《微波传输线》课件

微波传输线欢迎参加《微波传输线》课程！本课程旨在帮助学生掌握微波传输线理论和应用技术，培养在现代通信系统中设计与分析微波电路的能力通过系统学习，你将了解从基础理论到实际应用的全过程微波工程在现代通信系统、雷达技术、卫星通信等领域扮演着至关重要的角色随着5G和未来通信技术的发展，对微波传输技术人才的需求日益增长本课程将帮助你建立坚实的理论基础，并通过实例分析和设计培养实际工程能力课程评分将基于平时作业（30%）、实验报告（20%）和期末考试（50%）综合评定希望大家能够积极参与课堂讨论，认真完成各项作业和实验微波传输线基础概念微波频率范围传输线特点工程应用微波是指频率范围在300MHz至与普通电路不同，微波传输线中电磁场微波传输线广泛应用于移动通信、卫星300GHz之间的电磁波，波长从1米到1毫的分布和传播效应不能被忽略信号波通信、雷达系统和无线网络等领域理米这一特殊频段使微波在通信、雷长与电路尺寸相当，导致需要使用分布解传输线原理是设计高性能微波系统的达、医疗和工业应用中具有独特优势参数而非集中参数来分析基础微波理论发展历史理论奠基技术突破1864年，詹姆斯·克拉克·麦克斯韦提出了著名的麦克斯韦方程20世纪初至中期，磁控管、波导和微带线等关键技术陆续被组，统一了电场、磁场和光的理论，为微波理论奠定了坚实的发明，特别是二战期间雷达技术的迅速发展，推动了微波工程理论基础的突飞猛进1234实验验证现代发展1888年，海因里希·赫兹成功生成和检测到电磁波，验证了麦1970年代至今，微波集成电路技术的发展，以及计算机辅助克斯韦的理论，并开启了无线通信技术的大门设计的应用，使微波系统走向小型化、高效率和高可靠性传输线的基本参数特性阻抗₀传播常数Zγ特性阻抗是传输线最重要的参数之传播常数γ=α+jβ描述了波在传输线一，定义为电压波与电流波的比值上的传播特性其中α为衰减常数，它取决于传输线的几何结构和材料特表示波幅度随距离的衰减；β为相位性，通常以欧姆Ω为单位常数，表示相位随距离的变化对于同轴线Z₀=138/√ε对于理想无损传输线，α=0，只有相ᵣlogD/d，其中D为外导体内径，d位变化而无幅度衰减为内导体外径，εᵣ为介质相对介电常数波速与波长相速度v=ω/β，表示相位前进的速度；群速度vg=dω/dβ，表示能量或信号传输ₚ的速度波长λ与频率f之间的关系λ=v/f=2π/β在自由空间中，λ₀=c/f，而在传输线ₚ中，λg=λ₀/√εₑₓ，εₑₓ为有效介电常数ₚₚ电磁波传播原理电磁波方程由麦克斯韦方程导出的波动方程传播模式TEM、TE和TM三种基本模式场分布不同结构中的电磁场分布规律电磁波方程是由麦克斯韦方程推导得出的，描述了电磁场在空间和时间上的分布规律在传输线中，电磁波主要以三种基本模式传播横电磁波TEM、横电波TE和横磁波TMTEM模式中，电场和磁场均垂直于传播方向，通常存在于具有两个导体的传输线中，如同轴线和平行板线TE模式中，电场垂直于传播方向，而磁场有沿传播方向的分量TM模式中，磁场垂直于传播方向，而电场有沿传播方向的分量波导中的传播模式与传输线不同，波导通常不支持TEM模式，而是以TE和TM模式传播，这也是波导与传统传输线的本质区别之一传输线基本方程电报方程推导从分布参数电路模型出发，建立传输线的微分方程将传输线视为无穷多个微小元件的级联，每个微小段包含串联电阻R、串联电感L、并联电导G和并联电容C基本微分方程时域下∂Vz,t/∂z=-R·Iz,t-L·∂Iz,t/∂t∂Iz,t/∂z=-G·Vz,t-C·∂Vz,t/∂t频域表达式频域下dVz/dz=-R+jωL·Iz dIz/dz=-G+jωC·Vz一般解形式传输线方程的一般解Vz=V⁺e⁻ᵞᶻ+V⁻eᵞᶻIz=V⁺e⁻ᵞᶻ-V⁻eᵞᶻ/Z₀理想传输线分析特性定义参数简化理想传输线是指无损耗传输线，其中1传播常数γ=jβ（纯虚数），特性阻抗R=0（无导体损耗）和G=0（无介质损2Z₀=√L/C（纯实数）耗）能量传输波动传播4功率在线上传输无损耗，实现理想能量3信号在线上以相速度v=1/√LC传ₚ传递播，无幅度衰减理想传输线是微波理论中的重要简化模型，虽然实际中不存在完全无损的传输线，但当损耗足够小时，理想传输线模型可以提供足够准确的近似分析在高频应用中，通常可以忽略小损耗以简化计算传输线的等效电路模型分布参数模型表示传输线的基本理论模型分段等效电路将传输线分为有限个小段近似短线段近似当线段长度远小于波长时的简化传输线的分布参数模型是理解其行为的基础，它将传输线表示为无限多个微小单元的级联每个微小单元包含四个基本元件单位长度的串联电阻R（欧姆/米）、串联电感L（亨利/米）、并联电导G（西门子/米）和并联电容C（法拉/米）在实际分析中，我们通常将传输线分为有限个小段进行近似每段的长度远小于信号波长时，这种近似非常精确为了计算机仿真和数值分析，这种分段方法非常实用当传输线的电长度小于波长的1/10（即物理长度小于λ/10）时，可以采用短线段近似，将分布参数简化为集中参数，这在低频或短距离应用中特别有用波阻抗与反射系数特性阻抗的物理含义负载反射系数的定义反射系数与阻抗的关系Γ特性阻抗Z₀是传输线的固有特当传输线连接到负载阻抗ZL时，反负载阻抗与反射系数存在一一对应性，表示在无限长传输线或匹配终射系数Γ定义为反射波与入射波的关系ZL=Z₀·1+Γ/1-Γ通过端条件下，电压波与电流波的比电压比Γ=ZL-Z₀/ZL+Z₀测量反射系数可以确定未知负载的值它由传输线的几何结构和材料反射系数是一个复数，其幅度|Γ|表阻抗值，这是网络分析仪的基本工特性决定，对于理想传输线，示反射强度，相角表示相位变化作原理Z₀=√L/C驻波与驻波比入射波与反射波驻波的形成驻波比VSWR在传输线上，入射波和反射波同时存在当入射波和反射波相互叠加时，在传输驻波比定义为电压最大值与最小值的比并相互叠加入射波由信号源向负载传线上形成驻波模式在某些点上，两波率VSWR=Vₐₓ/Vᵢ=1+|Γ|/1-ₘₘₙ播，而反射波由负载反射回信号源这相位相同，振幅相加达到最大值；在其|Γ|两个波的叠加形成了电压和电流的分布他点上，两波相位相反，振幅相减达到VSWR值范围从1到∞，其中1表示完全匹模式最小值配（无反射），∞表示全反射驻波比是总电压表达式Vz=V⁺e⁻ᵞᶻ+V⁻e这种周期性的最大值和最小值分布就是衡量传输线匹配质量的重要指标，低ᵞᶻ，其中V⁺代表入射波幅度，V⁻代表驻波最大值与最小值之间的距离为半VSWR意味着更好的功率传输效率和更反射波幅度个波长λ/2小的信号失真传输线阻抗匹配的重要性100%-20dB最大功率传输典型反射损耗当源内阻与负载阻抗共轭匹配时，可实现最大功率良好匹配系统的反射损耗通常低于-20dB，表示传输在微波系统中，阻抗匹配确保能量高效传99%以上的功率被传输到负载递，减少反射损耗

