3.1傳輸線和S參數(shù)各種微波集成傳輸系統(tǒng)微帶線共面波導(dǎo)槽線鰭線介質(zhì)波導(dǎo)鏡像線H形波導(dǎo)G形波導(dǎo)準(zhǔn)TEM波傳輸線

非TEM波傳輸線

開放式介質(zhì)波導(dǎo)半開放式介質(zhì)波導(dǎo)2射頻電路中常用的傳輸線雙線傳輸線；同軸傳輸線；微帶線；電波在無損耗傳輸線內(nèi)流動(dòng)原理圖。紅色代表高電壓，藍(lán)色代表低電壓。黑色圓點(diǎn)代表電子。傳輸線接于阻抗匹配的負(fù)載電阻（右邊的盒子）上，波形完全被吸收。3雙線傳輸線缺點(diǎn)：導(dǎo)體發(fā)射的電和磁力線延伸到無限遠(yuǎn)，并影響附近的電子設(shè)備；導(dǎo)體類似一個(gè)大天線，輻射損耗大；（僅用于電視設(shè)備中）4同軸傳輸線外導(dǎo)體通常接地，所以輻射損耗和場(chǎng)干擾都特別小，適合高頻傳輸。5幾個(gè)常用的概念特征阻抗、輸入阻抗反射系數(shù)；駐波比；S參數(shù)6z,m02040608010012014016018020000.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0V(z,t)V(z,t)20100-10-2020100-10-20t,μs-VAVVBzΔVz=RGVARLABVGz相速度當(dāng)時(shí)，λ=94.86m設(shè)導(dǎo)線方向與z軸方向一致，長(zhǎng)度為1.5cm，忽略其電阻，在f=1MHz時(shí)電壓空間變化不明顯。當(dāng)f=10GHz時(shí)，λ=0.949cm，與導(dǎo)線長(zhǎng)度相似，測(cè)量結(jié)果如圖。7傳輸線基本理論V(z+z)z+zΔL2R2GR1L1Czz+zΔ-z+I(z+z)I(z)ΔV(z)-+Δ當(dāng)頻率高到必須考慮電壓和電流的空間特性時(shí)，基爾霍夫定律不能直接應(yīng)用，而要用分布參量R、L、C和G表示(根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)分立元件平均尺寸大于波長(zhǎng)1/10時(shí)應(yīng)該應(yīng)用傳輸線理論)。特性阻抗：無耗時(shí)：R=G=08沿線電壓分布和電流分布

沿線電壓和電流注意正方向的選取！+表示沿+z方向傳播-表示沿-z方向傳播傳播常數(shù)（）和特征阻抗表征傳輸線的自身特性9輸入阻抗傳輸線上任意一點(diǎn)電壓與電流之比稱為阻抗，它與導(dǎo)波系統(tǒng)的狀態(tài)特性密不可分。微波阻抗是不能直接測(cè)量的，只能借助于狀態(tài)參量的測(cè)量而獲得。均勻無耗傳輸線的輸入阻抗為

結(jié)論均勻無耗傳輸線上任意一點(diǎn)的輸入阻抗與觀察點(diǎn)的位置、傳輸線的特性阻抗、終端負(fù)載阻抗及工作頻率有關(guān)，且一般為復(fù)數(shù)，故不宜直接測(cè)量。由于tan(z+/2)=tan(z)，所以Zin(z+/2)=Zin(z)，即傳輸線上的阻抗具有/2的周期性。10[例1]一根特性阻抗為50、長(zhǎng)度為0.1875m的無耗均勻線，其工作頻率為200MHz，終端接有負(fù)載Zl=40+j30，試求其輸入阻抗。解：工作頻率f=200MHz，故相移常數(shù)=2f/c=4/3,由于Zl=40+j30、Z0=50、z=l=0.1875m，因而得輸入阻抗結(jié)論：若終端負(fù)載為復(fù)數(shù)，傳輸線上任意點(diǎn)處輸入阻抗一般也為復(fù)數(shù)，但若傳輸線的長(zhǎng)度合適，則其輸入阻抗可變換為實(shí)數(shù)，這也稱為傳輸線的阻抗變換特性。11反射系數(shù)(reflectioncoefficient)對(duì)無耗傳輸線

，終端負(fù)載為Zl，則

對(duì)均勻無耗傳輸線來說，任意點(diǎn)反射系數(shù)大小相等，沿線只有相位按周期變化，其周期為，即反射系數(shù)具有重復(fù)性。反射系數(shù)

