微波平面电路
微波平面电路是介于一维的传输线电路与三维的波导立体电路之间的二维分布参数电路。对称型和非对称型结构的基片边界是开路的，空腔型结构的基片边界是短路的。微波平面电路由分布参数平面传输线、分装式晶体管或无封装管芯、有独立功能的电路芯片、表面贴妆元件等组成的二维微波电路。
微波平面电路基本信息
| 中文名 | 微波平面电路 | 外文名 | Microwave planar circuit |
|---|---|---|---|
| 属 性 | 二维分布参数电路 | 作 用 | 构成不同功能的微波元件 |
| 应 用 | 滤波器、振荡器等 | ||
在广泛使用MIC和MMIC技术的微波平面电路设计中，小型化设计研究已经成为一门非常重要的课题。针对这个研究方向，Jong-Sik Lim、 Jun-Seok Park 等人提出了DGS(Defected Ground Structure)结构(非理想地平面结构)，DGS起源于光波领域，是光子带隙结构(PBG)的一种发展形式，它是在微带线等传输线的金属地平面上蚀刻周期性或非周期性的各种栅格形状，以改变传输线的传输特性。DGS结构特性及其在小型化设计中的应用受到了越来越多工程设计人员的重视。其特性主要为：①呈现低通带阻特性；②提高介质的等效介质电常数；③提高传输线的等效电容和电感。DGS结构能够产生很多慢波因子(Slow Wave Factor)，使得插入这种结构的传输线在相同物理长度的情况下，具有比普通传输线更长的电长度，而为了在匹配网络中保持相同的电长度，其物理长度自然就要减短，从而达到小型化的设计要求。
微波平面电路DGS结构简介及其等效电路
常规DGS结构，如普遍使用的dum bbell-DGS，其蚀刻的栅格形状类似哑铃，在图 1中显示了单个的DGS单元结构，栅格形状由两个长宽为a、b的矩形和相连距离为w，宽度为g的缝隙组成，缝隙的长度与传输线的宽度等同，而且介质衬底的厚度h和其相对介电常数都是固定的，因此，DGS结构的特性就由矩形面积和缝隙宽度决定。
图2给出了周期DGS结构示意图，每个单元之间的周期间距为s。单元DGS结构的等效电路可以近似为并联LC电路，如图3( a)所示(虚线框格内为DGS结构等效部分)。为了能够直接应用在实际工程电路设计中，需要提取并联LC等效电路的参数。由于单元 DGS结构在某些频率上具有截止频率和衰减极点，可以等效为低通滤波器。通过场分析和等效电路模型的计算比较，两者模拟结果基本一致，说明等效电路在一定频段内可以替代DGS，这样就可以将 DGS等效模型嵌入电路分析和设计软件，进行快速分析由图4可知，在物理长度L相等的情况下，三种传输线的电长度不相等：θ<θ ′<θ "，说明了螺旋型DGS结构的慢波因子最多，哑铃型 DGS结构次之，常规传输线最少。在相同电长度的要求下，常规传输的物理长度最长，而插入螺旋型DGS结构的传输线最短，这在小型化设计中有着非常重要的意义。
微波平面电路基于HFSS软件的DGS结构仿真分析比较
由文献 中提出的方法可知，金属地平面上蚀刻单元的尺寸决定传输线的等效电感和电容。一般说来，蚀刻单元的长度a 影响传输线的等效电感，蚀刻单元的宽度b影响传输线的电容，而正是这些等效电感和电容影响着 DGS结构的特性。Ansoft HFSS V9.2是三维高频电磁场仿真软件，采用有限元分析方法可对任意无源结构的电磁场模型进行仿真，功能非常强大。 我们通过对单元 dumbbell-DGS结构进行仿真，改变蚀刻单元的尺寸，观察比较等效电感和电容的变化对 DGS结构特性的影响。与相同蚀刻面积的单元dum bbell-DGS结构相比，周期DGS结构其阻带的中心频率变化很小，周期DGS结构影响的是阻带的宽度和深度，阻带的中心频率则是由单元DGS结构的谐振频率决定的，这对我们在DGS结构的设计过程中起着重要的指导作用。
