第三章

微波集成電路基礎(chǔ)

微波傳輸線微波元件微波連接器微波網(wǎng)絡(luò)分析法微波集成電路

微波傳輸線的定義微波電路中的傳輸線（TransmissionLine）是將能量和信息從一個(gè)點(diǎn)傳送到另一個(gè)點(diǎn)的各種形式電磁波傳輸結(jié)構(gòu)的總稱，它的作用是引導(dǎo)電磁波沿一定方向傳輸，因此又稱為導(dǎo)波系統(tǒng)，其所導(dǎo)引的電磁波被稱為導(dǎo)行波（guidedwave）。微波傳輸線的分類

（1）雙導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的傳輸線，它由兩根或兩根以上平行導(dǎo)體構(gòu)成，主要包括平行雙線、同軸線、帶狀線和微帶線等。（2）均勻填充介質(zhì)的金屬波導(dǎo)管，因電磁波在管內(nèi)傳播，故稱為波導(dǎo)，主要包括矩形波導(dǎo)、圓波導(dǎo)、脊形波導(dǎo)和橢圓波導(dǎo)等；（3）介質(zhì)波導(dǎo)傳輸線，因其電磁波沿傳輸線表面?zhèn)鞑?，故也稱為表面波傳輸線，主要包括開放式的介質(zhì)波導(dǎo)、介質(zhì)鏡像線等，以及半開放式的H形波導(dǎo)、G形波導(dǎo)等3.1微波傳輸線Whatisthis-微波傳輸線

平面形式的傳輸線利于實(shí)現(xiàn)微波電路的集成化，具有重量輕、尺寸小、集成度高、可靠性高、一致性好等優(yōu)點(diǎn)，主要有兩類：準(zhǔn)TEM波傳輸線，主要包括微帶線、倒置微帶線、帶狀線和共面波導(dǎo)等；非TEM波傳輸線，主要包括槽線、鰭線等。3.1微波傳輸線Whatisthis-微波傳輸線微波元件的定義

微波元件是構(gòu)造微波器件、電路的最基本要素，主要包括各類集總元件、通孔、空氣橋和介質(zhì)跨接器，以及各種傳輸線不連續(xù)性結(jié)構(gòu)等。微波元件的分類（1）電感元件（2）電容元件（3）電阻元件（4）通孔（5）介質(zhì)跨接器元件3.2微波元件Whatisthis-微波元件3.2微波元件Whatisthis-微波元件螺旋電感薄膜電阻交指電容MIM電容空氣橋通孔微波電容元件、電感元件、電阻元件、通孔和介質(zhì)跨接器元件的典型結(jié)構(gòu)。3.2微波元件Whatneedit-電感元件的功能

電感在電路中主要起濾波、振蕩、延遲、陷波、調(diào)諧和匹配作用。理想電感對(duì)直流信號(hào)短路，對(duì)交流信號(hào)呈現(xiàn)的阻抗與信號(hào)頻率成正比，交流信號(hào)的頻率越高，電感呈現(xiàn)的阻抗越大；電感的電感量越大，對(duì)交流信號(hào)的阻抗越大。除用非?；A(chǔ)的電感系數(shù)外，還常用以下參數(shù)評(píng)估電感元件的性能。3.2微波元件Howaboutit-電感元件的性能有效電感：若忽略串聯(lián)電阻，電路中電感元件L的阻抗為頻率