：傳輸線上任意一點(diǎn)處的反射波電壓（或電流）與入射波電壓（或電流）之比，即式中稱為終端反射系數(shù)12當(dāng)z=0時(shí)(0)=l，則終端反射系數(shù)輸入阻抗與反射系數(shù)的關(guān)系傳輸線上電壓、電流又可以表示為于是有上式也可寫成輸入阻抗與反射系數(shù)有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系！13討論當(dāng)時(shí)，當(dāng)終端開路或短路或接純電抗負(fù)載時(shí)，終端反射系數(shù)它表明傳輸線上沒有反射波，只存在由電源向負(fù)載方向傳播的行波

此時(shí)表明入射到終端的電磁波全部被反射回去

。而當(dāng)終端負(fù)載為任意復(fù)數(shù)時(shí)，一部分入射波被負(fù)載吸收，一部分被反射回去。當(dāng)傳輸線特性阻抗一定時(shí)，輸入阻抗與反射系數(shù)有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，因此，輸入阻抗可通過反射系數(shù)的測(cè)量來確定。14

駐波比（standingwaveratio(VSWR)）電壓駐波比—傳輸線上電壓最大值與電壓最小值之比，衡量失配程度電壓駐波比為反射系數(shù)大小用駐波比來表示為(1

)15駐波比Incidentwave(blue)isfullyreflected(redwave)outofphaseatshort-circuitedendoftransmissionlinecreatinganetvoltage(black)standingwave.Γ=-1,SWR=∞.Standingwavesontransmissionline,netvoltageshownindifferentcolorsduringoneperiodofoscillation.Incomingwavefromleft(amplitude=1)ispartiallyreflectedwith(toptobottom)Γ=.6,-.333,and.8∠60°.ResultingSWR=4,2,9.16小結(jié)特征阻抗：特征阻抗是微波傳輸線的固有特性，它等于模式電壓與模式電流之比。無耗傳輸線的特征阻抗為實(shí)數(shù)，有耗傳輸線的特征阻抗為復(fù)數(shù)。在做PCB板設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮匹配問題，考慮信號(hào)線的特征阻抗是否等于所連接前后級(jí)部件的阻抗。當(dāng)不相等時(shí)會(huì)產(chǎn)生反射，造成失真和功率損失。反射系數(shù)：駐波比：駐波系數(shù)是衡量負(fù)載匹配程度的一個(gè)標(biāo)志，它在數(shù)值上等于回波損耗：也是用來反映端口匹配狀況的。回波損耗表示端口的反射波功率與入射波功率之比。17反射系數(shù)的取值范圍是0~1，駐波比的取值范圍是1~∞，射頻接口中一般要求駐波系數(shù)小于2.0。駐波比惡化意味著信號(hào)反射比較厲害，也就是負(fù)載和傳輸線的匹配效果比較差，駐波比差會(huì)使傳輸效果變差，通道增益下降，以至于靈敏度下降。當(dāng)反射系數(shù)為0時(shí),駐波比為1,當(dāng)反射系數(shù)接近1(實(shí)際情況下不可能為1)時(shí),駐波比取值接近無窮大。回波損耗26dB時(shí)，反射系數(shù)為0.05，駐波比為：1.1，駐波比為2的時(shí)候，回波損耗9.5dB。

開路傳輸線、短路傳輸線，λ/4傳輸線……18單端口和多端口網(wǎng)絡(luò)

網(wǎng)絡(luò)模型可以大量減少無源和有源器件數(shù)目；避開電路的復(fù)雜性和非線性效應(yīng)；簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)輸入和輸出特性的關(guān)系；最重要的是不必了解系統(tǒng)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)就可以通過實(shí)驗(yàn)確定網(wǎng)絡(luò)輸入和輸出參數(shù)。基本定義多端口網(wǎng)絡(luò)-i4+v4單端口網(wǎng)絡(luò)-i1+v1-iN-1+vN-1雙端口網(wǎng)絡(luò)-i2+v2-i1+v1-i1+v1-i3+v3-iN+vN-i2+v24端口N端口2端口3端口1端口N-1端口其中阻抗矩陣19其中同理：例

求π形網(wǎng)絡(luò)的阻抗矩陣和導(dǎo)納矩陣。解：i2v2+--+ZCZAv1ZBi1結(jié)論：通過假設(shè)網(wǎng)絡(luò)端口為開路或短路狀態(tài)，容易測(cè)得全部參數(shù)，且互易。導(dǎo)納矩陣?yán)镁仃嚕梢赃M(jìn)行網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)、并聯(lián)計(jì)算。20用散射參量表征器件的特性在絕大多數(shù)涉及射頻系統(tǒng)的技術(shù)資料和數(shù)據(jù)手冊(cè)中，經(jīng)常用到散射參量（S參數(shù)），其重要原因在于：實(shí)際接收系統(tǒng)的特性不能采用終端開路、短路的測(cè)量方法；當(dāng)采用導(dǎo)線形成短路線時(shí)，導(dǎo)線本身存在電感，而且其電感量在高頻下非常大；若采用終端開路，也會(huì)在終端形成負(fù)載電容，另外，當(dāng)涉及電波電波傳播時(shí)也并不希望發(fā)射系數(shù)的模等于1例如，終端的不連續(xù)性將導(dǎo)致有害的電壓、電波反射，并產(chǎn)生可能造成器件損壞的振蕩。利用S參量，就避開了不現(xiàn)實(shí)的終端條件；21S參量的定義散射參量(S)

