射频微波电路作业17答案版.docx
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射频微波电路作业17答案版
第一章射频/微波工程介绍
1.简述常用无线电的频段划分和射频的定义。
频段
W率
波绘
极低频〉
30~300H2
WUM〜1U凶km
300—3000Hz
1000-1U0km
¥LF（甚低频）
3-30kHz
100-10km
匚代低皴）
30700kH£
10f1kr»
MFf中频）
300—3000kHz
1〜0*1ktci
HF（高頻＞
3〜30MHtj
100〜10m
VHF（甚髙頻）
30-30QMHa
m
UHFC特鬲频）
300—3000MHe
lg〜10cm
轴高频｝
3-30GHz
10^1cm
KHF（极高極1
30-300GHz
1〜Q.1rni
亚毫米渡
300—3000GHz
l〜0”1mm
射频/微波处于普通无线电波与红外线之间，是频率最高的无线电波，它的频带宽度比所
有普通无线电波波段总和大1000倍以上
2.简述P,L,S,C,X，Ku，K,Ka波段的频段划分方法。
0.GHz
130^-30crn
匚波段
1〜2GHz
30^*15mi
S注段
GHz
讳〜化5cm
匕波段
4-ftGHi
7.5〜父rrn
xsa
8-12.5GHz
3.75〜2.4cm
Ku波段
12.5-lSGHi
2+4*^1，&7crn
K波段
lfi-26.5GHz
1+67*】.13c-m
[Ka波段
26,5-40GHz
】・13〜0・75cm
3.简述射频/微波的四种基本特性和相比普通无线电的优点。
四个基本特性：
1、似光性；
2、穿透性
3、非电离性
4、信息性
优点：
（1）频带宽。
可传输的信息量大。
（2）分辨率高。
连续波多普勒雷达的频偏大，成像更清晰，反应更灵敏。
（3）尺寸小。
电路元件和天线体积小。
（4）干扰小。
不同设备相互干扰小。
（5）速度快。
数字系统的数据传输和信号处理速度快。
（6）频谱宽。
频谱不拥挤，不易拥堵，军用设备更可靠。
4.简述射频铁三角的具体内涵。
由于频率、阻抗和功率是贯穿射频/微波工程的三大核心指标，故将其称为射频铁三角。
振荡器、压控振荡器、频率合成器、分频器、变频器、倍频器、混频器、滤波器等
5.给出几种分贝的定义：
dB,dBm,dBc,dBc/Hz,10dBm+10dB=?
密理・1
足X
It值
描述農越畫增益
10lg=20加#
at液毬、枚大梏.網舍器，开关笹落件的拎标
dBcn
功率单位
P
10]flr*iu81mW
據防器的输出功半
dEk
比值
功率的相时丸小
10Ifl-PJdBrnJ-P/dBm）
掘腐駆的谐i嘉》波抑制
dtk/Hx
比值
劝率的相对大小
猪迴字一&RBW
旗踌器的相位哩声.与欄量
10dBm+10dB=20dBm
第二章传输线理论
1.解释何为集肤效应”集总参数元件的射频特性与低频相比有何特点？
在交流状态下，由于交流电流会产生磁场，根据法拉第电磁感应定律，此磁场又会产生电
场,与此电场联系的感生电流密度的方向将会与原始电流相反。
这种效应在导线的中心部位（即r=0位置）最强，造成了在r=0附近的电阻显著增加，因而电流将趋向于在导线外表面附近流动,这种现象将随着频率的升高而加剧，这就是通常所说的集肤效应”
电阻：
在低频率下阻抗即等于电阻R而随着频率的升高达到10MHz以上，电容Ca的影响开始占优，导致总阻抗降低；当频率达到20GHz左右时，出现了并联谐振点；越过谐振点后，引线电感的影响开始表现出来，阻抗又加大并逐渐表现为开路或有限阻抗值。
电容：
理想状态下，极板间介质中没有电流。
在射频/微波频率下，实际的介质并非理想介
质，故在介质内部存在传导电流，也就存在传导电流引起的损耗，更重要的是介质中的带电粒子具有一定的质量和惯性，在电磁场的作用下，很难随之同步振荡，在时间上有滞后现象，也会引起对能量的损。
电感：
电感线圈的高频特性已经完全不同于理想电感，在谐振点之前其阻抗升高很快，而
在谐振点之后，由于寄生电容Cs的影响已经逐步处于优势地位而逐渐减小。
2.简述微波电路中Q值的概念。
品质因素Q表示一个元件的储能和耗能之间的关系，即
元件的储能
元件耗能
3.简述传输线有哪几种工作状及其对应的负载反射系数。
当zl=zo或为无限长传输线时，rl=o，无反射波，是行波状态或匹配状态。
当Zl为纯电抗元件或处于开路或者短路状态时，|rl|=1,全反射，为驻波状态。
当Zl为其他值时，|rL|w1,为行驻波状态。
4.给出电压驻波比、回波损耗与负载反射系数的关系。
线上任意点的反射系数为
zIL|ejLj2z
定义驻波比VSWR和回波损耗RL为
VSWR
RL20lg
5.计算特征阻抗位Z0,长度为L,负载接ZL的传输线的输入阻抗。
Zin
Zo
Zl
Zl
jZ°tan（L）jZotan（L）
6.史密斯圆图是由怎么构成的？
史密斯圆图是将归一化阻抗（Z=r+jx）的复数半平面（r>0）变换到反射系数为1的单位圆（|『|=1）内。
已知一点的阻抗或反射系数，用史密斯圆图能方便地算出另一点的归一化
阻抗值和对应的反射系数。
7.微带线增加导带的宽度和介质基板的厚度对特征阻抗各有什么影响?
