【2017年整理】微波电路学习参考.doc

微波电路设计 0.0电磁微波设计基础 射频/微波的主要特性：⑴波长短、沿直线传播，具有与几何光学相似的特性，故射频/微波可用于雷达测距。⑵具有穿透性，当射频/微波照射物体表面时能深入该物体内部的特点，故射频/微波是微波加热、遥感技术、医学热疗、等离子体诊断的最要手段。⑶具有非电离性，射频/微波的量子能量还不足够大，与物质作用时虽能改变物质分子的运动状态但不能改变其内部结构，故射频/微波是探索物质内部结构的重要手段。⑷射频/微波的频带宽，射频/微波的频率范围：300MHz~3000gHz，对应波长为1m~0.1mm的电磁波，故射频/微波是通信良好的频率资源。 0.1射频/微波设计的基本特点 射频/微波电路和一般电路一样，基本构成有电阻、电容、电感、传输线和金属导线。 金属导线：对于低频电路而言，导线的意义是良导体，其电阻、电容、电感等寄生参数可以忽略不计，但对于高频情况就必须要考虑这种分布参数的影响。当交变电流频率较高时，金属导线表现最为明显的是趋肤效应。趋肤效应就是由于交变电流形成交变磁场，该交变磁场感生电场的电流密度与原始电流正好相反，这种效应在导体中心位置变现最强，频率越高电流分布越局限于导体表面，这就是趋肤效应。工程上，定义趋肤深度为电磁波的幅值衰减为导体表面的1/e（或0.368）时电磁波所传播的距离，即 (传播常数)，记作，导体每平方米的表面电阻和表面电抗为，该式在时成立，则有表面阻抗.在工程设计中，无需严格计算金属导线的电阻、电感和电容值，但必须理解这些概念并合理利用或加以回避，以保证整个电路的工作性能。 电阻：常用电阻类型有：高密度介质合成电阻、绕线电阻、薄膜片电阻。在射频/微波电路中最常采用的是薄膜片电阻，封装为表面贴片元件(SMD). 一般电阻的分布参数等效模型为： 其中，为等效模拟电荷分离效应电容，为等效引线电容，L为等效引线电感。如果绕线电阻的话，还要把绕线电感考虑进去。 电容：一般可以分为片状电容和电解电容两大类，在射频/微波电路中多采用片状电容。 片状电容分布参数等效模型为： 其中，L为引线电感，为引线导体损耗电阻，介质损耗电阻。 电感：一般都是由线圈构成。高频电感的的等效电路为： 其中，为绕线电阻，为旁路寄生电容。 微波设计电路的主要参数及分析方法 射频/微波工程所要解决的核心问题有三大方面：频率、阻抗和功率。这三个指标既相互独立又相互影响，只有处理好三者的关系才能实现设计目标。 微波信号频率电路有以下几种：信号发生器、频率变换器、频率选择电路。微波功率电路主要有衰减器、放大器、功分器、耦合器。阻抗参数所涉及的电路有阻抗变换器、阻抗匹配器、天线。 微波传输线的种类繁多，但对传输线的一般要求是：宽频带、低衰减的单模传输电磁波。 1.1场的基本规律.为方便起见，引入矢量微分算符，拉普拉斯算符. 高斯(或散度)定理： 意义：矢量场的散度在体积V上的体积分等于在限定该体积的闭合面上的面积分。 斯托科斯定理：，意义：矢量场的旋度在曲面S上的面积分等于在限定曲面的闭合曲线C上的线积分. 矢量场的旋度有一个重要的性质： 格林恒等式：，式中为闭合面S外法向导数. 格林恒等式的意义：知其中一个场的分布求另一个场的分布。 亥姆霍兹定理：在有限的区域V内，任一矢量场由它的散度、旋度和边界条件唯一确定，且可表示为 ,其中 亥姆霍兹定理意义：矢量场可以用一个标量函数的梯度和一个矢量函数的旋度之和来表示，标量函数由矢量场的散度和在边界S上的法向分量完全确定，矢量函数由矢量场的旋度和在边界S上的切向分量完全确定。 库仑定律： ，设检验电荷为，定义电场强度. 微分形式的欧姆定律：,微分形式的焦耳定律 安培力定律：回路作用力为 毕奥-萨伐尔定律：定义磁感应强度 洛伦兹力定律：或 电介质中的高斯定理：引入电位移矢量,普遍适用的高斯定理可表述为以下形式 法拉第电磁感应定律：设场源有两种电荷磁场和变化的磁场，合成电场，由于是无旋场，有 电荷守恒与电流连续性方程： 电介质中的安培环路定理：引入磁场强度和位移电流密度，普遍适用的安培环路定理可表述为，式中为不导电空间的运流电流，它与传导电流不能同时存在。 麦克斯韦方程组 ①全电流定律 ②法拉第电磁感应定律 ③磁通连续性原理 ④电荷守恒原理 物质对电磁场的响应可分为极化、磁化和传导三种现象，媒质的本构关系：,,.其中，：介电常数，：磁导率，：电导率。 弛豫时间： ，用于度量导电媒质达到静电平衡的快慢程度。当时，媒质内的电荷密度降至不足初始值的1%，通常认为5倍弛豫时间后导体达到静电平衡。 1.2电磁场的边界条件及边值问题的求解 电磁场边界条件的定义：把电磁场矢量在不同媒质分界面上各自满足的关系称为电磁场的边界条件. 的边界条件：或 的边界条件：或 的边界条件： 或 的边界条件：或 注