【文章內(nèi)容簡介】 ....................54緒論隨著通信手段的日益豐富和通信技術(shù)的不斷發(fā)展，通信領(lǐng)域經(jīng)歷了從有線到無線、從固定到移動、從低頻到高頻的巨大變化，在需求的強大激勵和技術(shù)的有力支持下，與現(xiàn)代通信相匹配的射頻(RF)和微波 (MW)電路得到了廣泛的應(yīng)用，逐漸成為科學和工程領(lǐng)域中一門令人矚目的技術(shù)。在電子通信系統(tǒng)中，只有使用更高的載波頻率，才能獲得更大的帶寬。隨著科學技術(shù)的不斷進步，電子通信系統(tǒng)的工作頻率不斷提高，目前應(yīng)用日趨廣泛的移動通信(GMS3G)、全球定位(GPS)、無線局域網(wǎng)(WLAN) 、寬帶無線接入系統(tǒng)(WIMAX)和射頻識別 (RFID)等領(lǐng)域，工作頻率都已經(jīng)達到了 GHz,此外新型半導體器件和計算機的工作頻率也已經(jīng)達到 GHz 頻段，這使得與此頻段相適應(yīng)的射頻和微波電路逐漸成為一個普遍存在的技術(shù)，這就迫切需要人們熟悉相應(yīng)的射頻和微波電路設(shè)計方法。射頻和微波電路是電與磁的場分布理論與傳統(tǒng)電子學技術(shù)的融合，它將波動理論引入電路之中，形成射頻和微波電路的理論體系和設(shè)計方法，這些波的反射和傳輸是影響射頻和微波電路的關(guān)鍵因素。在電子通信領(lǐng)域，信號采用的傳輸方式和信號的傳輸特性是由工作頻率決定的。目前射頻(Radio Frequency)沒有一個嚴格的頻率范圍定義，廣義地說，可以向外輻射電磁信號的頻率稱為射頻，而在電路設(shè)計中，當頻率較高，電路的尺寸可以與波長相比擬時，電路可以稱為射頻電路。一般認為，當頻率高于 30MHz 時電路的設(shè)計就需要考慮射頻電路理論，而射頻電路理論應(yīng)用的典型頻段為幾百 MHz 至 4GHz，在這個頻率范圍內(nèi)，由于分布參數(shù)的存在，電路中出現(xiàn)了許多獨特的性質(zhì)，這些性質(zhì)在常用的低頻電路中從沒遇到過，而低頻的基爾霍夫電路理論也不再適用。因此需要建立新的射頻電路理論體系。只有確切地知道射頻電路與低頻電路有什么區(qū)別及如何實現(xiàn)，才能開發(fā)并改進射頻電路，滿足射頻領(lǐng)域不斷發(fā)展的需求?，F(xiàn)在射頻電路的設(shè)計越來越復(fù)雜，指標要求越來越高，而設(shè)計周期卻越來越短，這要求設(shè)計者使用電子設(shè)計子自動化軟件工具。目前國內(nèi)外各種商業(yè)化射頻和微波電子設(shè)計自動化軟件工具不斷涌現(xiàn)，使用軟件工具已經(jīng)成為射頻和微波電路設(shè)計的必然趨勢。在深入理解射頻電路的基礎(chǔ)上，結(jié)合軟件工具進行設(shè)計，是通向射頻電路設(shè)計成功的最佳路線。ADS(Adcanced Design System)軟件由美國安捷倫(Agilent)公司開發(fā)，是目前射頻和微波電路設(shè)計的首選工程軟件。該軟件功能強大，仿真手段豐富多樣，可實現(xiàn)包括時域和頻域、數(shù)字和模擬、線性和非線性、電磁和數(shù)字信號處理等多樣仿真手段，并可對設(shè)計結(jié)果進行成品率分析和優(yōu)化，從而大大提高了復(fù)雜電路的設(shè)計效率，是當今業(yè)界最流行的射頻和微波電路設(shè)計工具，并在國內(nèi)高校、科研院所和大型 IT 公司中逐漸推廣使用，是一款非常值得學習的軟件。1 射頻電路理論 集總參數(shù)與分布參數(shù)在低頻電路中，認為電場能量集中在電容中，磁場能量集中在電感中，電磁能的消耗全部集中在電阻上，連接元件的導線是既無電感電容又無電阻電導的理想導線，這就是集總參數(shù)的概念。