的函數(shù)，可以寫為：時(shí)間常數(shù)：忽略寄生電容，當(dāng)在串聯(lián)電感電阻上施加直流電壓時(shí)，將電感充電至施加電壓所需的時(shí)間稱為時(shí)間常數(shù)τ電感元件等效電路模型式中，，為并聯(lián)諧振頻率等效電感Le稱為有效電感。3.2微波元件Howaboutit-電感元件的性能品質(zhì)因數(shù)Q：品質(zhì)因數(shù)Q的最一般定義是基于每周期電感中存儲(chǔ)能量WS與耗散功率PD的比值，即。在較低頻率下，電感元件的Q值可以寫為：自諧振頻率：設(shè)Re[Zin]和Im[Zin]分別是電感元件輸入阻抗的實(shí)部和虛部。當(dāng)Im[Zin]=0時(shí)，就可確定電感元件的自諧振頻率。電感元件的第一諧振為并聯(lián)諧振，此時(shí)Re[Zin]達(dá)到極大值，等效為一高阻。超過(guò)第一諧振頻率fres后，電感元件呈現(xiàn)容性。3.2微波元件Howaboutit-電感元件的性能最大額定電流：電感元件能夠承受的最大直流電流，而不會(huì)因其有限電阻而損壞（熔斷或電遷移）或過(guò)熱，稱為最大額定電流。最大額定電流限制取決于導(dǎo)體材料、形狀、內(nèi)芯材料、周圍環(huán)境和溫度。最大額定功率：在不改變電感元件特性或因產(chǎn)生熱量而破壞電感元件的情況下，可以安全應(yīng)用于電感元件上的最大射頻功率稱為最大額定功率。最大功率限制取決于電感元件的Q、面積/體積、使用的內(nèi)芯材料、周圍環(huán)境和溫度。3.2微波元件Whatneedit-電容元件的功能在電路設(shè)計(jì)中，通常大電容用于射頻旁路、隔直和電抗性終端應(yīng)用，而小電容在匹配網(wǎng)絡(luò)中用作調(diào)諧元件，還用于實(shí)現(xiàn)緊湊型濾波器、功率分配器/合成器、耦合器、巴倫和變壓器。電容元件除了非?；A(chǔ)的電容值參數(shù)外，還常使用有效容值、溫漂系數(shù)、品質(zhì)因數(shù)、等效串聯(lián)電阻、串聯(lián)和并聯(lián)諧振頻率、時(shí)間常數(shù)、額定電壓、額定電流等評(píng)估其綜合性能。

3.2微波元件Howaboutit-電容元件的性能有效容值：若忽略串聯(lián)電阻、并聯(lián)寄生電容，電容元件的阻抗可以表示為：其中式中為串聯(lián)諧振頻率（

）。為等效電容，也稱有效電容，在諧振頻率以下，其值通常大于標(biāo)稱值。溫漂系數(shù)：電容值隨溫度變化的速率稱為其溫漂系數(shù)(TemperatureCoefficient，TC)，以百萬(wàn)分之一每攝氏度表示。在大多數(shù)應(yīng)用中電路溫度穩(wěn)定性至關(guān)重要，需要較小的TC值，TC值可能為負(fù)值或正值。有時(shí)，選擇正確的TC值可使電路對(duì)溫度依賴性最小化，小溫漂系數(shù)電容元件的TC值小于±50ppm/℃。3.2微波元件Howaboutit-電容元件的性能品質(zhì)因數(shù)：用于衡量電容元件的儲(chǔ)能能力的重要參數(shù)。忽略寄生電抗，電容元件由電容C和電阻Rs的串聯(lián)電路表示時(shí)，品質(zhì)因數(shù)Q由以下關(guān)系式定義：

式中，

=2

f，f是工作頻率。等效串聯(lián)電阻：所有電容元件由于其有限尺寸而呈現(xiàn)寄生電感，并且由于連接處以及電極電阻呈現(xiàn)串聯(lián)電阻。該串聯(lián)電阻通常稱為ESR（EquivalentSeriesResistance），是使用電容元件的電路設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要參數(shù)。3.2微波元件Howaboutit-電容元件的性能串聯(lián)和并聯(lián)諧振頻率：與電感不同，電容兼具串聯(lián)和并聯(lián)諧振特性。在串聯(lián)諧振頻率以下，電容正常工作。然而，在串聯(lián)諧振頻率以上，電容元件的總電抗是電感性的，并且在隨后的并聯(lián)諧振頻率之后再次變?yōu)殡娙菪浴ｋ娙輧蓚€(gè)電極之間的輸入阻抗可以寫為：