增加导带宽度，阻抗减小；
增加介质板厚度，阻抗增加。
8.简述矩形波导的尺寸选择原则，画出主模的电磁场结构图。
尺寸选择原则：
a=0.7入b=a/2
主模电磁场结构：
a
方向传播方
g/2
9.简述同轴线的尺寸选择原则，画出主模的电磁场结构图。
同轴线的尺寸选择原则是，只有主模TEM模传输,有足够的功率容量，损耗小，尺寸尽可能小。
条件
原则
阻抗
悄用场合
主模模传输
-
It
vfiOift
孟运叱
朮受功率最大
■
1.649
a
30
高功率传输线
衰诫帰小
■—=3r591a
7«.n
谐擁黠「滤波群、
小信号传输綾
功率衰减均考虑
—=Z303
a
50
通用传输线
第三章匹配理论
1.简述直流和交流电路中的阻抗匹配条件。
直流：
当Rl=Rs时可获得最大输出功率，此时为阻抗匹配状态。
交流：
当负载阻抗Zl与信号源阻抗Zs共轭时,即ZL=Z*s，能够实现功率的最大传输称作共轭匹配或广义阻抗匹配。
2.
射频电路的入射波为，源和负载反射系数分别为和，写出负载功率。
Pl
2（1
3.设计一个工作频率为300MHz，输入阻抗75,输出阻抗50的L型匹配电路。
（1.输入阻抗和输出阻抗均为纯电阻
L型匹配电路的设计步骤如下：
步骤一：
确定工作频率fc、输入阻抗吊及输出阻抗FLo这三个基本参数由设
计任务给出。
步骤二：
在如图3-5（a）所示的L型匹配电路中，将构成匹配电路的两个元件分别与输入阻抗Rs和输出阻抗Rl结合。
当电路匹配时，由共轭匹配条件可以推得
Qs=Xs/R
R
i
i
X
~°~I-
i
i
s
s
XL
rl
QL=R_/XL
（a）
UsQ
Rs
X
Xl
Po
RL
（b）
（a）L型匹配电路（Rs（b）L型匹配电路（Rs>Rl））
步骤三：
判别r,⑵陰>鮎如IS3-5（b）所示:
步骤四：
若R.根据卜■列公式计算出由路所需电感及电弄值：
⑴匸出低通式：
（3-13）
2或
1
（2）5片高通式:
丰Cp
Ls
p
M°
卜。
Cs
（b）
（a）
⑻Cp-Ls低通式L型；
（b）Lp-CS高通式L型
4.设计一个工作频率为500MHz，带宽为50MHz的50~100的n型匹配电路。
n型匹配电路的设计步骤如下：
步骤一：
确定工作频率fc、负载Q值、输入阻抗怎及输出阻抗Rl,并求出RH=max
（吊,R-）o
步骤二：
根据图3-10（a）中所示及下列公式计算出Xp2、Xs2、Xp1及Xs1：
步骤三：
依据电路选用元件的不同，可有四种形式，如图3-10（b）、（c）、（d）、（e）所示。
其中电感及电容值的求法如下：
Rh
Q21
Xp2
Xs2QR
Xp2
Rs
X
2fc
Xs2
Qi
QE
2fXc
5.画出波导感性和容性销钉调配元件结构及其等效电路。
（a）
半备
0
Q
丫1-
二jB丫。
T
T
（b）
6.简述散射参数［S］的物理意义。
散射参数［S］的物理意义为
a2H）,2端口兀配
的二0」端【I匹配
£72=0.2端口匹配
①电1端II兀配
7.已知双端口网络的
A参数矩阵［A11,A12;A21,A22］，试写出
S参数的表达式。
[Z]
1a11
a211
a
a22
1
a22
a
a12
1
a11
a11
a12
a21
a22
a11
a12
a21
a22
2a11
a12
a21
a22
a11
a12
a21
a22
2
a11
a12
a21
a22
a11
a12
a21
a22
a11
a12
a21
a22
S!