1.2理想VSWR高性能系统通常要求VSWR低于

1.2，表示反射功率低于

0.8%，确保信号完整性和系统稳定性阻抗不匹配会导致一系列实际问题，包括功率损失、信号完整性降低以及系统性能下降在高功率应用中，反射波可能损坏信号源；在宽带系统中，不匹配会造成频率响应不平坦；在多级电路中，不匹配的影响会叠加放大特别在雷达和通信系统中，阻抗匹配直接影响系统的检测距离和数据传输速率因此，工程师们投入大量精力设计匹配网络，确保微波系统在整个工作频带内都能维持良好的阻抗匹配圆图基础Smith圆图原理Smith圆图是基于复数反射系数Γ的共形映射，将复阻抗平面映射到单位圆内圆图中心代表特性阻抗Z₀，外圆周代表全反射（VSWR=∞）归一化阻抗Smith圆图使用归一化阻抗z=Z/Z₀和归一化导纳y=Y/Y₀进行标记右半部圆图表示阻抗，左半部表示导纳这种归一化简化了不同特性阻抗系统的计算基本操作Smith圆图上的基本操作包括阻抗点定位、添加串联或并联元件、计算反射系数和驻波比、确定电长度和阻抗变换等熟练掌握这些操作是微波工程师的基本技能使用圆图分析传输线Smith电长度确定阻抗变换计算确定特定阻抗转换所需的传输线长度从起阻抗点定位计算传输线上不同位置的阻抗从负载阻抗始阻抗点出发，沿VSWR圆旋转到目标阻抗在Smith圆图上定位任意复阻抗点首先将阻点出发，沿常数VSWR圆（与圆心的距离为点，测量旋转角度θ，则所需传输线长度抗归一化，然后找到对应的电阻圆和电抗圆常数）逆时针旋转旋转角度等于电长度，l=θλ/360°Smith圆图外圈的刻度直接给出的交点例如，归一化阻抗z=1+j

