传输线及S参数课件.ppt

第3章微波基础和常用无源器件,1,PPT课件,各种微波集成传输系统,2,PPT课件,射频电路中常用的传输线,双线传输线；同轴传输线；微带线；,电波在无损耗传输线内流动原理图。红色代表高电压，蓝色代表低电压。黑色圆点代表电子。传输线接于阻抗匹配的负载电阻（右边的盒子）上，波形完全被吸收。,3,PPT课件,双线传输线,缺点：导体发射的电和磁力线延伸到无限远，并影响附近的电子设备；导体类似一个大天线，辐射损耗大；（仅用于电视设备中）,4,PPT课件,同轴传输线,外导体通常接地，所以辐射损耗和场干扰都特别小，适合高频传输。,5,PPT课件,几个常用的概念,特征阻抗、输入阻抗反射系数；驻波比；S参数,6,PPT课件,相速度,设导线方向与z 轴方向一致，长度为1.5cm，忽略其电阻，在f=1MHz时电压空间变化不明显。当 f =10GHz时， =0.949cm，与导线长度相似，测量结果如图。,7,PPT课件,传输线基本理论,当频率高到必须考虑电压和电流的空间特性时，基尔霍夫定律不能直接应用，而要用分布参量R、L、C和G表示(根据经验，当分立元件平均尺寸大于波长1/10时应该应用传输线理论)。,特性阻抗：,无耗时：R=G=0,8,PPT课件,沿线电压分布和电流分布,沿线电压和电流,注意正方向的选取！ +表示沿+z方向传播 - 表示沿 -z方向传播传播常数（ ）和特征阻抗表征传输线的自身特性,9,PPT课件,输入阻抗,传输线上任意一点电压与电流之比称为阻抗，它与导波系统的状态特性密不可分。微波阻抗是不能直接测量的，只能借助于状态参量的测量而获得。,均匀无耗传输线的输入阻抗为,结论,均匀无耗传输线上任意一点的输入阻抗与观察点的位置、传输线的特性阻抗、终端负载阻抗及工作频率有关，且一般为复数，故不宜直接测量。由于tan(z+/2)= tan(z)，所以Zin (z+/2)= Zin(z)，即传输线上的阻抗具有/2的周期性。,10,PPT课件,例1 一根特性阻抗为50、长度为0.1875m的无耗均匀线，其工作频率为200MHz，终端接有负载Zl=40+j30 ，试求其输入阻抗。,解：工作频率f= 200MHz ，故相移常数=2f/c= 4/3,由于 Zl=40+j30 、 Z0=50 、z=l= 0.1875m，因而得输入阻抗,结论：若终端负载为复数，传输线上任意点处输入阻抗一般也为复数，但若传输线的长度合适，则其输入阻抗可变换为实数，这也称为传输线的阻抗变换特性。,11,PPT课件,反射系数 (reflection coefficient),对无耗传输线 ，终端负载为Zl，则,对均匀无耗传输线来说，任意点反射系数大小相等，沿线只有相位按周期变化，其周期为 ，即反射系数具有 重复性。,反射系数 ：传输线上任意一点处的反射波电压（或电流）与入射波电压（或电流）之比，即,式中,称为终端反射系数,12,PPT课件,当z=0时(0)=l ，则终端反射系数,输入阻抗与反射系数的关系,传输线上电压、电流又可以表示为,于是有,上式也可写成,输入阻抗与反射系数有一一对应的关系！,13,PPT课件,讨论,当 时，,当终端开路 或短路 或接纯电抗负载时，终端反射系数,它表明传输线上没有反射波，只存在由电源向负载方向传播的行波,此时表明入射到终端的电磁波全部被反射回去 。,而当终端负载为任意复数时，一部分入射波被负载吸收，一部分被反射回去。,当传输线特性阻抗一定时，输入阻抗与反射系数有一一对应的关系，因此，输入阻抗可通过反射系数的测量来确定。