分布參數(shù)是相對于集總參數(shù)而言的。當頻率增高到射頻，連接元件的傳輸線由于集膚效應(yīng)的出現(xiàn)，使傳輸線的有效面積減小，傳輸線上的電阻增加，且分布在傳輸線上，可稱為傳輸線的分布電阻；傳輸線上有高頻電流流過，傳輸線周圍必然有高頻磁場存在，沿線就存在電感，可稱為傳輸線的分布電感；又因傳輸線兩導體間有電壓，故兩導體間存在高頻電場，沿線就分布著電容，可稱為傳輸線的分布電容；傳輸線兩導體間有漏電，沿線兩導體間就存在漏電導，可稱為傳輸線的分布電導。認為分布電阻、分布電導、分布電感和分布電容這4 個分布參數(shù)存在于傳輸線的所有位置上，就是分布參數(shù)的概念。 傳輸線理論隨著工作頻率的提高，工作波長不斷減小，當波長與元器件尺寸或電路尺寸相比擬時，傳輸線上的電壓和電流將隨空間位置而變化，這就是傳輸線理論。傳輸線理論是長線理論。傳輸線是長線還是短線，取決于傳輸線的電長度而不是它的幾何長度。所謂電長度，就是傳輸線的幾何長度 與工作波長 的比l?值。在射頻電路中，傳輸線的幾何長度有時只不過幾厘米，但因為這個長度已經(jīng)可以與工作波長相比擬，仍稱它為長線；相反地，輸送市電的電力線，即使幾何長度為幾千米，但與市電的波長(6000km)相比還是小很多，所以只能看作是短線。根據(jù)傳輸線上分布參數(shù)是否是均勻分布，傳輸線可分為均勻傳輸線和不均勻傳輸線。所謂均勻傳輸線，是指傳輸線的幾何尺寸、相對位置、導體材料及導體周圍煤質(zhì)特性沿電磁波的傳輸方向不改變的傳輸線。那么，傳輸線的幾何尺寸、相對位置、導體材料及導體周圍煤質(zhì)特性沿電磁波的傳輸方向改變的傳輸線就是不均勻傳輸線。一般情況下，均勻傳輸線單位長度上有 4 個分布參數(shù)，即分布電阻 、分R布電導 、分布電感 和分布電容 ，它們的數(shù)值均與傳輸線的種類、形狀、GLC尺寸、導體材料及導體周圍媒質(zhì)特性有關(guān)。均勻傳輸線的分布參數(shù)定義如下：分布電阻 —傳輸線單位長度上的總電阻值，單位為 。R m/?分布電導 —傳輸線單位長度上的總電導值，單位為 。S分布電感 —傳輸線單位長度上的總電感值，單位為 。L H/分布電容 —傳輸線單位長度上的總電容值，單位為 。CF 傳輸線的分布電路模型有了均勻傳輸線的分布參數(shù)的概念，可以將均勻傳輸線分割成許多小線元( )，每個小線元可以看作集總參數(shù)電路，它的 4 個參數(shù)分別為 、dz?? dzR、 和 ，那么，傳輸線的分布電路模型如圖 所示。GzLdzC 圖 傳輸線分布電路模型 傳輸線的基本特性參數(shù)通過研究傳輸線上電壓和電流的變化規(guī)律以及它們之間的相互關(guān)系，可以得到傳輸線的一些基本特性參數(shù)。1. 特性阻抗特性阻抗定義為傳輸線上的入射電壓與入射電流（行波電壓與行波電流）之比，常以 表示：0Z()jwCGLRZ??0式中， 為分布電阻， 為分布電導， 為分布電感， 為分布電阻容。 RGLC對于射頻傳輸線，特性阻抗近似為：()CZ?0在射頻情況下可以認為傳輸線的特性阻抗為純阻抗。 2. 輸入阻抗輸入阻抗定義為傳輸線上任意一點電壓與電流之比，常以 表示：)(39。zZin()39。039。39。 tan)(zjZzZLin ???其中 ???2式中， 為負載阻抗， 為傳輸線的特性阻抗， 表示傳輸線上的任意位LZ0Z39。z置。3. 反射系數(shù)傳輸線上的波一般為入射波和反射波的疊加。波的反射現(xiàn)象是傳輸線上最基本的物理現(xiàn)象，傳輸線的工作狀態(tài)也主要決定于反射的情況。為了表示傳輸線的反射特性，我們引入了反射系數(shù)的概念。反射系數(shù)定義為傳輸線上某點的反射電壓與入射電壓（或反射電流與入射電流）之比，常以 表示：)(39。