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趣谈微波电路基础

趣谈微波电路基础

作者: 光头不光还亮 | 来源:发表于2019-03-11 09:46 被阅读0次

微波,可能初学者听到这个字眼,心里都打颤。因为,它见不到摸不着,同时理论又很深,公式推导起来又很繁琐。其实啊,我们做工程的,在产品设计及研发阶段,基本上靠应用软件就能解决掉90%以上的问题。那些复杂的公式啊,变态的推导过程啊,都被嵌入到软件内部,藏得深深的。初级工程师只要练习几遍,基本上都能得心应手。乍看起来,貌似只要熟悉了这些应用软件,就能够谈笑风生,淡定工作了。但是,一旦产品出现了问题,那么在调试过程中,不可避免要接触到微波理论。说到这里,心里又开始打颤了,因为心里有阴影,又要啃那些晦涩的书本了。

其实大可不必,我们上学时候学习的微波理论,大部分属于公式推导,工作后基本上会忘光。我们可以记住主要的结论,潜意识里知道这些结论的来源就足够了。这就是工程和理论的区别。当然,如果那位同志不甘心丢掉那些光辉的学业战绩,也可以继续深造,这倒是好事。

那么言归正传,我们需要知道哪些结论呢?以下,我将以个人经验进行总结。如有雷同,纯属巧合。

话说微波频率范围约300MHz-300GHz,300MHz对应的波长为1m,约和人体相当,所有如果有一个波长为1m的微波,每秒钟振荡次数为300000000次;如果频率300GHz波长1mm的微波,每秒钟振荡次数为300000000000次,这振荡次数也忒恐怖了。然而微波就是这样劳累的工作。

接下来我们先形象点,先认识和微波相关的产品吧!我们做产品时,不可避免要接触到PCB板,微波如何在PCB板中乖乖的传输呢?微波传输路径有很多种,常见的有微带线、带状线、波导、同轴线等。

微波集成电路如下,我们可以看到,电路元器件比较紧凑,是不是有一种小桥流水人家那种感觉呢?

常见的元器件主要如下:

常用的微波板材如下,当然,可根据产品特点选择最适合的板材。

名称介电常数(εr)

聚四氟乙烯玻璃纤维基片2.7

陶瓷(Al2O3)基片(99%)9.6

微波复合介质基片可选

RT/duroid 58802.2

RO40033.38

TMM10I9.8

平时我们看到的板子上采用微带线实现的电路五花八门,滤波器啊,功分器啊,耦合器啊,其实都可以等效为LC等效电路来简化并知晓各个电路的原理,比如平行耦合微带线,可等效为电感电容形式的带通滤波器,以下为各种形式的微带结构,形成各种功能电路。

我们为了实现这些功能电路,要用哪些工具实现呢?举例如下

序号名称主要性能

1ADS综合软件包

2Serenade综合软件包

3MW Office线性/非线性电路、2.5D电磁场仿真

4GENESYS 线性/非线性电路、滤波器设计等

5HFSS3D电磁场仿真

6Symphony系统仿真

7Clementine共形天线设计

8Protel电路板布线

9AutoCAD电路板布线

常用指标及公式

VSWR:电压驻波比,常用来表征器件输入输出信号能量传输能力,VSWR越大,信号传输质量越差。比如一个水管粗细均匀,那么水流稳定,水流没有被反弹,ρ为零,VSWR就为1,当水管突然变窄后,水流被反弹了10%,那么VSWR就大于1了。

1dB压缩点输出功率(P-1):

P-1是表示一个放大器的非线性特性和输出能力的一项重要指标。

三阶互调公式也要熟记于心啊,在测试测量中经常会应用得到:

下面表格中的公式和数据举例运算无论是课堂上还是工程上经常会用到。微波工程公式那么多,让你记住这点已经不错了啊,放心吧,只要你记住以下几条,能超过全国同行公司里80%的微波工程师了(难道大家岁数都大了吗?)!更何况我还不要求你记住麦克斯韦的微分方程组甚至是积分方程组呢。

下图是矢量网络分析仪S参数测量意义,这个我不想说啥了啊!

微波在自由空间传输损耗公式如下:

          Ls(dB)=92.4+20logd(km)+20logf (GHz)

输入阻抗公式也能排上记忆的座次,输入阻抗的概念在工程设计中经常会用到,有了传输线某一点出的输入阻抗,可将在改点右侧及负载一并去掉,并在改点处跨接一个等于改点处的输入阻抗的负载,则在改点左侧点电压和电流不受影响。这个公式用到的机会非常多,比如开路短路线啊,谐振腔啊,微带滤波器啊等等。       

记不住的话我就板书给你o(∩_∩)o 

再记不住我再请上我的祖师爷了。

Smith圆图大家不必死记硬背,基本上和匹配有关系,无非就是和电感电容打交道,使用ADS软件,搞几次就会了。

还要浪费一下大家脑壳,矩形波导截止频率公式如下。

无耗传输线特征阻抗如下,大哥,不好意思了,这个公式死缠烂打也要记住哈!

特征阻抗不等同于阻抗,如果有人拿着一根英尺1000长的电缆对你说”这是50欧姆阻抗的电缆,好好用吧”,然后你决定拿着欧姆表来验证一下是否真的如此。你将欧姆表的两根引线分别连到电缆的内导体和外导体,而线缆的尾端保持着开路,你会惊讶地看到它读到接近无限阻抗!然后你再把尾端处的内外导体短接,然后从这一头的开口端再测,现在读数变成接近零欧姆了,怎么会这样?然后你赶紧安慰自己“不要慌”,其实它真的应该是50欧姆的。您的仪表没有告诉您电缆为50欧姆的原因是它无法读取瞬时电压/电流比(V = IR)。其实普通的欧姆表具有非常高的内阻,欧姆表中的任何电容将与内部电阻结合会形成非常大的时间常数,这种大的时间常数使得这种类型的仪器不可能快速响应。

常用的仪器

好了,不说了,我要睡觉了!!

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