1
S12
S21
S22
第四章功率衰减器
1.简述功率衰减器的基本原理和衰减量的定义。
功率衰减器是一种能量损耗性射频/微波元件，元件内部含有电阻性材料。
1
Pl
—功率衰减器
°A（dB）
A（dB）
10lgPlmW
R（mW）
2.设计一个5dB型同阻式固定衰减器（输入输出阻抗均为50欧）。
步骤-：
同阻式集总参数栽减器A=-5dBtill公式“-切计算尤件参数：
A
a=10^
r=8224Q
—1
=14.010
3.设计一个10dB型异阻式固定衰减器（Z仁50欧,Z2=75欧）。
步骤一：
并阻式集总参数衰减器2M（1R,由公式（4-
9）计算元件参数:
G=10乖=0」C（_11*1^1^7——=87.14Q
心=
Rp?
=
4.同轴型吸收式衰减器有哪几种，试画出结构图。
在同轴系统中，吸收式衰减器的结构有三种形式:
串联电阻和带状线衰减器转换为同轴形式。
内外导体间电阻性介质填充、内导体
（a）
（b）
（c）
5.波导型吸收式衰减器有哪几种，试画出结构图。
固定式和可变式。
前者吸收片的位置和面积固定不变
，后者可以通过传动机构来改变衰
减片的位置或面积，实现衰减量的改变。
单片
吸收薄片
双片
（b）
（a）
（a）固定式；（b）可变式
6.简述PIN二极管的特性。
（1）直流反偏时，对微波信号呈现很高的阻抗，正偏时呈现很低的阻抗。
可用小的直
流（低频）功率控制微波信号的通断，用作开关、数字移相等。
（2）直流从零到正偏连续增加时，对微波信号呈现一个线性电阻，变化范围从几兆欧到几欧姆，用作可调衰减器。
（3）只有微波信号时，I区的信号积累与微波功率有关，微波功率越大，管子阻抗越大,用作微波限幅器。
（4）大功率低频整流器，I区的存在使得承受功率比普通整流管大的多。
第五章功率分配器/合成器
1.功率分配器的技术指标有哪些？
给出分配损耗，插入损耗和隔离度的定义。
功率分配器的技术指标包括频率范围、承受功率、主路到支路的分配损耗、输入输
出间的插入损耗、支路端口间的隔离度、每个端口的电压驻波比等。
分配损耗。
主路到支路的分配损耗实质上与功率分配器的功率分配比有关。
如两等分
功率分配器的分配损耗是3dB，四等分功率分配器的分配损耗是6dB。
定义
Ad呱旦
Pout
式中
pnkP°ut
插入损耗。
输入输出间的插入损耗是由于传输线（如微带线）的介质或导体不理想等因素,考虑输入端的驻波比所带来的损耗。
定义
Ai=A-Ad
隔离度。
支路端口间的隔离度是功率分配器的另一个重要指标。
如果从每个支路端口输入功率只能从主路端口输出，而不应该从其他支路输出，这就要求支路之间有足够的隔离
度。
在主路和其他支路都接匹配负载的情况下，i口和j口的隔离度定义为
Aij
10lg-PinL
Poutj
2.简述功率分配器的原理和三端口的功率关系。
2
1
P1
功分器
P2
3
P3
Pl=P2+P3
3.设计工作频率为500MHz,特性阻抗为50欧，功率比例为0.2的集总LC功率分配器。
4.设计工作频率为750MHz，特性阻抗为50欧，功率比例为1的微带功率分配器。
第六章定向耦合器
1.定向耦合器的技术指标有哪些？
给出耦合度，隔离度和方向性的定义和关系。
定向耦合器的技术指标包括频率范围、插入损耗、耦合度、方向性、隔离度等。
耦合度：
通常用分贝表示，dB值越大,耦
描述耦合输出端口与主路输入端口的比例关系合端口输出功率越小。
耦合度的大小由定向耦合器的用途决定。
方向性:
描述耦合输出端口与耦合支路隔离端口的比例关系。
理想情况下限大。
隔离度：
描述主路输入端口与耦合支路隔离端口的比例关系。
理想情况下，隔离度为无
限大。
描述定向耦合器特性的三个指标间有严格的关系，即方向性=耦合度-隔离度。
，方向性为无
2.设计一个工作频率为400MHz的10dB高通LC支路型耦合器
Z0=50欧），计算出元件
值。
步骤一：
确定耦合器的指标，C=-10dB,fc=400MHz,Zo=5OQ
步骤二：
利用下列公式计算K、Z0s、Z0p:
步骤三：
利用下列公式计算元件值：
C1
8.59pF
L2
56.68nH
2fc