z?())()()(39。39。39。39。39。 zIzV??????式中， 為反射電壓， 為入射電壓， 為反射電流，)(39。zV?39。 39。?為入射電流。)(39。zI?上式還可以表示為： () )2(239。 39。39。)( zjLzjLeez????????式中， 為終端反射系數(shù)， 為終端反射系數(shù)的相位， 表示傳輸線上的L 39。z任意位置。 4. 駐波系數(shù)反射系數(shù)可以用來表示傳輸線的反射特性，但是由于它是復(fù)數(shù)，并且隨傳輸線的位置而改變。為了更方便地表示傳輸線的反射特性，工程上引入了駐波系數(shù)的概念。駐波系數(shù)定義為傳輸線上電壓最大點與電壓最小點的電壓振幅之比，常以或 VSWR 表示：?()minaxV??式中， 為電壓最大點的幅值， 為電壓最小點的幅值。maxVi上式還可以表示為：()L????1?式中， 為終端反射系數(shù)的模值。L?5. 回波損耗回波損耗是由于傳輸線上信號的反射引起的，回波損耗的定義為dB ()inRL???lg20 傳輸線工作狀態(tài)傳輸線的工作狀態(tài)是指傳輸線上電壓、電流和阻抗的分布規(guī)律。傳輸線的工作狀態(tài)有行波工作狀態(tài)、駐波工作狀態(tài)和行駐波工作狀態(tài)。射頻波段的傳輸線一般不長，可以把傳輸線當作無耗傳輸線處理。以下的分析都是基于無耗傳輸線的。1. 行波工作狀態(tài)有兩種情況可以產(chǎn)生無反射工作狀態(tài)：一是傳輸線無限長的情況；二是負載匹配匹配的情況。實際中只考慮第二種情況，即當傳輸線終端負載匹配時，傳輸線上只有入射波，沒有反射波，傳輸線處于行波工作狀態(tài)。當行波狀態(tài)的特點：(1) 傳輸線上各點電壓和電流的振幅不變。(2) 傳輸線上電壓和電流的相位相同，而且都隨位置 的增加線性滯后。z(3) 傳輸線上各點的輸入阻抗均等于特性阻抗。2. 駐波工作狀態(tài)當傳輸線終端短路、終端開路或接純電抗負載時，傳輸線上的傳輸波產(chǎn)生全反射，稱為駐波狀態(tài)。駐波狀態(tài)的特點：(1) 傳輸線上電壓和電流的振幅是位置的函數(shù)，具有波腹點和波谷點，波腹點和波谷點相距 ，波谷點振幅為 0。4/?(2) 電壓和電流的振幅模值具有 重復(fù)性。2/?(3) 傳輸線上各點的輸入阻抗為純電抗。每過 ，輸入阻抗性質(zhì)改變一4/?次（容性變感性，感性變?nèi)菪?；短路變開路，開路變短路） 。(4) 電感和電容可以用一段適當長度的終端短路傳輸線或終端開路傳輸線等效。3. 行駐波狀態(tài)當均勻無耗傳輸線終端接上面所述以外的負載時，信號源給出的能量一部分被負載吸收，另一部分被負載反射，傳輸線上產(chǎn)生部分反射而形成行駐波。行駐波狀態(tài)的特點：(1) 傳輸線上電壓和電流的振幅是位置的函數(shù)，具有波腹點和波谷點，波腹點和波谷點相距 ，但波谷點振幅不為 0。4/?(2) 傳輸線上輸入阻抗周期性變化，周期為 。只有在電壓波腹點和電2/?壓波谷點時，輸入阻抗為純電阻。在電壓波腹點處 ；在電壓波谷點處?0Zin?。?/0Zin? 微帶線微帶線是平面型結(jié)構(gòu)，可以用刻蝕電路技術(shù)在(PCB)上制作，容易外接固體射頻器件構(gòu)成各種射頻有源電路，而且可以在一塊介質(zhì)基片上制作完整的電路，實現(xiàn)射頻部件和系統(tǒng)的集成化、固態(tài)化和小型化，因而是目前射頻微波電路中使用最廣泛的傳輸線。微帶線是在介質(zhì)基片的一面制作導體帶，另一面制作接地金屬平板構(gòu)成的，是半開放系統(tǒng)，雖然接地金屬版可以幫助阻擋場的泄露，但導體會帶來輻射，所以微帶的缺點之一是它有較高損耗且與鄰近的導體帶之間容易形成干擾。