0.5位于电阻每旋转一周对应电长度变化半个波长λ/2相应的电长度圆r=1和电抗圆x=

0.5的交点圆图上的匹配设计Smith单支节匹配使用一个短路或开路支节和一段传输线实现匹配步骤将负载阻抗旋转到实轴上（纯实部），然后添加适当长度的支节消除虚部双支节匹配使用两个支节实现宽带匹配第一个支节将VSWR圆缩小，第二个支节完成精确匹配这种方法可以获得更宽的匹配带宽变换器匹配λ/4对于纯阻性负载，可以使用特性阻抗为Z₁=√Z₀·ZL的四分之一波长传输线实现完美匹配在Smith圆图上，这相当于沿VSWR圆旋转180°阻抗匹配技术一集总元件匹配集总元件匹配网络在低频到中频范围内特别实用，主要使用电感、电容和电阻等离散元件构建L网络是最基本的匹配结构，由一个串联元件和一个并联元件组成，可以匹配任意两个复阻抗设计时，先确定两个复阻抗点，再计算所需的电抗值π网络匹配由三个元件组成，形状如希腊字母π，通常是两个并联元件和一个串联元件它不仅可以实现阻抗匹配，还能提供额外的设计自由度，如控制带宽或品质因数QT网络匹配也由三个元件组成，但通常是两个串联元件和一个并联元件，具有与π网络类似的优势在实际应用中，集总元件匹配适用于低频应用，随着频率升高，元件的寄生效应会逐渐变得显著，限制了这种匹配方法的适用范围阻抗匹配技术二分布元件匹配12短截线匹配开路截线匹配短截线匹配是最常用的分布元件开路截线匹配与短截线原理类匹配技术之一它通过在主传输似，不同之处在于使用开路而非线上特定位置并联连接一段短路短路终止开路截线在某些结构传输线实现阻抗匹配短截线的中更容易实现，如微带线需要位置和长度决定了其提供的等效注意的是，开路端会存在一定的电抗，可以通过Smith圆图直观端部效应，影响实际电长度设计3阻抗变换器匹配阻抗变换器利用特定特性阻抗的传输线段实现匹配最典型的是λ/4变换器，它可以将任意纯实阻抗变换为另一个纯实阻抗多段变换器可以实现更宽的匹配带宽，如Chebyshev变换器变换器详解λ/4宽带设计工作原理单段λ/4变换器带宽有限，通常仅在中心频λ/4变换器是一段长度为四分之一波长、特率附近有良好匹配宽带设计可以采用多段性阻抗为Z₁=√Z₀·ZL的传输线它利用变换器，每段具有不同的特性阻抗，遵循特传输线上的阻抗变换特性，将一个纯阻性负定的分布规律（如宾诺姆分布或切比雪夫分载ZL变换为输入阻抗Z₀布）实际应用多段优化λ/4变换器广泛应用于天线馈线、滤波器设N段变换器可以实现N个匹配频点，带宽与计和功率分配器等微波系统中在微带线技段数成正比三段变换器常用于要求较高带术中，其物理实现为一段宽度不同的传输线宽的系统，而五段或七段变换器则用于超宽段带应用，如射电天文接收系统传输线的频率响应损耗传输线分析导体损耗介质损耗辐射损耗与总损耗导体损耗源于传输线导体的有限电导介质损耗源于电介质分子在交变电场作辐射损耗发生在开放结构（如微带线）率，导致电流流动时产生热量损耗在用下的极化和热运动介质损耗与频中，部分能量以电磁波形式辐射到空高频下，趋肤效应使电流集中在导体表率、介质损耗正切tanδ成正比αd∝间辐射损耗与频率和结构尺寸有关，面，有效增加了电阻，导体损耗与频率f·tanδ在高频、大尺寸结构中更为显著的平方根成正比αc∝√f低损耗材料如聚四氟乙烯PTFE的tanδ总损耗是各类损耗的叠加α=αc+αd导体损耗可以通过使用高导电率材料约为

0.0002，而普通FR-4的tanδ约为+αr精确计算需考虑各损耗机制间的相（如银、铜）或增加导体厚度来减小，

0.02选择低损耗介质材料是减小介质互影响低损耗传输线设计需综合考虑但这会增加成本和重量损耗的关键材料选择、几何结构和屏蔽措施微带线结构与分析几何结构电磁场分布设计公式微带线是最常用的平面传输线类型，由一微带线中的电磁场部分存在于介质内，部微带线的特性阻抗与w/h比值和εᵣ有关当个导体条带置于接地金属板上方的介质基分存在于空气中，形成准TEM模式由于w/h≤1时，板上构成其中导体条带宽度为w，介质介质不均匀性，严格来说不是纯TEM模Z₀≈60/√εₑln8h/w+

0.25w/h；当基板厚度为h，介质相对介电常数为εᵣ这式，但在低频时可近似为TEM模式场线w/h≥1时，种简单结构使其易于制造和集成从条带扩展到地板，在条带边缘处场强最Z₀≈120π/√εₑ/w/h+

1.393+

0.667lnw大/h+

1.444其中εₑ是有效介电常数，考虑了空气和基板共同影响微带线的设计考虑因素基板材料选择线宽与阻抗关系基板材料的选择直接影响微带线的性能关键参线宽与特性阻抗关系数包括•线宽增加→特性阻抗降低•介电常数εᵣ影响传播速度、波长和色散特•基板厚度增加→特性阻抗增加性•介电常数增加→特性阻抗降低•损耗正切tanδ决定介质损耗大小标准50Ω微带线在FR-4板h=

1.6mm上的典型•热导率影响功率处理能力线宽约为3mm，在高频板h=

0.8mm上约为•稳定性温度、湿度对材料特性的影响

1.5mm常用材料包括氧化铝陶瓷εᵣ≈

10、聚四氟乙烯εᵣ≈

2.2和FR-4εᵣ≈

4.4频率限制因素微带线在高频下的限制•高阶模式激发当频率超过某阀值时，会产生非TEM模式•辐射损耗频率升高时辐射增加•色散效应有效介电常数随频率变化•表面波在较厚基板上容易产生一般来说，微带线适用频率上限与基板厚度和介电常数有关共面波导结构共面波导CPW是一种平面传输线结构，由中心信号导体和两侧接地平面组成，所有导体均位于同一平面上其主要几何参数包括中心导体宽度w、中心导体与接地平面之间的间隙g，以及基板厚度h和介电常数εᵣ共面波导支持准TEM模式传播，电场主要集中在中心导体与侧面接地平面之间的间隙处此外，共面波导还可能支持奇模和偶模两种模式偶模是所需的传输模式，而奇模可能导致能量泄漏和干扰，可通过在两侧接地平面间添加空气桥连接抑制共面波导的特性阻抗主要由w和g决定，近似计算公式为Z₀≈60π/√εₑ·K/K，其中K和K分别是与w和g相关的第一类完全椭圆积分及其互补形式与微带线相比，共面波导布局更灵活，便于集成无源和有源器件，且地平面效应更好，适合高频集成电路应用带状线与槽线带状线结构槽线结构应用场景比较带状线是一种三层结构的传输线，中间槽线由金属平面上的一条狭缝槽构成，带状线优势完全屏蔽，无辐射损耗；导体带被完全埋入两个接地平面之间的是共面波导的简化版本电磁波主要沿支持纯TEM模式；交叉干扰小适用于介质中根据中间导体的位置，可分为着槽内传播，场线集中在槽内和槽附密集布线的多层电路板对称带状线和非对称带状线近槽线优势单面加工容易；与有源器件对称带状线的中心导体位于两接地平面槽线支持非TEM模式传播，主要为TE和集成方便；适合制作某些特殊微波元件的中间，支持纯TEM模式传播，没有色TM混合模式其特点是辐射损耗较小，如定向耦合器主要应用于毫米波和亚散，但制造复杂非对称带状线（如绝适合高频应用，且可以方便地与平面天毫米波频段缘带状线）制造较简单，但性能略差线集成同轴传输线特性阻抗计算优点特性同轴线特性阻抗计算公式Z₀=138/√εᵣlog₁₀D/dΩ标完全屏蔽，无辐射；支持纯TEM模结构与参数准50Ω同轴线通常D/d比值约为式；宽频带特性；低损耗