,14,PPT课件,驻波比（standing wave ratio (VSWR)）,电压驻波比传输线上电压最大值与电压最小值之比，衡量失配程度,电压驻波比为,反射系数大小用驻波比来表示为,(1 ),15,PPT课件,驻波比,Incident wave (blue) is fully reflected (red wave) out of phase at short-circuited end of transmission line creating a net voltage (black) standing wave. =-1, SWR=.,Standing waves on transmission line, net voltage shown in different colors during one period of oscillation. Incoming wave from left (amplitude = 1) is partially reflected with (top to bottom) = .6, -.333, and .860. Resulting SWR = 4, 2, 9.,16,PPT课件,小结,特征阻抗：特征阻抗是微波传输线的固有特性，它等于模式电压与模式电流之比。无耗传输线的特征阻抗为实数，有耗传输线的特征阻抗为复数。在做PCB板设计时，需要考虑匹配问题，考虑信号线的特征阻抗是否等于所连接前后级部件的阻抗。当不相等时会产生反射，造成失真和功率损失。反射系数：,驻波比：驻波系数是衡量负载匹配程度的一个标志，它在数值上等于,回波损耗：也是用来反映端口匹配状况的。回波损耗表示端口的反射波功率与入射波功率之比。,17,PPT课件,反射系数的取值范围是01，驻波比的取值范围是1，射频接口中一般要求驻波系数小于2.0。驻波比恶化意味着信号反射比较厉害，也就是负载和传输线的匹配效果比较差，驻波比差会使传输效果变差，通道增益下降，以至于灵敏度下降。当反射系数为0时,驻波比为1,当反射系数接近1(实际情况下不可能为1)时,驻波比取值接近无穷大。回波损耗26dB时，反射系数为0.05，驻波比为：1.1，驻波比为2的时候，回波损耗9.5dB。,开路传输线、短路传输线，/4传输线,18,PPT课件,单端口和多端口网络,网络模型可以大量减少无源和有源器件数目；避开电路的复杂性和非线性效应；简化网络输入和输出特性的关系；最重要的是不必了解系统内部的结构就可以通过实验确定网络输入和输出参数。,基本定义,其中,阻抗矩阵,19,PPT课件,其中,同理：,例 求形网络的阻抗矩阵和导纳矩阵。,解：,结论：通过假设网络端口为开路或短路状态，容易测得全部参数，且互易。,导纳矩阵,利用矩阵，可以进行网络串联、并联计算。,20,PPT课件,用散射参量表征器件的特性,在绝大多数涉及射频系统的技术资料和数据手册中，经常用到散射参量（S参数），其重要原因在于：实际接收系统的特性不能采用终端开路、短路的测量方法；当采用导线形成短路线时，导线本身存在电感，而且其电感量在高频下非常大；若采用终端开路，也会在终端形成负载电容，另外，当涉及电波电波传播时也并不希望发射系数的模等于1例如，终端的不连续性将导致有害的电压、电波反射，并产生可能造成器件损坏的振荡。利用S参量，就避开了不现实的终端条件；,21,PPT课件,S 参量的定义,散射参量(S),注意到an=0 的条件意味着两个端口都没有功率波返回网络，这只能在两端传输线都匹配时才成立。,定义S 参量： 其中：,定义归一化入射电压波：,相减：,相加：,所以： ，,定义归一化反射电压波：,实际的射频系统不能采用终端开路(电容效应)或短路(电感效应)的测量方法，另外终端的不连续性将导致有害的电压电流波反射，并产生可能造成器件损坏的振荡。,22,PPT课件,S 参量的物理意义,测量S22和S12, 为保证a1= 0，必须使 ZG=Z0,则：,测量S11和S21, 为保证a2= 0，必须使 ZL=Z0,则：,反向电压增益,正向电压增益,23,PPT课件,输入端的反射系数：,（输出匹配）,输出端的反射系数：,（输入匹配）,若,或,或,24,PPT课件,例 假设一3dB衰减网络插入到 Z0 = 50的传输线中，求该网络的S 参量和电阻。