微波平面电路研究结论
研究介绍了广泛应用于微波平面电路小型化设计领域的一种 DGS结构。分析和仿真结果表明DGS作为一种周期性结构，其构造简单、性能优越、而且易于设计和实现。即使不存在周期结构，DGS单元在某些频率点上也具有谐振和低通带阻特性。周期 DGS结构影响的是阻带的宽度和深度，表现为超宽带特性；阻带的中心频率则是由单元DGS结构的谐振频率决定的。我们可以充分利用 DGS结构的带阻特性抑制谐波分量，从而提高微波器件性能，以获得常规技术无法实现的小型化和高性能。
微波平面电路造价信息
随着微波集成电路的不断发展，微波电路在电路结构、几何形状、材料性质、电磁环境等方面都变得日益复杂，如何准确而有效地对微波电路展开分析变得极其重要。起初人们利用Maxwell方程及其边界条件来分析电路，然而由于Maxwell方程包含了空间坐标函数的矢量场量的矢量微分或积分运算，数学计算的难度很大，对于一些复杂的电路结构甚至无法直接求解。计算机的出现和发展，开创了电磁场计算的新时代。20世纪60年代，几种适应于在计算机上进行大型计算的电磁场数值计算方法陆续出现。1968年，Harrington的《计算电磁场的矩量法》(Field Computation by Moment Method)的出版宣告计算电磁学的创立。常用的数值方法有基于积分方程的矩量法(Method of Moment，MOM)及其快速算法(如快速多极子)，基于微分方程的有限元法(Finite Element Method，FEM)和时域有限差分法(Finite Difference Time Domain Method，FDTD)等。
微波平面电路微波平面电路及其研究现状
微波电路开始于20世纪40年代应用的立体微波电路，是一种把有源和无源器件集成在同一块半导体基片上的微波电路，它由波导传输线、波导元件、谐振腔和微波电子管等组成的，广泛用于各种电路及技术中。随着微波固态器件的发展以及分布型传输线的出现，20世纪60年代初，出现了微波平面电路，它是由微带线、共面波导、槽线、集总元件、微波固态器件等无源微波器件和有源微波元件利用扩散、外延、沉积、蚀刻等各种加工制造技术，制作在一块半导体基片上的微波混合集成电路(Hybrid Microwave Integrated Circuit，HMIC)，属于第二代微波电路。与传统的第一代微波电路相比较，第二代微波电路具有体积小、重量轻、避免复杂的机械加工、易与波导器件集成等优点，可以适应当时迅速发展起来的小型微波固体器件；又由于其性能好、可靠性强、使用方便等优点，因此被用于各种微波整机。从20世纪80年代开始，国际上微波电路技术已经从传统的波导及同轴线元器件和系统转移到采用微波平面电路。除了某些大功率和高极化纯度的场合，微波平面电路已经几乎取代了各种常规形式的微波电路，是当前微波领域的主要研究对象。
在微波平面电路的技术发展历程中，砷化镓(GaAs)是使用最广泛的基片材料。然而随着频率的提高，具有周期结构的新型人工材料如频率选择表面、左手媒质、光子带隙材料为提高微波电路的性能提供了新的手段，同时也对分析和设计提出了新的要求。频率选择表面由于具有带阻或带通特性，在微波与毫米波领域应用范围越来越广，是微波工程领域的前沿问题之一。
微波平面电路波概念迭代法原理
波概念迭代法是一种结合了传输线理论与傅里叶模式变换的快速算法。这种方法根据所研究的电路结构确定分界面，然后根据电路表面的切向电场和电流密度引入波的概念，通过对电路表面进行剖分网格来建立电路模型，利用空域散射算子表示空域波之间的关系，利用谱域反射算子描述谱域波之间的关系，由于该方法概念清晰、模型建立简单、计算效率高，因此得到了很快的发展。