3.5同轴传输线由内导体、外导体和中间缺点限制介质组成，呈轴对称结构内导体直径为d，外导体内径为D，介质相对体积较大；难以集成；连接器成本介电常数为εᵣ高；高频下存在高阶模式234同轴传输线是最早被广泛使用的微波传输线类型，至今仍在许多场合不可替代它支持从直流到几十GHz的宽频带传输，在通信系统中用作天线馈线、测量系统互连和设备连接等波导传输线基础矩形波导结构圆形波导特性矩形波导是一种中空金属管圆形波导是截面为圆形的中空道，横截面为矩形，内部填充金属管，其传播特性由内径a介质（通常为空气）其几何决定圆形波导的优势在于它尺寸由宽度a和高度b确定，对TE₀₁模式的损耗非常通常ab矩形波导只能支持低，特别适合长距离高功率传TE和TM模式，不支持TEM模输然而，圆形波导中模式排式，因为它只有一个导体序较复杂，且容易发生模式转换波导传播模式波导支持多种传播模式，包括TE和TM模式每种模式有特定ₘₙₘₙ的截止频率，只有当工作频率高于模式的截止频率时，该模式才能在波导中传播通常选择单模工作频段，避免模式间干扰波导中的场分布波导中的电磁场分布取决于传播模式对于矩形波导中的TE模式，电场垂直于传播方向，磁场有沿传播方向的分量以主模TE₁₀为例，电场沿y方向分布，强度在波导宽度ₘₙ方向上呈半个正弦波分布，在中心最大磁场则围绕电场形成闭合环路，部分沿传播方向延伸对于TM模式，磁场垂直于传播方向，电场有沿传播方向的分量TM模式的截止频率通常高于相应的TE模式，因此在一般应用中较少使用每种模式都有特定的截止频率fc，ₘₙ只有当工作频率ffc时，该模式才能在波导中传播主模式是截止频率最低的模式，对于矩形波导，主模式为TE₁₀，其截止频率fc=c/2a，其中c是光速，a是波导宽度工作频率通常选择在主模式截止频率之上、次高阶模式截止频率之下的范围，称为单模工作频段，可避免多模传播带来的色散和干扰问题波导谐振腔谐振腔原理值定义实际应用Q波导谐振腔是在波导两Q值（品质因数）是评波导谐振腔广泛应用于端加上金属端壁形成的价谐振腔性能的重要指微波滤波器、振荡器和封闭空腔电磁波在腔标，定义为谐振腔储存频率计量标准高Q值内反射形成驻波，当腔的能量与每周期损耗的谐振腔可实现窄带滤波体尺寸满足特定条件能量之比和高稳定度振荡此时，形成谐振谐振频Q=ω₀W/P，其中ω₀外，谐振腔也用于材料率由腔体尺寸和谐振模为谐振角频率，W为储介电性能测量和微波加式决定存能量，P为损耗功热设备率波导谐振腔的Q值通常由三部分组成导体损耗引起的Qc、介质损耗引起的Qd和辐射损耗引起的Qr总Q值为1/Q=1/Qc+1/Qd+1/Qr在设计高Q谐振腔时，需要采用高导电率材料减小导体损耗，使用低损耗介质减小介质损耗，并确保良好的屏蔽减小辐射损耗微波网络分析基础二端口网络参数描述微波网络输入输出关系的基本表征方法散射参数定义2基于入射波和反射波的功率波描述参数转换Z、Y、S参数间的数学关系和转换方法微波网络分析是研究微波电路和系统传输特性的基础在低频电路中，我们常使用阻抗Z参数和导纳Y参数来描述网络特性，它们分别基于电压和电流的关系然而，在微波频率下，电压和电流难以直接测量，而且在传输线上它们的定义变得复杂散射参数S参数提供了一种更实用的方法来描述微波网络，它基于入射波和反射波的关系对于二端口网络，S参数矩阵包含四个元素S₁₁输入反射系数、S₂₁前向传输系数、S₁₂反向传输系数和S₂₂输出反射系数Z参数、Y参数与S参数之间存在明确的数学转换关系例如，对于特性阻抗为Z₀的系统，S₁₁=Z₁₁-Z₀/Z₁₁+Z₀表示了Z参数与S参数之间的部分转换关系这些转换使我们能够在不同参数域中进行分析，选择最适合特定问题的表征方法参数的物理意义与测量S参数的物理解释矢量网络分析仪原理校准技术SS参数描述了微波网络各端口间的功率传矢量网络分析仪VNA是测量S参数的专VNA测量需要进行校准以消除系统误输和反射关系，对于二端口网络用仪器，其基本原理包括差•S₁₁端口1的反射系数，表示从端•信号源生成测试信号•SOLT短路-开路-负载-传输标准口1入射的功率有多少被反射回来校准方法•方向耦合器分离入射波和反射波•S₂₁从端口1到端口2的传输系•TRL传输-反射-线适用于非同轴•接收机测量信号的幅度和相位数，表示从端口1入射的功率有多少系统•数据处理单元计算S参数传输到端口2•自动校准单元提高效率和重复性现代VNA可以测量从几百kHz到几百•S₁₂从端口2到端口1的传输系校准过程建立误差模型，从而在后续测GHz的频率范围，精度可达