,由于网络必须匹配，所以：S11= S22= 0,衰减网络,解：,在3dB衰减条件下：,则：,S11和S21测试电路,根据对称性联立得：R1= R2= 8.58 ， R3=141.4 ,25,PPT课件,RF衰减器,RF电路上常用的衰减器结构有T型和型两种,结构如下图所示:,衰减值计算:定义:Rins 为输出短路时的输入电阻,Rino 为输出开路时的输入电阻.Ro=SQRT(Rins*Rino)m=R2/R1A=(1+m+SQRT(1+2m)/mAtten.(dB)=20Log(a),26,PPT课件,我们可以将很多常用的RF电路简化为上图的双端口网络模型,其中:端口1为输入端口,端口2为输入端口;Zs为输入信号源阻抗,ZL为负载阻抗;a1为端口1输入功率，b1为端口1输出功率(包括反射)a2为端口1输入功率，b2为端口1输出功率(包括反射),27,PPT课件,定义: a1=S11a1+S21a2 b2=S12a1+S22a2a2=0时: S11=b1/a1 S21=b2/a1a1=0时: S22=b2/a2 S12=b1/a2,28,PPT课件,双端口网络和S参数(c),双端口网络: S11=b1/a1,可以认为是双端口网络输出端匹配时输入端口的反射系数。双端口网络: S21=b2/a1,可以认为是双端口网络输出端匹配时的增益(Gain,此时双端口网络为功率放大器)或插入损耗(Insertion Loss,此时双端口网络为衰减器)。双端口网络: S22=b2/a2,可以认为是双端口网络在输入端接上匹配负载后输出端的反射系数。双端口网络: S12=b1/a2,可以认为是双端口网络在输入端接上匹配负载后的反向增益或反向插入损耗。,29,PPT课件,S 参量的测量,测量S11和S21的实验系统,射频源RF输出射频信号，测量通道R用于测量入射波，同时也作为参考端口。通道A和B用于测量反射波和传输波(S11=A/R，S21=B/R)。 若要测量S12和S22，则必须将待测元件反过来连接。,30,PPT课件,设置键,功能键,数据输入键,导航键,Port1,Port2/RF in,31,PPT课件,微带传输线,微带线易于有源、无源电路的集成；载流导带下面的接地平面可阻挡额外的场泄露，降低辐射损耗。单层pcb的缺点是也有较高的辐射损耗和邻近导带之间的串扰；可选用高介电常数和多层板来解决这个问题；,32,PPT课件,微带线是由沉积在介质基片上的金属导体带和接地板构成的一个特殊传输系统，导体带宽度为w、厚度为t,插入金属板,微带线的演化过程及结构,33,PPT课件,a.重要的几何参数,基片厚度（d）；微带线宽度（W）；金属厚度；在较高频率上还要 考虑粗糙度等。,微带线的基本结构,34,PPT课件,b.重要的电磁参数,介质介电常数；介质的损耗正切；相对磁导率；金属的导电率等。,c.多种其它结构微带线,屏蔽微带、悬置微带、倒置微带、耦合微带等,35,PPT课件,微带线基本传输特性,a.微带中的波型：准TEM波,（0.5mm，er=2.2基片上 50ohm线，对数幅度，并放大了矢量图尺寸）,*场的近似静电解 微波工程p125-127,36,PPT课件,c.微带相速与传播常数*,b.等效介电常数*（充满线路周围空间均匀介质的介电常数）,* 参考微波工程p123124,式中，r、 e分别为基片相对介电常数和微带等效介电常数,37,PPT课件,d.微带阻抗*,* 参考微波工程p123124,38,PPT课件,微带特性阻抗与w/h的关系,介质微带特性阻抗随着w/h增大而减小；相同尺寸条件下，r越大，特性阻抗越小。,39,PPT课件,微带特性阻抗与导带厚度的关系,对于不同宽度的导带，厚度对特性阻抗影响不同,40,PPT课件,e.微带线的损耗*,* 参考微波工程p123124,源于介质的介电损耗,源于导体的损耗,41,PPT课件,例1：在0.5mm厚的介质基片Rogers 5880上的微带线。基片介电常数2.2,损耗正切0.001，线宽1.52mm，材质为铜，求微带线的特性。