圖中顯示了Zi的模值變化（帶電抗正負(fù)符號(hào)）、假設(shè)C??Cp，在角頻率處發(fā)生串聯(lián)諧振，C和Ls的電抗絕對(duì)值變?yōu)橄嗟?，此時(shí)電容元件等效為電阻Rs。隨著頻率繼續(xù)增加，電容元件的電抗逐漸變小，在角頻率處發(fā)生并聯(lián)諧振，Ls和Cp的電抗絕對(duì)值變?yōu)橄嗟?，此時(shí)電容元件等效為一個(gè)非常大的電阻。3.2微波元件Howaboutit-電容元件的性能時(shí)間常數(shù)：在電路中，當(dāng)理想電容C與電阻R串聯(lián)，并施加直流電壓時(shí)，電容充電至施加的電壓需要的時(shí)間稱為時(shí)間常數(shù)，由式給出：式中，、R和C的單位分別是s、Ω和F。額定電壓：在不影響其可靠性或破壞其可靠性的情況下，可在電容元件兩端之間安全施加的最大電壓稱為額定電壓或工作電壓。額定電流：允許通過(guò)電容元件而不損壞或過(guò)熱的最大電流稱為額定電流或最大額定電流。由于電容的擊穿電壓或功率消耗，額定電流受到限制。工作頻率和電容值影響擊穿電壓，等效串聯(lián)電阻ESR影響電容元件的功耗。3.2微波元件Whatneedit-電阻元件的功能電阻元件用于射頻、微波和毫米波集成電路?？梢宰鳛榻K端、隔離電阻、反饋網(wǎng)絡(luò)、有耗阻抗匹配、分壓器、偏置元件、衰減器、增益均衡元件，以及作為防止寄生振蕩的穩(wěn)定電阻或阻尼電阻。理想電阻元件或與工作波長(zhǎng)相比長(zhǎng)度非常小的電阻元件僅耗散電能，并且由于相關(guān)寄生電容和電感可忽略不計(jì)，因此其電儲(chǔ)能和磁儲(chǔ)能可忽略。評(píng)價(jià)電阻元件性能的參數(shù)有額定功率、溫漂系數(shù)、公差、最大工作電壓、最大工作頻率、穩(wěn)定性、噪聲、最大額定電流等。

3.2微波元件Howaboutit-電阻元件的性能額定功率：電阻元件的額定功率是指電阻在不影響其阻值和可靠性的情況下能夠承受的最大功率。額定功率取決于其面積（面積越大，耗散功率越大）和環(huán)境溫度。高額定功率電阻具有較大的面積和較強(qiáng)的寄生效應(yīng)，這會(huì)影響其在微波頻率下的性能。溫漂系數(shù)：電阻值隨溫度的變化率稱為電阻的溫漂系數(shù)（TemperatureCoefficientofResistors，TCR）簡(jiǎn)稱TC，單位為ppm/℃。3.2微波元件Howaboutit-電阻元件的性能公差：同規(guī)格電阻其阻值的變化起伏以公差表示。通常，根據(jù)電阻元件的制造技術(shù)和具體應(yīng)用，電阻元件的公差可以有±1%、±5%、±10%或±20%的起伏。最大工作電壓：在不影響電阻值的情況下，可以施加在電阻元件上的最大電壓稱為最大工作電壓。最大工作電壓Vm取決于電阻材料、可以容忍的起自小電壓值的電阻變化以及電阻的物理結(jié)構(gòu)。最大工作頻率：電阻值還取決于其工作頻率。平面電阻也存在寄生電抗，其值隨頻率增加而增加，從而影響凈電阻值。在一定頻率下，容性電抗和感性電抗變得相等，從而引起自諧振。3.2微波元件Howaboutit-電阻元件的性能穩(wěn)定性：大多數(shù)情況下，電阻元件的性能會(huì)隨著時(shí)間而變化。電阻元件的穩(wěn)定性以電阻值長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)的變化表示。噪聲：噪聲通常指熱噪聲或散粒噪聲，源自電阻元件內(nèi)產(chǎn)生的不需要的隨機(jī)電壓波動(dòng)。電阻元件的熱噪聲與其電阻值成正比。額定電流：每個(gè)電阻元件都有一個(gè)指定的額定電流，如果超過(guò)該額定電流，電阻可能會(huì)因電流密度過(guò)高而失效。3.2微波元件Whatneedit-變壓器元件的功能射頻頻率的變壓器由兩個(gè)或多個(gè)相互耦合的繞在公共鐵芯上的線圈組成。變壓器在射頻和微波電路可用于阻抗匹配、功率分配器/合成器、雙平衡混頻器、功率放大器、信號(hào)耦合和相移。變壓器可以是兩端口、三端口或四端口元件。變壓器有兩個(gè)重要的性能參數(shù)：匝數(shù)比和磁耦合系數(shù)。