0.1dB和数，表示从端口2入射的功率有多少量中修正系统误差，提高测量精度

0.1°传输到端口1•S₂₂端口2的反射系数，表示从端口2入射的功率有多少被反射回来传输线不连续性分析阶跃不连续弯曲不连续型接头不连续T阶跃不连续是指传输线特性阻抗的突变，弯曲不连续是传输线路径的弯折，如90°直T型接头是三个传输线段的连接，常用于功如微带线宽度变化或同轴线内外导体直径角弯或曲线弯折直角弯会导致内侧电场率分配或信号分支T接头处的不连续效应变化阶跃不连续会产生反射和局部电场集中，外侧电场扩散，产生附加电容效应复杂，包括多余电容和电感效应，影响阻畸变，引入额外的电容和电感效应其等和辐射损耗常用的补偿方法包括切角设抗匹配和传输特性补偿方法包括调整接效电路通常包含一个并联电容和一个串联计（如45°切角）或圆弧过渡，减小不连续头处的几何形状或添加匹配结构，使总体电感效应阻抗保持平滑过渡微波滤波器基础基本类型低通、高通、带通和带阻四种基本滤波器设计规范2通带、阻带、过渡带和阻带衰减等性能指标实现方法3集总元件、分布元件或混合实现方式微波滤波器是用于选择或抑制特定频率信号的无源网络，是微波系统中的关键组件根据频率响应特性，滤波器可分为四种基本类型低通滤波器LPF允许低于截止频率的信号通过；高通滤波器HPF允许高于截止频率的信号通过；带通滤波器BPF允许特定频带内的信号通过；带阻滤波器BSF抑制特定频带内的信号滤波器设计规范通常包括通带频率范围和最大衰减、阻带频率范围和最小衰减、过渡带宽度、通带纹波、群延时平坦度等根据这些性能需求，可以选择不同的滤波器响应类型，如巴特沃斯最大平坦幅度、切比雪夫陡峭过渡带或椭圆函数最小阻带衰减微波滤波器的实现方法主要有集总元件实现适用于低频、分布元件实现适用于高频和混合实现在集总元件实现中，电感和电容通过网络综合法确定；在分布元件实现中，利用传输线段、谐振器或耦合结构来实现滤波特性分布元件滤波器设计理想传输线滤波器阻抗台阶型滤波器利用传输线段的特性阻抗和电长度实现通过级联不同特性阻抗的传输线段实现滤波功能理想传输线滤波器基于滤波特性高低阻抗交替的结构可以实Richards变换，将集总元件滤波器中的现低通或高通特性，其中高阻抗段相当电感和电容转换为短路和开路传输线于串联电感，低阻抗段相当于并联电段容谐振器滤波器耦合线滤波器使用微带谐振器、介质谐振器或空腔谐4利用平行传输线间的电磁耦合实现带通振器构建滤波器谐振器滤波器利用谐滤波典型的结构包括平行耦合微带线振现象在特定频率提供通路或阻断，通滤波器和交叉耦合谐振器滤波器，能够过多个谐振器的耦合形成复杂的频率响实现较窄的带宽和陡峭的过渡带应微波耦合器原理方向性耦合器基本原理性能参数定义方向性耦合器是一种四端口微波器件，用耦合度C定义为输入功率与耦合端口功于从主传输线中提取一小部分信号功率进率之比的分贝值C=10logP₁/P₃行监测或处理其工作原理基于传输线之dB常见的耦合度有3dB、10dB、20dB间的电磁耦合，能够区分信号的传播方等，耦合度越大，耦合的功率越小向方向性D定义为耦合端口与隔离端口功在理想方向性耦合器中，信号从端口1输率之比的分贝值D=10logP₃/P₄入，大部分功率传输到端口2直通端，小dB方向性越高，耦合器区分信号方向的部分功率耦合到端口3耦合端，而端口能力越强4隔离端无功率输出主要性能指标除耦合度和方向性外，耦合器的关键性能指标还包括•插入损耗直通端相对于输入功率的损耗•隔离度输入端口与隔离端口之间的隔离•频带宽度保持规定性能的频率范围•功率处理能力能够承受的最大输入功率常见耦合器结构分支线耦合器Branch-line Coupler是一种四分之一波长传输线构成的四端口网络其典型结构由四段传输线组成矩形环路，能够实现3dB功率分配即输入功率平均分配到两个输出端口，且输出信号相位差为90°分支线耦合器常用于微波混频器、平衡放大器等电路中，但带宽相对有限Lange耦合器是一种交指式耦合结构，由多条交错排列的传输线组成它能够实现紧密耦合通常为3dB，同时保持较宽的工作带宽Lange耦合器常用于单片微波集成电路MMIC中，但其加工要求较高，需要使用金线键合实现交叉连接环形耦合器Rat-race Coupler或Hybrid Ring由三个四分之一波长和一个四分之三波长传输线段组成闭合环路它能够实现等幅分配和0°或180°相位差输出，常用于平衡混频器和功率合成器设计环形耦合器时，需要特别关注环路周长与工作频率的关系，以及传输线特性阻抗的选择微波功率分配器与合成器Wilkinson功率分配器T型分配器Wilkinson功率分配器是微波系统中最常T型功率分配器是最简单的分配结构，由用的功率分配器之一，它能够将输入功率三个传输线在一点连接形成没有隔离电均等地分配到两个或多个输出端口，同时阻的T型分配器输出端口间隔离度较差，保持各输出端口之间的高隔离度其基本但结构简单，易于制造常见的T型分配结构由两条λ/

4、特性阻抗为Z₀√2的传器包括E面T分配器和H面T分配器，分别输线和一个隔离电阻R=2Z₀组成隔离适用于不同的电磁场分布要求为改善匹电阻确保输出端口之间的良好隔离，同时配性能，T型分配器通常需要添加匹配结吸收由于负载不匹配引起的反射功率构混合环形器混合环形器是一种特殊的功率分配/合成结构，由传输线组成的环状结构它能够实现等分功率分配，同时在输出端口间提供特定的相位差如90°或180°180°混合环形器Magic Tee在雷达系统和平衡混频器中应用广泛，能够实现和差信号处理功能功率分配均匀性是评估分配器性能的重要指标理想情况下，N路分配器应将输入功率均匀分配，每个输出端口获得1/N的功率然而，实际分配器由于结构不对称、传输线损耗不均匀或制造误差，可能导致分配不均匀这种不均匀性通常用功率分配不平衡度来表征，对于高性能系统，通常要求功率分配不平衡度小于