引入的空域波在电路表面发生散射，其关系由空域散射算子表示，空域散射算子可以表示为矩阵的形式，其矩阵元素与电路表面剖分的网格单元一一对应。下面讨论空域散射算子的建立过程。将电路表面均匀剖分成小矩形网格，根据其不同结构，可以将整个电路表面区域划分为金属(Metal)、介质(Dielectric)、源(Source)区域以及其它区域(图5所示)，各个子区域拥有不同的边界条件，然后根据波概念方程及各个子区域的边界条件得到空域波在对应区域的散射关系，从而得到空域散射算子。
微波平面电路波概念迭代法分析微带贴片天线
微带天线是一种典型的微波平面电路，和常用的微波天线相比，它具有如下优点：体积小，重量轻，低剖面，制造简单，成本低，可以和集成电路兼容等；电器上的特点是能得到单方向的宽瓣方向图，最大辐射方向在平面的法线方向，易于和微带电路集成，易于实现线极化或圆极化。相同结构的微带天线可以组成微带天线阵，以获得更高的增益和更大的带宽。已研制成了各种类型平面结构的印制天线，如微带贴片天线、带线缝隙天线、背腔印制天线以及印制偶极子天线。微带贴片天线在一块厚度远小于波长的介质基片上，一面附着金属薄层作为接地板，另一面用光刻腐蚀等方法做出一定形状的金属贴片，利用微带线或同轴线探针对贴片馈电，在导体贴片与接地板之间激励起射频电磁场，并通过贴片四周与接地板的缝隙向外辐射。常用辐射贴片的形状有矩形、圆形、多角形、扇形、H形等，也可以是窄长条形的薄片振子(偶极子)。微带贴片天线已广泛应用于军事、移动通信、航空航天、卫星通信等领域。
波概念迭代法在分析微带天线时，只对天线的不连续性表面剖分网格，微带线馈电或同轴探针激励处的区域定义为源区域，贴片所在区域为金属区域，其他为介质区域，根据各自区域的边界条件建立空域散射算子，表征空域波之间的关系；电路表面之外的区域利用传输线理论等效，电路模型建立简单；利用空域波在分界面的散射和谱域波在上下区域的反射关系展开迭代运算，避免了基函数的选取和大矩阵的求逆，简化了运算；空域和谱域波之间的交互采用傅里叶模式变换实现，提高了计算速度。可以看出波概念迭代法特别适合于分析微波平面电路。
微波平面电路是介于一维的传输线电路与三维的波导立体电路之间的二维分布参数电路。利用它可以构成不同功能的微波元件，如滤波器、振荡器等。常用的非对称型平面电路（图1）与微带线输入、 输出电路相连，这种电路沿x、y方向的尺寸与波长的数量级相当，而沿z方向的尺寸h远小于波长。因此，输入微带线激励的电磁场在中心导体片与接地板之间的空间里振荡，其电场只有z分量（不计边缘场），磁场平行于xy平面,是TM模(对z而言),且场强仅为x、y的函数,与z无关。此外，还有对称型(图2)和空腔型（图3）两种结构。对称型和非对称型结构的基片边界是开路的，空腔型结构的基片边界是短路的。
由于平面电路的阻抗甚低，容易与半导体二极管匹配,可用作变容管调谐的体效应管振荡器的谐振回路等。
微波平面电路常见问题
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微波平面电路文献
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本书可用作电子类相关专业射频/微波电路课程的教材，也可供科研、工程技术人员参考。
第1章 引言
1.1 微波/毫米波特性
1.2 微波平面电路的发展史
1.3 微波平面电路的应用
1.4 微波网络理论
1.4.1 等效电压和等效电流的概念