3.2微波元件Howaboutit-變壓器元件的性能匝數(shù)比：初級(jí)線圈和次級(jí)線圈的匝數(shù)之比。若變壓器的匝數(shù)比是1∶N，則次級(jí)阻抗是初級(jí)阻抗的N2倍。當(dāng)N>1時(shí)，變壓器稱為升壓變壓器，次級(jí)阻抗大于初級(jí)阻抗；反之為降壓變壓器。例如，阻抗比為1∶4的變壓器，其匝數(shù)比應(yīng)為1∶2。磁耦合系數(shù)：變壓器初級(jí)線圈和次級(jí)線圈之間的磁耦合程度由磁耦合系數(shù)k表示，表達(dá)式如下：式中，M為初級(jí)線圈和次級(jí)線圈之間的互感；L1、L2為線圈的自感。3.2微波元件Whatneedit-通孔的功能通孔是單片微波和毫米波集成電路的基本元素。按照其功能，可分為多層微波電路中不同金屬層的信號(hào)連接通孔和用于接地的通孔，也可以用作電磁屏蔽通孔。

信號(hào)連接通孔：信號(hào)連接通孔是通過(guò)通孔技術(shù)，在不同層的電路和元件之間形成金屬連接并使微波信號(hào)通過(guò)的微波元件。信號(hào)連接通孔是晶體管、電感、變壓器和Lange耦合器設(shè)計(jì)中的重要元素。3.2微波元件Whatneedit-通孔的功能接地通孔：接地通孔通過(guò)通孔技術(shù)，為元件或電路建立良好的對(duì)地連接。在射頻和微波電路中，低損耗和低電感接地對(duì)于獲得良好的增益、噪聲系數(shù)、插入損耗、VSWR、輸出功率、功率附加效率（PAE、power-addedefficiency）和帶寬性能非常重要。3.2微波元件Whatneedit-通孔的功能電磁屏蔽通孔：低成本射頻和微波系統(tǒng)要求在更小的封裝中實(shí)現(xiàn)更高的集成度和更多的電路功能。當(dāng)部件彼此靠近時(shí)，主結(jié)構(gòu)上的一部分功率耦合到其他結(jié)構(gòu)上。一般來(lái)說(shuō)，我們并不希望耦合效應(yīng)存在，它可以被周期排布的金屬通孔陣列降低或消除。此外，在多層電路板結(jié)構(gòu)中，這種陣列結(jié)構(gòu)中還可進(jìn)一步采用金屬條帶將同排的金屬通孔連通來(lái)提高屏蔽性，形成類似柵欄的結(jié)構(gòu)。3.2微波元件Whatneedit-空氣橋、介質(zhì)跨接器的功能空氣橋和介質(zhì)跨接器結(jié)構(gòu)相同，不同的是空氣橋橋接位置下方為空氣，而介質(zhì)跨接器下方是一層低介電常數(shù)材料，主要目的是使兩個(gè)不相連的傳輸線相互交叉。它們常用于晶體管陣列、電極、螺旋電感和變壓器、MIM電容、Lange耦合器的設(shè)計(jì)，也可在基于共面波導(dǎo)（CPW）的微波單片集成電路中用來(lái)連接CPW兩側(cè)地平面。