注意到an=0的條件意味著兩個(gè)端口都沒有功率波返回網(wǎng)絡(luò)，這只能在兩端傳輸線都匹配時(shí)才成立。b2a2b1a1定義S參量：其中：定義歸一化入射電壓波：相減：相加：所以：，定義歸一化反射電壓波：

實(shí)際的射頻系統(tǒng)不能采用終端開路(電容效應(yīng))或短路(電感效應(yīng))的測(cè)量方法，另外終端的不連續(xù)性將導(dǎo)致有害的電壓電流波反射，并產(chǎn)生可能造成器件損壞的振蕩。22S參量的物理意義測(cè)量S22和S12,為保證a1=0，必須使ZG=Z0則：b2a2=0b1a1VG1Z0Z0ZLZ0測(cè)量S11和S21,為保證a2=0，必須使ZL=Z0則：b2a1=0b1a2VG2Z0Z0ZGZ0反向電壓增益正向電壓增益23輸入端的反射系數(shù)：（輸出匹配）輸出端的反射系數(shù)：（輸入匹配）若或或24例

假設(shè)一3dB衰減網(wǎng)絡(luò)插入到Z0=50Ω的傳輸線中，求該網(wǎng)絡(luò)的S參量和電阻。由于網(wǎng)絡(luò)必須匹配，所以：S11=S22=0R2R3R1衰減網(wǎng)絡(luò)解：在3dB衰減條件下：則：S11和S21測(cè)試電路根據(jù)對(duì)稱性聯(lián)立得：R1=R2=8.58Ω，R3=141.4ΩR2R1R350Ω25RF衰減器RF電路上常用的衰減器結(jié)構(gòu)有T型和Π型兩種,結(jié)構(gòu)如下圖所示:衰減值計(jì)算:定義:Rins為輸出短路時(shí)的輸入電阻,Rino為輸出開路時(shí)的輸入電阻.Ro=SQRT(Rins*Rino)m=R2/R1A=(1+m+SQRT(1+2m))/mAtten.(dB)=20Log(a)我們可以將很多常用的RF電路簡(jiǎn)化為上圖的雙端口網(wǎng)絡(luò)模型,其中:端口1為輸入端口,端口2為輸入端口;Zs為輸入信號(hào)源阻抗,ZL為負(fù)載阻抗;a1為端口1輸入功率，b1為端口1輸出功率(包括反射)a2為端口1輸入功率，b2為端口1輸出功率(包括反射)定義:a1=S11a1+S21a2b2=S12a1+S22a2a2=0時(shí):S11=b1/a1

S21=b2/a1a1=0時(shí):S22=b2/a2S12=b1/a2雙端口網(wǎng)絡(luò)和S參數(shù)(c)雙端口網(wǎng)絡(luò):S11=b1/a1,可以認(rèn)為是雙端口網(wǎng)絡(luò)輸出端匹配時(shí)輸入端口的反射系數(shù)。雙端口網(wǎng)絡(luò):S21=b2/a1,可以認(rèn)為是雙端口網(wǎng)絡(luò)輸出端匹配時(shí)的增益(Gain,此時(shí)雙端口網(wǎng)絡(luò)為功率放大器)或插入損耗(InsertionLoss,此時(shí)雙端口網(wǎng)絡(luò)為衰減器)。雙端口網(wǎng)絡(luò):S22=b2/a2,可以認(rèn)為是雙端口網(wǎng)絡(luò)在輸入端接上匹配負(fù)載后輸出端的反射系數(shù)。雙端口網(wǎng)絡(luò):S12=b1/a2,可以認(rèn)為是雙端口網(wǎng)絡(luò)在輸入端接上匹配負(fù)載后的反向增益或反向插入損耗。S參量的測(cè)量RABRFDUT直流電流雙定向耦合器待測(cè)元件T形接頭雙定向耦合器T形接頭50Ω50Ω矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量S11和S21的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