1.4.2 导纳和阻抗矩阵
1.4.3 散射矩阵
1.4.4 参考平面平移引起散射矩阵的变换
1.4.5 链矩阵(ABCD)表示法
参考文献
第2章 传输线和集总参数元件
2.1 传输线
2.1.1 普通传输线结构特性
2.1.2 平面传输线特性
2.1.3 各种MIC传输媒介的比较
2.2 耦合线
2.3 不连续性
2.4 集总参数元件
2.4.1 集总参数元件的设计
2.4.2 电感器的设计
2.4.3 电容器的设计
2.4.4 电阻器的设计
参考文献
习题
第3章 谐振器
3.1 引言
3.2 谐振器参数
3.2.1 谐振频率
3.2.2 品质因数
3.2.3 相对带宽
3.2.4 有载品质因数
3.2.5 阻尼因子
3.2.6 耦合
3.3 腔体谐振器
3.3.1 同轴谐振器
3.3.2 凹状同轴腔体谐振器
3.3.3 矩形波导谐振器
3.3.4 圆波导谐振器
3.3.5 椭圆波导谐振器
3.4 平面微带谐振结构
3.4.1 矩形微带谐振器
3.4.2 圆盘微带谐振器
3.4.3 圆环微带谐振器
3.4.4 三角形微带谐振器
3.4.5 高Q谐振器
3.4.6 可调谐振器
3.5 介质谐振器
3.5.1 材料
3.5.2 谐振频率
3.5.3 MIC中介质谐振器与电路的耦合
3.5.4 寄生模
3.5.5 频率调谐
3.6 YIG(钇铁石榴石)谐振器
3.6.1 谐振频率和品质因数
3.6.2 耦合和等效电路
3.6.3 磁路
3.7 谐振器的测量
3.7.1 单端口谐振器
3.7.2 两端口谐振器
参考文献
习题
第4章 阻抗变换技术
4.1 引言
4.2 窄带变换技术
4.2.1 分布元件技术
4.2.2 集总参数元件技术
4.2.3 集总参数与分布参数元件组合技术
4.2.4 T型和π型网络技术
4.3 宽带变换技术
4.3.1 Bode??Fano准则
4.3.2 多节四分之一波长变换器
4.3.3 渐变传输线变换器
4.3.4 集总参数和分布参数元件匹配网络
4.3.5 镜像阻抗终端负载
参考文献
习题
第5章 混合接头与耦合器
5.1 引言
5.1.1 混合接头与耦合器的基本原理
5.1.2 混合接头和耦合器的类型
5.1.3 应用
5.2 混合接头的设计
5.2.1 90°混合接头
5.2.2 环形分支线混合接头
5.2.3 匹配T形混合接头(鼠笼式混合接头)
5.2.4 尺寸压缩的准集总式方形混合接头
5.2.5 改进的鼠笼式混合接头
5.3 耦合线定向耦合器
5.3.1 孔耦合线的定向耦合器
5.3.2 TEM线定向耦合器
5.3.3 多导体耦合器
5.3.4 分布式耦合器
5.3.5 Wilkinson耦合器、功率分配器和合成器
5.3.6 其他耦合器
5.4 设计考虑
5.4.1 混合接头的损耗
5.4.2 定向性的改善
参考文献
习题
第6章 滤波器
6.1 引言
6.1.1 滤波器参数定义
6.1.2 基本形式
6.1.3 应用
6.2 滤波器测量
6.2.1 插入损耗和回波损耗
6.2.2 S参数
6.3 滤波器综合
6.3.1 通过低通滤波器综合进行滤波器设计
6.3.2 特殊响应滤波器的综合
6.3.3 滤波器变换
6.3.4 阻抗和导纳变换器
6.4 设计滤波器的实验方法
6.5 滤波器建模
6.5.1 窄带近似
6.5.2 滤波器分析
6.5.3 数值方法
6.6 电磁仿真
6.6.1 电磁仿真方法
6.6.2 滤波器示例
6.7 滤波器实现
6.7.1 印制电路滤波器
6.7.2 介质谐振器滤波器
6.7.3 陶瓷板滤波器
6.7.4 紧凑型滤波器
6.7.5 集总元件滤波器
6.8 实际考虑
6.8.1 体积、重量和成本