集總電感元件的結(jié)構(gòu)主要有以下幾類：一小段導(dǎo)線、環(huán)形、彎曲或蛇形線、螺旋形等。導(dǎo)線段可以是連接線或鍵合線的形式，也可以是平面微帶線的形式。平面微帶直導(dǎo)線電感用于實(shí)現(xiàn)低電感值，通常小于2nH，如需獲得較大電感值或減小元件尺寸可使其來(lái)回彎折走線形成彎曲或蛇形線電感。環(huán)形電感元件的單位面積電感有限，螺旋電感元件可以采用矩形或圓形，圓形螺旋電感電性能更好，而矩形形狀更容易布局。3.2微波元件Howtorealizeit-電感元件的設(shè)計(jì)常用的微帶直導(dǎo)線、圓環(huán)形、圓形螺旋集總電感元件的等效電路模型如下圖所示。注意蛇形線電感的等效電路亦可用下圖(a)來(lái)表示，但其參數(shù)難以用統(tǒng)一的解析公式來(lái)表示，更適合用數(shù)值擬合的方法等效。3.2微波元件Howtorealizeit-電感元件的設(shè)計(jì)不同結(jié)構(gòu)電感元件的等效電路模型3.2微波元件Howtorealizeit-電感元件的設(shè)計(jì)微帶直導(dǎo)線電感導(dǎo)線段的等效電路導(dǎo)線的線寬、線厚、襯底厚度、導(dǎo)線長(zhǎng)度和方阻分別用參數(shù)W、t、h、l和Rsh表示。其中：所有尺寸均以微米為單位。參數(shù)Kg代表了地板的影響。參數(shù)K是一個(gè)修正系數(shù)，它考慮了導(dǎo)體拐角處的電流不均勻現(xiàn)象。Kg、K的計(jì)算公式為：3.2微波元件Howtorealizeit-電感元件的設(shè)計(jì)平面圓環(huán)電感平面圓環(huán)電感的等效電路導(dǎo)線的線寬、線厚、襯底厚度、導(dǎo)線長(zhǎng)度和方阻分別用參數(shù)W、t、h、l和Rsh表示。其中：a是圓環(huán)的平均半徑3.2微波元件Howtorealizeit-電感元件的設(shè)計(jì)平面圓形螺旋電感圓形螺旋電感結(jié)構(gòu)圖其中N是匝數(shù)，Di是電感的內(nèi)徑，Do是電感的外徑所有尺寸均以微米為單位。參數(shù)Kg的計(jì)算公式同前式，而參數(shù)K的計(jì)算公式則要進(jìn)行修改。參數(shù)S是螺旋電感的線間距，通過(guò)保持S<W和S<h，可以減少地板對(duì)電感值的影響。圓形螺旋電感等效電路