0.5dB微波相移器设计数字相移器原理反射型相移器可调相移器应用数字相移器由多个固定相移单元级联组反射型相移器基于定向耦合器和可调反射相移器是相控阵雷达和波束成形网络的核成，每个单元提供特定的相移量如180°、负载组成信号通过耦合器的一个端口输心组件在相控阵系统中，通过控制每个90°、45°、

22.5°通过开关控制，可以入，部分耦合到反射负载，反射后再次通辐射元的信号相位，可以实现波束的电子选择性地接入或旁路这些单元，实现离散过耦合器耦合到输出端口通过调整反射扫描和形状控制，无需机械旋转天线现的相位调节常见的实现方式包括切换传负载的特性如变容二极管偏置电压，可代通信系统中，相移器也用于MIMO多输输线长度、切换高低通滤波器网络或利用以控制反射信号的相位，从而实现相移功入多输出技术，通过空间分集提高系统容反射型结构能量和可靠性微波开关技术二极管开关开关技术性能指标与评估PIN MEMSPIN二极管是一种常用的微波开关元件，微机电系统MEMS开关是一种基于微机评估微波开关性能的关键指标包括其工作原理基于二极管的导通和截止状态械结构的开关技术，利用静电力、热驱动•插入损耗开关导通状态下引入的损控制当二极管正向偏置时，呈低阻抗状或磁驱动使微米级金属梁或膜片变形，实耗，越低越好态；反向偏置时，呈高阻抗状态通过改现物理接触或电容耦合的变化，从而控制变偏置条件，可以实现射频信号的通断控射频信号的通断•隔离度开关截止状态下对信号的抑制程度，越高越好制MEMS开关的优点包括极低的插入损耗通•切换时间从一种状态切换到另一种PIN二极管开关具有切换速度快纳秒级、常

0.1dB、极高的隔离度40dB、极状态所需的时间功率处理能力强可达数百瓦和工作频率低的功耗几微瓦和出色的线性度然•功率处理能力能够承受的最大射频高可达数十GHz的特点常见的配置包而，它们的切换速度较慢微秒级，功率功率括串联、并联和反射型三种基本结构，以处理能力有限，且可靠性和封装挑战大及由它们组合形成的SPDT单刀双掷和随着工艺进步，MEMS开关正在卫星通信•线性度高功率下的三阶交调产物SP4T单刀四掷等复杂开关和测试测量设备中获得应用IP3水平•驱动要求控制开关所需的电压、电流和功率微波测量技术一阻抗测量阻抗测量原理微波阻抗测量基于反射系数与阻抗之间的关系Z=Z₀1+Γ/1-Γ通过测量反射系数Γ幅度和相位，可以计算出未知阻抗Z在实际测量中，通常使用定向耦合器分离入射波和反射波，通过比较它们的幅度和相位关系得到反射系数矢量网络分析仪使用矢量网络分析仪VNA是阻抗测量的主要仪器使用VNA进行阻抗测量时，首先需设置频率范围和功率电平，然后进行校准消除系统误差，再连接被测器件DUT进行测量现代VNA通常提供多种数据显示格式，包括Smith圆图、极坐标图、阻抗或导纳图表等测量误差与校准阻抗测量误差主要来源于仪器本身误差、连接器和电缆的不完美、环境因素等校准是减小这些误差的关键步骤常用校准方法包括短路-开路-负载SOL校准、短路-开路-负载-传输SOLT校准和传输-反射-线TRL校准高精度测量还需考虑温度稳定性、连接器重复性和测试夹具去嵌入等因素微波测量技术二功率测量功率测量原理微波功率测量是微波测试中最基本的测量之一功率测量的基本原理是将微波能量转换为易于测量的形式，如热能或直流电压功率测量可分为平均功率测量和峰值功率测量两类，分别适用于连续波和脉冲信号功率计类型常见的微波功率计包括热电偶功率计、热敏电阻功率计和二极管检波功率计热电偶和热敏电阻功率计基于热效应，测量准确但响应较慢；二极管检波功率计基于射频信号的整流，响应快但在大信号时非线性USB功率传感器集成了功率检测和数字信号处理，提供更高的灵活性和精度功率计选择选择适合的功率计需考虑频率范围从几MHz至数百GHz、功率范围从nW至kW、测量精度要求通常为±