射頻源RF輸出射頻信號(hào)，測(cè)量通道R用于測(cè)量入射波，同時(shí)也作為參考端口。通道A和B用于測(cè)量反射波和傳輸波(S11=A/R，S21=B/R)。若要測(cè)量S12和S22，則必須將待測(cè)元件反過來連接。30設(shè)置鍵功能鍵數(shù)據(jù)輸入鍵導(dǎo)航鍵Port1Port2/RFin31微帶傳輸線微帶線易于有源、無源電路的集成；載流導(dǎo)帶下面的接地平面可阻擋額外的場(chǎng)泄露，降低輻射損耗。單層pcb的缺點(diǎn)是也有較高的輻射損耗和鄰近導(dǎo)帶之間的串?dāng)_；可選用高介電常數(shù)和多層板來解決這個(gè)問題；32hw微帶線是由沉積在介質(zhì)基片上的金屬導(dǎo)體帶和接地板構(gòu)成的一個(gè)特殊傳輸系統(tǒng)，導(dǎo)體帶寬度為w、厚度為t插入金屬板微帶線的演化過程及結(jié)構(gòu)33a.重要的幾何參數(shù)基片厚度（d）；微帶線寬度（W）；金屬厚度；在較高頻率上還要

考慮粗糙度等。微帶線的基本結(jié)構(gòu)34b.重要的電磁參數(shù)介質(zhì)介電常數(shù)；介質(zhì)的損耗正切；相對(duì)磁導(dǎo)率；金屬的導(dǎo)電率等。c.多種其它結(jié)構(gòu)微帶線屏蔽微帶、懸置微帶、倒置微帶、耦合微帶等35微帶線—基本傳輸特性a.微帶中的波型：準(zhǔn)TEM波

（0.5mm，er=2.2基片上50ohm線，對(duì)數(shù)幅度，并放大了矢量圖尺寸）*場(chǎng)的近似靜電解《微波工程》p125-12736c.微帶相速與傳播常數(shù)*b.等效介電常數(shù)*（充滿線路周圍空間均勻介質(zhì)的介電常數(shù)）*參考《微波工程》p123－124式中，εr、

εe分別為基片相對(duì)介電常數(shù)和微帶等效介電常數(shù)37d.微帶阻抗**參考《微波工程》p123－12438微帶特性阻抗與w/h的關(guān)系介質(zhì)微帶特性阻抗隨著w/h增大而減小；相同尺寸條件下，r越大，特性阻抗越小。39微帶特性阻抗與導(dǎo)帶厚度的關(guān)系對(duì)于不同寬度的導(dǎo)帶，厚度對(duì)特性阻抗影響不同40e.微帶線的損耗**參考《微波工程》p123－124源于介質(zhì)的介電損耗源于導(dǎo)體的損耗41例1：在0.5mm厚的介質(zhì)基片Rogers5880上的微帶線。基片介電常數(shù)2.2,損耗正切0.001，線寬1.52mm，材質(zhì)為銅，求微帶線的特性。解：等效介電常數(shù)微帶線—基本傳輸特性42相速與傳播常數(shù)*考慮頻率為30GHz和1GHz(f=30GHz)(f=1GHz)43(f=30GHz)微帶阻抗微帶線的損耗源于介質(zhì)的介電損耗44源于導(dǎo)體的損耗總損耗(f=30GHz)(f=30GHz)(f=1GHz)45例2：微帶設(shè)計(jì)計(jì)算微帶的寬度和長(zhǎng)度，要求在2.5GHz時(shí)為50Ω阻抗和1／4波長(zhǎng)。基片厚度0.127cm,εr=2.2。解:猜測(cè)W/d>2,根據(jù)前述公式有上述結(jié)果滿足假設(shè)的W/d>2。再計(jì)算46計(jì)算工具一些有用的計(jì)算工具：APPCAD，ADS的linecalc,CST的線計(jì)算工具等。47微帶線走線原則走線的風(fēng)格；走線的拐角；優(yōu)先畫相鄰的走線；走線的平滑處理；結(jié)論：盡可能短；盡可能平滑；盡可能正交；ABABBABAABADABCBCDABZABZ1Z2P圖8.40走線的寬度應(yīng)該是漸變的而非突變48散射參量的應(yīng)用——射頻放大器的設(shè)計(jì)指標(biāo)要求：頻率范圍2.11GHz—2.17GHz

增益>15dB

輸入反射系數(shù)S11<-15dB

輸入反射系數(shù)S22<-15dB器件選購：富士通公司FLL177該器件的散射參量文件!FLL177MEFujitsuDevice.!S-PARAMETERS!VDS=10V,IDS=360mA!FREQUENCYS11S21S12S22!(MHZ)MAGANGMAGANGMAGANGMAGANG#MHzSMAR50500.893-117.69.628117.9.02340.5.219-106.31000.865-150.25.465101.7.02536.1.277-123.11500.857-165.43.85395.3.02742.5.337-130.22000.852-175.72.98690.4.02852.6.399-136.1