集總電容元件的典型結(jié)構(gòu)包括：微帶片、交指結(jié)構(gòu)和金屬-絕緣體-金屬（metal–insulator–metal，MIM）結(jié)構(gòu)，如下圖所示。由于基板較厚，一小段開路微帶片可以用作單位面積電容值較低的集總電容元件，交指結(jié)構(gòu)方便制作中等電容值。MIM電容元件是一種在兩個(gè)平面金屬電極之間夾著一層很薄介質(zhì)塊的結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)很大的單位面積的電容值，但是制造工藝更復(fù)雜。3.2微波元件Howtorealizeit-電容元件的設(shè)計(jì)不同的電容元件形式3.2微波元件Howtorealizeit-電容元件的設(shè)計(jì)微帶片電容Cp是平行板電容，Ce是邊緣效應(yīng)引起的電容。對(duì)于75μm厚基板和125μm厚GaAs基板，平行板對(duì)背面金屬的電容可以分別表示為：其中A是上層板面積，單位為平方微米。另外，Ce的近似值對(duì)于上述兩種厚度的基板分別為微帶電容的物理模型非常簡(jiǎn)單，比如印刷在GaAs基底上的金屬板，它和接地板間存在并聯(lián)電容，其電容值C由下式給出：式中，P是電容的周長(zhǎng)，單位為微米。3.2微波元件Howtorealizeit-電容元件的設(shè)計(jì)交指電容交指電容結(jié)構(gòu)如圖所示，通過(guò)薄層導(dǎo)體之間的狹窄間隙構(gòu)造電容。這些間隙很長(zhǎng)且來(lái)回彎折從而減小面積，從而實(shí)現(xiàn)緊湊、單層、小電容量的電容元件，通常電容值在0.05~0.5pF左右。電容量可以通過(guò)增加“手指”的數(shù)量來(lái)增加。交指電容的總寬長(zhǎng)比越大，得到的寄生對(duì)地電容越大，寄生串聯(lián)電感越低。交指電容可用作微波電路中，尤其是在較高的微波頻率下的集總電容元件。這種電容元件的品質(zhì)因數(shù)高于層疊電容，但尺寸要大得多。每單位面積的最大電容僅相當(dāng)于層疊電容的1%，因此不適合做成分立片式形式。交指電容交指電容等效電路3.2微波元件Howtorealizeit-電容元件的設(shè)計(jì)交指電容式中，A1和A2是指狀物每單位長(zhǎng)度的電容，N是指狀條的數(shù)量，尺寸l用微米表示。設(shè)交指電容制作在厚度為h的帶地介質(zhì)基板上，指寬S和指間距W相等，l≤λ/4，則：式中，Rsh是電容元件中使用的導(dǎo)體的方阻（sheetresistivity），單位為歐姆/方。交指電容的近似表達(dá)式由式給出：交指電容的串聯(lián)電阻由式給出：3.2微波元件Howtorealizeit-電容元件的設(shè)計(jì)交指電容交指電容的品質(zhì)因數(shù)Q由下式給出：當(dāng)S/h?1，且假設(shè)磁力線不是環(huán)繞每個(gè)“指”，而是繞交指寬度W'方向的橫截面，就可以通過(guò)微帶線理論計(jì)算L和Cs：其中，Zc和

er是以W'和h作為微帶參數(shù)計(jì)算的，c=3×108m/s是自由空間中的光速。3.2微波元件Howtorealizeit-電容元件的設(shè)計(jì)MIM電容當(dāng)MIM電容的最大尺寸小于λ/10時(shí)，該電容元件可以用如下圖所示等效電路表示，其中B和T分別表示底板和頂板。MIM（metal–insulator–metal）電容由兩片金屬及其中間的低損耗介質(zhì)薄層構(gòu)成，底板是未加鍍層的金屬薄板，頂板通常通過(guò)空氣橋或介質(zhì)跨接器連接到其它電路。MIM電容等效電路3.2微波元件Howtorealizeit-電容元件的設(shè)計(jì)MIM電容其余模型參數(shù)值可根據(jù)以下關(guān)系計(jì)算得出其中，