0.1dB至±

0.5dB、响应时间需求以及是否需要峰值功率或调制信号分析能力特殊应用如脉冲雷达测试需要专用的峰值功率分析仪常见问题处理功率测量中的常见问题包括失配误差使用衰减器和阻抗匹配器解决、校准不确定性使用校准因子和定期校准解决、温度漂移使用温度补偿技术解决以及动态范围限制使用适当的衰减器或放大器解决对于高精度测量，还需注意连接器的重复性和系统稳定性微波传输线的时域分析天线馈线系统馈线要求平衡与不平衡转换天线馈线匹配天线馈线系统需满足一系列巴伦Balun是连接平衡结天线与馈线间的阻抗匹配对技术要求低损耗以保证能构如偶极天线和不平衡馈系统性能至关重要匹配不量高效传输；良好的阻抗匹线如同轴线的关键器件良会导致能量反射、驻波增配以最小化反射；足够的功它可防止馈线外导体上的电加和辐射效率降低常用匹率处理能力；适当的机械灵流产生辐射，确保天线辐射配方法包括直接调整天线活性和环境适应性常用馈模式不受干扰常见巴伦实几何参数使其输入阻抗接近线类型包括同轴线低频到现包括λ/4变换器巴伦、套馈线特性阻抗；使用阻抗变中频、波导高频和微带线管巴伦和印刷电路巴伦等换器如λ/4变换器；添加集成系统选择合适的巴伦需考虑频率匹配网络如短截线、串并范围、带宽和功率要求联元件等天线馈线系统的设计需综合考虑电气性能和实际应用环境户外应用需考虑防水、抗紫外线和温度稳定性；高功率系统需解决发热和电弧问题；移动应用则需关注机械强度和柔性此外，长度和相位匹配在相控阵和MIMO系统中尤为重要微波电路设计CAD微波电路设计中，专业CAD计算机辅助设计软件是不可或缺的工具主流微波设计软件包括Keysight ADSAdvancedDesign System、Ansys HFSSHighFrequency StructureSimulator、CST MicrowaveStudio、AWR MicrowaveOffice等这些软件提供从电路原理图设计、版图编辑到电磁仿真的全流程支持，大大加速了设计周期并提高了设计精度微波电路仿真方法主要包括电路理论仿真和电磁场仿真两大类电路理论仿真基于集总元件或传输线模型，计算速度快但精度有限；电磁场仿真直接求解麦克斯韦方程，精度高但计算资源消耗大常用的电磁仿真方法包括有限元法FEM、矩量法MoM和有限差分时域法FDTD，不同方法适用于不同类型的问题在实际设计中，电磁场仿真与电路仿真的结合是提高效率和精度的关键典型的设计流程是首先使用电路仿真进行初步设计和优化，然后对关键部分进行电磁场仿真验证，将电磁仿真结果作为S参数模型导回电路仿真，最后进行整体电路优化这种电磁-电路协同仿真策略能够平衡计算效率和仿真精度微波集成电路技术MMIC基本概念将有源和无源器件集成于单片半导体基底上工艺流程从外延生长到金属化的多步制造过程典型结构微带线、CPW和薄膜元件结合半导体器件微波单片集成电路MMIC是将微波有源器件如晶体管、二极管和无源元件如电阻、电容、电感、传输线集成在单一半导体基底上的技术与使用分立器件的混合集成电路相比，MMIC具有体积小、重量轻、一致性好、可靠性高和批量生产成本低等优势，目前广泛应用于通信、雷达和航空航天等领域MMIC的制造工艺复杂，主要包括半导体外延生长、器件隔离、源极和漏极金属化、栅极形成、钝化层沉积、通孔蚀刻、金属互连和空气桥形成等步骤常用的半导体材料包括砷化镓GaAs、磷化铟InP、氮化镓GaN和硅锗SiGe等，不同材料适用于不同频率和功率要求的应用典型的MMIC结构中，微带线和共面波导是最常用的传输线形式，它们用于信号传输和阻抗匹配无源元件如MIM金属-绝缘体-金属电容、薄膜电阻和螺旋电感直接集成在芯片上有源器件如HEMT高电子迁移率晶体管、HBT异质结双极型晶体管等则提供信号放大、开关和混频功能微波无源元件设计电感器设计电容器实现电阻器设计微波电感主要采用平面螺旋结构或短截线实微波电容常见的实现方式包括MIM金属-绝缘微波电阻器通常采用薄膜技术实现，常用材料现螺旋电感由金属线绕成平面螺旋形状，通体-金属电容、叉指电容和开路短截线MIM包括氮化钽TaN、碳膜、镍铬合金等设计过控制螺旋匝数、线宽、线间距和外径来调整电容具有高容值密度和良好的Q值，但制造复电阻器时需考虑高频下的趋肤效应、分布效应电感值高频下需考虑寄生电容和自谐振频率杂；叉指电容制造简单但容值密度低；开路短和温度系数为减小感抗影响，通常采用方SRF限制精确设计需使用电磁场仿真软件截线等效为并联电容，适用于特定频率点电形、S形或蛇形布局精确控制电阻值可通过模拟，考虑基板效应、近场耦合和趋肤效应等容设计中需特别关注寄生电感和串联谐振频激光修整实现在高功率应用中，还需评估电因素率阻器的功率处理能力和热稳定性微波有源器件与电路微波晶体管基础微波放大器设计噪声与线性度权衡微波频段常用的晶体管包括微波放大器设计涉及多个方面微波有源电路设计中，噪声和线性度通常是相互矛盾的指标•HEMT高电子迁移率晶体管利用异质•偏置网络提供稳定的直流工作点，同时结构形成二维电子气，具有高频性能和低需要RF隔离•低噪声设计偏置电流较小，匹配优化为噪声特性，最高工作频率可达数百GHz最小噪声，而非最大增益•匹配网络输入和输出匹配关系到增益和稳定性•高线性度设计偏置电流较大，反馈网络•HBT异质结双极型晶体管采用不同带更复杂，功耗更高•稳定化措施防止振荡，通常通过阻尼电隙材料构成的异质结，具有高电流增益和阻实现•关键指标噪声系数NF、三阶交调截点良好的功率效率IP