,解：,等效介电常数,微带线基本传输特性,42,PPT课件,相速与传播常数*,考虑频率为30GHz和1GHz,(f=30GHz),(f=1GHz),43,PPT课件,(f=30GHz),微带阻抗,微带线的损耗,源于介质的介电损耗,44,PPT课件,源于导体的损耗,总损耗,(f=30GHz),(f=30GHz),(f=1GHz),45,PPT课件,例2：微带设计计算微带的宽度和长度，要求在2.5GHz时为50阻抗和14波长。基片厚度0.127cm,r=2.2。,解:,猜测W/d2,根据前述公式有,上述结果满足假设的W/d2。再计算,46,PPT课件,计算工具,一些有用的计算工具：APPCAD，ADS的linecalc, CST的线计算工具等。,47,PPT课件,微带线走线原则,走线的风格；走线的拐角；优先画相邻的走线；走线的平滑处理；,结论：尽可能短；尽可能平滑；尽可能正交；,48,PPT课件,散射参量的应用射频放大器的设计,指标要求：频率范围2.11GHz2.17GHz 增益15dB 输入反射系数S11-15dB 输入反射系数S22-15dB,器件选购：富士通公司FLL177,该器件的散射参量文件,!FLL177ME Fujitsu Device.!S-PARAMETERS!V DS = 10V, I DS = 360mA!FREQUENCY S11 S21 S12 S22!(MHZ) MAG ANG MAG ANG MAG ANG MAG ANG# MHz S MA R 50500 .893 -117.6 9.628 117.9 .023 40.5 .219 -106.31000 .865 -150.2 5.465 101.7 .025 36.1 .277 -123.11500 .857 -165.4 3.853 95.3 .027 42.5 .337 -130.22000 .852 -175.7 2.986 90.4 .028 52.6 .399 -136.12500 .848 176.7 2.470 88.0 .029 65.6 .447 -140.53000 .836 169.2 2.204 86.2 .028 76.7 .502 -145.63500 .816 161.9 1.914 83.8 .037 85.1 .543 -151.04000 .784 153.4 2.026 81.6 .042 92.5 .566 -154.84500 .724 141.8 1.868 74.5 .048 91.8 .599 -158.95000 .618 124.4 2.005 67.7 .067 99.0 .616 -166.0,49,PPT课件,器件性能,50,PPT课件,在输入和输出端口加入匹配电路,51,PPT课件,设计仿真结果,微波网络的各个参量矩阵只和网络自身有关，和外界测试环境无关！,微波网络的各个参量矩阵可以作为电路模型进行系统和电路仿真！,52,PPT课件,3.微带不连续性,微带的弯曲、宽度（或高度）的突变、与其它传输线的接头等处存在不连续。这种不连续性引入寄生电抗，并影响能量 的连续传输，使幅度和相位发生变化，并影响匹配。,a.常见的不连续结构：,53,PPT课件,b. 不连续结构传输性的影响：,结构一：弯曲,-11dB,-40dB,54,PPT课件,弯曲的多种补偿方法*： 因为弯曲处有寄生容抗，所以主要方法是通过去除一部分金属来实现补偿。,*微波固态电路设计p36-37,55,PPT课件,-30dB,2040GHz,24GHz,-40dB,一个实例：斜边长1.55W,56,PPT课件,结构二：T型分支*,*微波固态电路设计p36-37,57,PPT课件,一个实例：结构为（a）右,58,PPT课件,4.端接负载的传输线,a. 匹配负载,与无限长均匀微带线相同，沿线各点阻抗均为特征阻抗。沿线反射均为零，驻波比无限大。,b. 任意负载,微带线端接负载的传输线,59,PPT课件,