6.8.2 有限Q值
6.8.3 功率容量
6.8.4 温度影响
6.8.5 群延时
6.8.6 机械调节滤波器
6.9 电调滤波器
参考文献
习题
第7章 有源器件
7.1 引言
7.2 半导体器件的基本方程
7.3 材料参数
7.4 双极晶体管
7.4.1 晶体管基本工作过程
7.4.2 电流增益
7.4.3 限制和二阶效应
7.4.4 微波晶体管
7.4.5 等效电路
7.4.6 噪声系数分析
7.4.7 异质结双极晶体管
7.5 场效应晶体管
7.5.1 基本工作原理
7.5.2 MESFET模型
7.5.3 小信号模型
7.5.4 等效电路和优值
7.5.5 噪声系数分析
7.5.6 任意掺杂分布模型和深能级
7.5.7 功率FET
7.6 HEMT
7.6.1 HEMT模型
7.6.2 噪声特性
7.7 双极晶体管与FET噪声系数的比较
参考文献
习题
第8章 无源器件
8.1 引言
8.2 pn结
8.2.1 理想二极管方程
8.2.2 与理想二极管方程的偏差
8.2.3 结电容
8.3 肖特基势垒结
8.3.1 表面效应
8.3.2 镜像力的降低作用
8.3.3 肖特基模型
8.3.4 结电容
8.3.5 整流接触材料
8.3.6 串联电阻
8.3.7 等效电路
8.3.8 优值
8.4 变容二极管
8.4.1 等效电路
8.4.2 优值
8.5 变阻器
8.6 pin二极管
8.6.1 器件的基本物理过程
8.6.2 开关速率
8.6.3 等效电路
8.6.4 优值
8.7 阶跃恢复二极管
8.7.1 器件的基本物理过程
8.7.2 频率限制
8.7.3 等效电路
参考文献
习题
第9章 振荡器
9.1 引言
9.2 用于微波振荡器的有源器件
9.3 负阻的概念
9.4 晶体管的三端口S参数特性
9.5 振荡和稳定条件
9.6 晶体管振荡器的类型和结构
9.7 固定频率振荡器
9.7.1 谐振器作为串联反馈元件
9.7.2 谐振器作为并联反馈元件
9.7.3 串联与并联反馈
9.7.4 振荡器最大功率输出
9.7.5 TDRO的温度稳定度
9.7.6 TDRO的调谐
9.7.7 传输线谐振腔振荡器
9.8 宽带可调振荡器
9.8.1 YIG调谐的振荡器(YTO)
9.8.2 压控振荡器(VCO)
9.9 振荡器特性和测量
9.9.1 调制带宽
9.9.2 频率和功率牵引
9.9.3 相位噪声和抖动
参考文献
习题
第10章 放大器
10.1 引言
10.2 放大器特性
10.2.1 功率增益
10.2.2 噪声特性
10.2.3 稳定性
10.2.4 非线性特性
10.2.5 动态范围
10.3 偏置网络
10.4 小信号放大器设计
10.4.1 FET的选择
10.4.2 窄带低噪声设计
10.4.3 最大增益放大器设计
10.4.4 宽带放大器
10.5 功率放大器
10.5.1 器件模型:线性和非线性
10.5.2 负载线模型
10.5.3 功率放大器的设计
10.5.4 内匹配功率FET放大器的设计
10.5.5 功率合成技术
参考文献
习题
第11章 检波器和混频器
11.1 引言
11.1.1 检波和混频的基本原理
11.1.2 检波器和混频器的应用
11.1.3 用于检波和混频的非线性阻性器件
11.1.4 检波器和混频器的噪声
11.2 检波器
11.2.1 工作原理
11.2.2 检波器灵敏度测量
11.2.3 小信号检波器理论
11.2.4 大信号检波器理论
11.2.5 检波器的设计考虑
11.3 混频器
11.3.1 混频器频谱分量
11.3.2 镜像增强混频器
11.3.3 转换损耗和转换增益
11.3.4 理想混频器