3、1dB压缩点P1dB•热管理高功率应用中需特别关注散热设•LDMOS横向扩散金属氧化物半导体计实际应用中，需根据系统要求在噪声、线性硅基器件，成本低，功率处理能力强，主度、功耗和成本之间找到最佳平衡点现代放大器类型包括低噪声放大器LNA、功率放要用于较低频段如3GHz以下设计往往采用多级结构，前级优化噪声，后大器PA和可变增益放大器VGA等，各有器件选择需综合考虑频率范围、功率需求、级优化线性度不同的设计重点噪声性能和成本等因素毫米波传输线技术12毫米波频段特点毫米波传输线结构毫米波指频率在30GHz至300GHz毫米波频段常用的传输线结构包之间的电磁波，波长在1-10毫米范括基于硅或氮化镓的集成波导如围内这一频段具有可用带宽大、SIW；基于低损耗介质如LTCC、空间分辨率高等优势，但同时面临液晶聚合物的微带线；石墨烯基柔传播损耗大、大气衰减显著和穿透性传输线；以及用于高Q值应用的能力弱等挑战5G通信的高频段空气悬浮传输线传统结构如微带24-28GHz、38GHz等和未来的线在毫米波频段面临严重的辐射损6G通信将大量利用毫米波频段耗和表面波激发问题，需要特殊设计来克服3毫米波系统应用与挑战毫米波技术正广泛应用于高速无线通信、汽车雷达77GHz、安检成像94GHz和高分辨率传感等领域主要技术挑战包括精确的制造工艺控制公差影响更显著；高效的相位控制波长短导致相位误差敏感；以及可靠的互连和封装技术寄生效应更突出克服这些挑战需要先进的材料技术、精确的电磁仿真和创新的系统架构现代微波系统应用实例通信系统雷达系统卫星通信5G5G通信系统大量采用微波和毫米波传输技现代雷达系统，特别是相控阵雷达，依赖于高卫星通信系统对微波传输线有独特要求卫星术在基站侧，Massive MIMO技术需要精性能微波传输线网络T/R组件中的移相器、上的波导和传输线需要轻量化设计以减小发射确的馈线网络和相位控制；天线阵列中的功率开关和功率放大器均需精心设计的传输线互成本；同时必须承受太空极端温度变化和辐射分配网络需要低插入损耗和高隔离度；滤波器连；波束形成网络要求相位匹配和低交叉耦环境；多波束天线馈电网络需要精确的相位和组合需要高选择性和低损耗高频段如合；大功率雷达发射机需要能承受高功率的传幅度控制；地面站大功率发射系统则需要高效28GHz、39GHz的毫米波通信对传输线的相输线气象雷达、汽车雷达和军用雷达对传输率传输线以减小损耗最新的低轨卫星星座对位稳定性和制造精度提出了更高要求线的要求各不相同，但都需要可靠的性能和环小型化、集成化微波传输线需求尤为突出境适应性传输线问题EMC/EMI电磁干扰机理串扰控制传输线EMI/EMC问题源于不必要的电磁串扰是相邻传输线间的不必要信号耦合耦合常见机理包括辐射耦合通过空控制方法包括增加线间距减弱耦合；使间传播、传导耦合通过共享导体和感用接地线或接地面提供屏蔽；合理布局使应耦合通过近场电磁场高频信号传输1敏感线路远离高功率或快速变化信号；正线更容易成为干扰源或受害者，特别是在交布线减小平行长度；以及采用差分信号高密度混合信号系统中传输增强抗干扰能力屏蔽与接地辐射抑制有效的屏蔽和接地是EMC设计的关键传输线辐射控制策略包括避免不连续点屏蔽原则包括封闭性避免屏蔽缝隙；和不匹配减少反射；使用适当终端避免导电性足够高的电导率；连续性避免振铃和反射；控制信号上升/下降时间慢电流路径断开接地系统设计需避免地边沿产生较少高频谐波；以及选择适当环路；保持低阻抗回路；合理分配数字、的线宽和微带线宽高比影响辐射效率模拟和射频地；在必要时使用铁氧体抑制共模电流微波传输线未来发展趋势200GHz太赫兹频段未来微波技术正向太赫兹频段

0.1-10THz扩展，开拓全新应用领域10Gbps/cm²集成度微波集成电路密度持续提升，实现更复杂功能的单片系统60%效率提升新材料和新结构显著提高能量传输效率，降低系统功耗5G柔性电子可弯曲、可穿戴微波传输线的机械柔性度和耐用性大幅提升高频材料技术正经历革命性变革，包括石墨烯基传输线超高导电率和热导率、液晶聚合物LCP基板低损耗、低介电常数以及光学互连超宽带、低串扰这些材料将支持从毫米波到太赫兹波的超宽频带应用，同时提高系统性能和可靠性3D打印微波结构代表着制造技术的重大突破，实现了复杂三维微波元件的快速原型和定制化生产通过3D打印技术，可以制造传统方法难以实现的精密波导结构、谐振腔和天线，同时减少装配误差和提高一致性多材料3D打印还能实现集成式设计，将导体和介质在同一过程中成型柔性微波传输线技术正快速发展，适应可穿戴设备、智能纺织品和曲面集成系统的需求以液态金属、导电聚合物和压电材料为基础的柔性传输线能在弯曲、拉伸甚至折叠状态下保持良好性能这一技术将推动可穿戴天线、柔性雷达和可变形通信系统的发展课程总结与复习要点核心理论基础电磁场理论、传输线方程、波动理论、微波网络理论关键性能指标特性阻抗、传播常数、驻波比、S参数、Q值、损耗与带宽主要传输线类型同轴线、微带线、带状线、波导、共面波导、槽线基本设计技能阻抗匹配、Smith圆图应用、滤波器设计、耦合器设计现代应用领域5G/6G通信、卫星通信、毫米波雷达、物联网、太赫兹技术考试重点提示原理推导、计算题、Smith圆图应用题、实际案例分析通过本课程的学习，我们全面掌握了微波传输线的基本原理和应用技术从麦克斯韦方程到传输线理论，从基本传输结构到复杂微波网络，我们系统地建立了微波工程的理论框架特别是Smith圆图的应用、阻抗匹配技术和微波元件设计等实用技能，将直接服务于未来的工程实践现代微波技术正朝着高频化毫米波和太赫兹、集成化MMIC和系统级封装和智能化可重构和自适应系统方向发展掌握本课程知识，将为应对这些技术挑战奠定坚实基础建议同学们重点复习传输线基本方程、Smith圆图应用、阻抗匹配方法和S参数分析等内容，这些是考试和实际工作中的常用工具最后，鼓励大家将理论知识与实际应用相结合，多动手实践，培养工程直觉和实验技能微波工程是一个充满挑战和机遇的领域，希望本课程能为各位未来的职业发展提供有力支持祝愿大家在期末考试中取得优异成绩！。