微帶線的損耗和相互干擾的程度與介質(zhì)基片的相對介電常數(shù) 有關(guān)，所以r?常用的介質(zhì)基片是介電常數(shù)高、高頻損耗小的材料，比如氧化鋁陶瓷 ( =~10， )r???1. 微帶線組成結(jié)構(gòu)微帶線是平面型結(jié)構(gòu)，它由金屬接地板、介質(zhì)基片和導帶三部分組成，介質(zhì)基片填充在金屬接地板和中心導帶之間，如圖 所示。圖 微帶線組成結(jié)構(gòu)2. 有效介電常數(shù)微帶線導體帶上面為空氣，導體帶下面為介質(zhì)，可以定義一種全部填充等效介質(zhì)的微帶線，等效介質(zhì)的相對介電常數(shù)為 ，這種等效的微帶線和真實微re?帶線具有相同的相速度和特性阻抗，其等效關(guān)系由有效相對介電常數(shù) 決定。re?微帶線有效相對介電常數(shù) 的近似計算公式為：re? ()hWWhrrerre ?????????? ????????????????212212104.??式中， 表示相對介電常數(shù)，W 表示導帶寬度，h 表示介質(zhì)基片厚度。r3. 微帶線的傳輸特性如果導體帶與接地金屬版之間由一種介質(zhì)包圍，則微帶線可以傳輸 TEM 波。但是微帶線導體帶尤為有兩種媒質(zhì)，導體帶上面為空氣、下面為介質(zhì)，存在介質(zhì)空氣分界面。這種半開放式的系統(tǒng)雖然使微帶線易于制作各種電路，但也給微帶線特性參數(shù)的計算帶來了復(fù)雜性，同時使微帶線中不可能傳輸 TEM 波，而是傳輸準 TEM 波。微帶線傳輸準 TEM 波，但微帶線的傳輸特性近似按照 TEM 波計算。微帶線的相速度和波長按下面公式計算： ()reprecv???4. 特性阻抗利用微帶線有效相對介電常數(shù)，可以得到微帶線特性阻抗 的近似計算公0Z式： ()??hWhhWZhrere ???????? ????????? ???????? )(??式中， 為微帶線有效相對介電常數(shù)， 表示導體帶寬度， 表示介質(zhì)基re片厚度。5. 微帶線損耗微帶線存在損耗，常以衰減常數(shù) 表示。一般來說，常忽略輻射損耗，只?考慮介質(zhì)損耗 和導帶損耗 。d?c()cd??對于低損耗介質(zhì)：（dB/cm） ()????rerd?對于高損耗介質(zhì)：(dB/cm) ()rerd ???????微帶線的導體損耗為： ()WZRSc0?其中 ???0fRS?式中， 為導帶的電導率， 為微帶線在真空中的磁導率。?0 史密斯圓圖在傳輸線問題的計算中，經(jīng)常涉及輸入阻抗、負載阻抗、反射系數(shù)和駐波系數(shù)等量，利用公式進行計算并不困難但比較繁瑣，為了簡化計算，開發(fā)了圖解方法，這種方法可以在一個圖中簡單直觀地顯示傳輸線上各點輸入阻抗與反射系數(shù)的關(guān)系，該圖解稱為史密斯圓圖。史密斯圓圖廣泛應(yīng)用在電路的阻抗分析、網(wǎng)絡(luò)的匹配設(shè)計、放大器的增益計算、有源電路的穩(wěn)定性設(shè)計等方面，甚至于儀器，例如廣泛使用的網(wǎng)絡(luò)分析儀。也用圓圖表示某些測量結(jié)果。史密斯圓圖是應(yīng)用于工程領(lǐng)域的一個非常有用的工具，但是它本身的構(gòu)成比較復(fù)雜，學習起來也比較困難，為了更易于理解，下面將按“史密斯反射系數(shù)圓+ 史密斯阻抗圓+ 史密斯導納圓 ”的方式逐漸添加，由淺入深循序漸進地講述。 反射系數(shù)圓反射系數(shù)是傳輸線的基本特性參數(shù)，它既描述了傳輸線上各點反射電壓與入射電壓之間的關(guān)系，也描述了負載阻抗與特性阻抗的失配度。史密斯圓圖是在反射系數(shù)的復(fù)平面上建立起來的，為此，