11.3.5 外延二极管混频器
11.3.6 混频器性能测量
11.3.7 混频器电路类型
11.3.8 混频器噪声
参考文献
习题
第12章 微波控制电路
12.1 用于控制电路的pin二极管和MESFET模型
12.1.1 pin二极管
12.1.2 砷化镓MESFET
12.2 开关设计
12.2.1 基本结构
12.2.2 插入损耗和隔离度
12.2.3 器件电抗补偿
12.2.4 单刀双掷开关
12.2.5 串、并联开关结构
12.2.6 开关速度的考虑
12.3 移相器设计
12.3.1 概述
12.3.2 开关线型移相器
12.3.3 加载线型移相器
12.3.4 反射型移相器
12.3.5 开关网络移相器
12.3.6 放大器型移相器
12.4 限幅器电路设计
12.4.1 用于限幅的各种现象
12.4.2 pin二极管限幅器
12.4.3 微带结构限幅器
12.5 可变衰减器设计
12.5.1 pin二极管衰减器
12.5.2 MESFET衰减器
参考文献
习题
第13章 倍频器和分频器
13.1 引言
13.1.1 倍频器和分频器基础
13.1.2 应用
13.2 倍频
13.2.1 倍频器类型
13.2.2 非线性电阻倍频器
13.2.3 非线性电抗倍频器
13.2.4 有源倍频器
13.3 分频
13.3.1 分频器类型
13.3.2 参量分频器
13.3.3 再生(带反馈混频器)分频器
13.3.4 注入锁相振荡器分频器
参考文献
习题
第14章 射频微电子机械系统器件和电路应用
14.1 引言
14.2 RF MEMS制造和组装
14.2.1 制造加工
14.2.2 组装和包装技术
14.3 射频MEMS传动装置
14.3.1 传动结构
14.3.2 静电传动装置
14.4 RF MEMS器件
14.4.1 开关
14.4.2 变容管
14.5 射频MEMS电路的应用
14.5.1 移相器
14.5.2 滤波器
14.5.3 阻抗调谐器
14.5.4 振荡器
14.5.5 放大器
14.5.6 MEMS机械谐振器和滤波器
14.5.7 微机械元件和电路
参考文献
习题
第15章 电路制造技术
15.1 引言
15.1.1 材料
15.1.2 掩膜设计
15.1.3 掩膜制造
15.2 印制电路板
15.2.1 PCB制造
15.2.2 PCB的实例
15.3 微波印制电路
15.3.1 MPC制造
15.3.2 MPC例子
15.4 混合集成电路
15.4.1 薄膜MIC
15.4.2 厚膜工艺
15.4.3 共烧陶瓷和玻璃?蔡沾晒ひ?
15.5 单片集成电路
15.5.1 MMIC制造
15.5.2 MMIC例子
15.6 工艺的比较和选择
参考文献
附录A 单位和符号
A.1 SI单位及符号
A.2 米的前缀
A.3 分贝单位
附录B 物理常数和其他数据
附录C ABCD参数和S参数
C.1 ABCD参数
C.2 S参数
附录D 传递函数响应
D.1 巴特沃兹响应
D.2 切比雪夫响应
目前，关于射频/微波电路方面的书籍在国内外市场上有很多，但很多书籍内容不是比较陈旧，就是大量雷同。大部分射频微波电路方面的书籍要么注重理论与公式推导，要么泛泛而谈缺乏针对性。因此，对于初学者而言总感觉射频电路难以下手，学起来很费劲。介于此，作者将从射频微波电路的基本概念入手，并结合射频电路设计工具，通过大量设计实例阐述了现代射频微波平面电路的设计方法和步骤。同时，适当引入新型平面电路设计技术:单基板双面混合电路基本原理及应用，以拓展读者的学术视野 。
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