽罩 第34页/共46页射频电路布线与射频电路布线与PCB制制作作布线时作为常规应考虑以下基本原则布线时作为常规应考虑以下基本原则 1 1、射频器件管脚间引线越短越好、射频器件管脚间引线越短越好 2 2、可靠的接地是器件稳定工作的保证、可靠的接地是器件稳定工作的保证 3 3、射频信号间避免近距离平行走线，射频、射频信号间避免近距离平行走线，射频 输出远离射输入输出远离射输入 4 4、保证印制板导线最小宽度、保证印制板导线最小宽度 因因设设计计条条件件的的制制约约无无法法实实施施常常规规准准则则时时，必必须须学会进折中处理学会进折中处理第35页/共46页 射频/微波收发信机 4.第36页/共46页1.使学生了解射频收发信机的构成使学生了解射频收发信机的构成2.了解射频器件在系统中的作用了解射频器件在系统中的作用3.初步了解射频收发信系统的设计规划初步了解射频收发信系统的设计规划从从RF AV-TRX的设计的设计 到射频到射频/微波收微波收发信机发信机第37页/共46页从从RF AV-RTX的设计的设计 到射频到射频/微波收发信微波收发信机机射频射频/微波信号在自由空间的传输微波信号在自由空间的传输自由空间传输损耗（全向天线）自由空间传输损耗（全向天线）Ls=P发发/P收收 Ls（dB）=92.4+20 lgd（km）+20lgf（GHz）接收点电平接收点电平 Pr=GtGrPt/Ls Gt、Gr:发射发射/接收天线增益接收天线增益 Pt:发射功率发射功率第38页/共46页RFRF AV-TRXAV-TRX系统频率规划系统频率规划基带：6MHz（符合AV频宽）中频：61.256MHz（符合NTSC-M CH03 规格）射频：91513MHz（符合ISM-900 Band 限制）本振：853.757MHz（依中频及射频频带限制所定）第39页/共46页 RF AV-TRX链路设计1.1.传输距离传输距离：1m1m2.2.微带天线增益微带天线增益 0dB0dB3.3.发射机中频信号功率发射机中频信号功率-20dBm-20dBm4.4.接收机中频灵敏度接收机中频灵敏度-30dBm-30dBm5.5.选择一次变频发射方案选择一次变频发射方案第40页/共46页AV 到到 RF 发射机发射机中频输出混频输出滤波输出放大器输出第41页/共46页 RF 到到 TV 接接收机收机低噪声放大混频输出中频输入第42页/共46页videoaudio FMMOD AM MOD综合器综合器 4.5MHz 声音载波声音载波61.25MHz摄像头摄像头基带信号基带信号中频调制信号中频调制信号(AM)从从RF AV-RF的设计的设计 到射频到射频/微波收微波收发信机发信机基带带宽：基带带宽：6MHz中频带宽：中频带宽：6MHz图像信号图像信号声音信号声音信号基带信号频谱基带信号频谱第43页/共46页853.75 915853.7561.25 792.5 853.75-61.2561.25LoIFf(MHz)上变频器输出频谱上变频器输出频谱853.75 915853.7561.25Lof(MHz)滤波器输出频谱滤波器输出频谱Upper RF Low RFUpper RF从从RF AV-RF的设计的设计 到射频到射频/微波收发信微波收发信机机第44页/共46页谢谢您！谢谢您！欢迎讨论第45页/共46页感谢您的观看！第46页/共46页