3.设计一个工作频率为750MHz的10dB平行线型耦合器（Z0=50欧，FR4基板材料介电常数4.5,厚度1.6mm，损耗角正切0.015），计算出元件值。
步骤一：
确定耦合器指标，包括C=-10dBfc=750MHz,FR4基板参数&=4.5,h=1.6mm,
tanS=0.01材料为铜（1mil）。
步骤二：
计算奇偶模阻抗:
Z0e
Z0o
Z0Z0
110C/20
69.37
*110C/20
[110C/20
36.04
步骤三：
电路拓扑如图6-7所示利用Mathcad11软件计算，得出耦合线宽度
W=2.38mm,间
距S=0.31mm,长度P=57.16mm,且50Q微带线宽度W50=2.92mm。
4.设计3dB分支线耦合器，负载为
0.8mm
步骤一：
确定耦合器指标（略）。
步骤二：
计算归一化导纳：
50欧，中心频率5GHz,基板材料介电常数9.6,厚度
b=2
a=1
步骤三：
计算特性阻抗:
Zb
Ya
1—50aY,135.3
aYo
步骤四：
计算微带实际尺寸：
支线50QW=0.83mm,L=6.02mm
主线35.3QW=1.36mm,L=5.84mm
第七章射频/微波滤波器
1.滤波器的技术指标有哪些？
给出工作衰减的定义和四种滤波函数及其衰减图形。
滤波器的指标：
工作频率、插入损耗、带内纹波、带外抑制、承受功率通常采用工作衰减来描述滤波器的衰减特性，即
LA109罰8
类聲
传输巒歎
说明
巴特诙1"
i
丄JdH/
Ac
结构简单.航小播人抓耗・适用于窄帯场合
切比雪犬
f.
LL
耳a
垛构简单.硕带宽，遊沿麓酣・应用趙卿广
2.写出最平坦型和切比雪夫型低通原形的元件数计算公式。
最平坦型:
ig（io0.1LAs1）
2lgs
切比雪夫:
cosh\10Las/101/
cosh
3.画出低通原形向带通滤波器的频率变换过程和元件关系。
Cs
Ls
FBW
0g
J-g
Lp
二二cp
0
（a）
50
a-
7.958nH
—IH
1.592pF
1.989nH
（b）
cp
Lp
1
"Tl；
Qc
FBW0
7.958nH
—|j—
1.592pF
丄6.366pF
50
4.设计一个集总LC切比雪夫带通滤波器，中心频率为75MHz,3dB带宽为10MHz，带内
波纹为1dB，带外75±15MHz的衰减大于30dB,Z0=50欧。
步骤一：
确定指标：
特性阻抗上通带边频下通带边频上阻带边频下阻带边频通带内最大衰减阻带最小衰减
集总
Z0=50Qf1=75+5=80MHzf2=75-5=70MHz
f=75+15=90MHzf=75-15=60MHz
LAr=3dB
LAs=30dB
〃骤：
：
讣算和关参数:
托=v7F7T=74.83
FBW=
FBW
=3.333
=2778
步骤三：
计算元件节数n。
\1O0.1As1,Mag\100.1Ar
cosh1
\,1Mag2
低通原屋值
角
1.4329
1.5937
Ki
1.4323
低通原型元件值
456pF
1268nH
456pF
带通变换无件值
10nH1
C
3.6pF
10nH
步骤四：
计算原型元件值gi
n取整数3。
cosh
步骤五：
画出电路
5.设计三节端耦合切比雪夫微带带通滤波器，设计指标为fo=6GHz，FBW=2.8%，波纹
为0.1dB。
步骤二7查表得三节原型参数为耳0*4=1,刃=耳3=1*0316,^2=IJ474C步骤二’做变换，求得谐振线长度和间隙电容为
①="3二幫-丄Larctan（2x0.2157）+arvtan（2x0.0405）]=2.B976m
02m托■LCardan（2x0,0405）+0.念=C3.4x二0J）443pF
gj互=（23g=012】48”F
步骤三：
微波实现，介质参数为10,8/1.27.考虑边沿效应修正后，得
IR17
/I=/3=-x2.8976-0.0269-0.2505=8.148m/w
17T
12=18.27x3.0608-0.2505-0.2505=8.399册册
S0d=534=O.O57mm
5L2=^23=0.80l^»
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