rd和tan

分別表示介質(zhì)薄層的介電常數(shù)和損耗角正切；Rsh是底板的方阻，單位為歐姆/方；W是頂板寬度，l是頂板長(zhǎng)度，d是頂板與地板間距，單位為微米，f的單位為GHz。L的值可由下式計(jì)算獲得，同微帶直導(dǎo)線的電感。其余模型參數(shù)值可根據(jù)以下關(guān)系計(jì)算得出：3.2微波元件Howtorealizeit-電容元件的設(shè)計(jì)MIM電容其中f單位為GHz，l和d的單位為微米。總的品質(zhì)因數(shù)QT為：導(dǎo)體損耗和介質(zhì)損耗對(duì)應(yīng)的品質(zhì)因數(shù)分別為Qc和Qd，表達(dá)式為：3.2微波元件Howtorealizeit-電阻元件的設(shè)計(jì)式中，ρ表示材料的電阻率，單位為Ω?m，σ表示體積電導(dǎo)率，單位為S/m，l是電阻沿電流方向的長(zhǎng)度W表示寬度，t表示厚度，A表示橫截面積，尺寸單位為米。也可以通過(guò)已知給定厚度為t的薄膜的方阻Rsh（歐姆/方）計(jì)算電阻：電阻元件通常采用長(zhǎng)方形的平面導(dǎo)電薄膜結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，此類電阻元件的直流電阻R的值取決于材料特性及其尺寸，由下式給出：平面電阻結(jié)構(gòu)圖3.2微波元件Howtorealizeit-電阻元件的設(shè)計(jì)在微波頻段，前述平面結(jié)構(gòu)的電阻元件的等效電路模型如下左圖所示。假設(shè)電阻被分成兩個(gè)對(duì)稱的部分，R是總等效電阻，Cp是電阻元件端口之間的電容，并聯(lián)電容Cs1和串聯(lián)電感L是連接處的寄生參量。由于電阻元件上的電壓差通常很大，因此Cp通常是不可忽略的。當(dāng)電阻元件的一個(gè)端口接地時(shí)，其模型進(jìn)一步簡(jiǎn)化如右圖所示。電阻的等效電路模型(a)雙端口模型(b)一端接地的簡(jiǎn)化模型3.2微波元件Howtorealizeit-電阻元件的設(shè)計(jì)對(duì)于電阻元件一端接地的情形，Ct=Cp+Cs1+2Cs2，Lt=2L。輸入導(dǎo)納Yin寫為：諧振時(shí)（即Bin=0），輸入阻抗為實(shí)阻抗，且大于R，由下式給出諧振頻率ω0為：低于共振頻率時(shí)，Bin為負(fù)值，電阻元件的寄生電抗是電感型的，反之則是容性的。3.2微波元件Howtorealizeit-微波元件的制備集成式的射頻和微波集總元件的制備工藝包括印制電路板（PCB）、薄膜、低溫共燒陶瓷（LTCC）及單片微波集成電路（MMIC）工藝等。其中薄膜工藝、LTCC工藝也可用來(lái)制作分立片式集總元件。（1）PCB制備技術(shù)PCB制備技術(shù)通過(guò)照相制版，即把拍攝下來(lái)的圖片底版蝕刻在銅板上，然后印刷出所需的元件或電路圖案。PCB制備技術(shù)廣泛應(yīng)用于微波元件、無(wú)源電路和印刷天線的制作。設(shè)計(jì)時(shí)要先選擇基板，主要關(guān)注介電常數(shù)和損耗角正切及其隨溫度和頻率的變化、材料均勻性、各向同性性、加工尺寸穩(wěn)定性、工作溫度和濕度、老化特性以及基板厚度均勻性等。（2）薄膜制備技術(shù)薄膜是指厚度介于單原子到幾毫米間的薄金屬或有機(jī)物層。薄膜制備技術(shù)是將薄膜制備在陶瓷或玻璃基板上，從而實(shí)現(xiàn)電氣連接、元件搭載、表面改性的功能，制備過(guò)程需要在超凈間環(huán)境實(shí)現(xiàn)。3.2微波元件Howtorealizeit-微波元件的制備（3）LTCC制備技術(shù)LTCC是將低溫?zé)Y(jié)陶瓷粉制成精確厚度的生瓷帶，在生瓷帶上利用激光打孔、微孔注漿、精密導(dǎo)體漿料印刷等工藝制出所需要的元件、電路圖形以及導(dǎo)電孔等，對(duì)多條生瓷帶重復(fù)上述過(guò)程并將它們依次疊壓，最后在1000°C以下進(jìn)行燒結(jié)，得到多層復(fù)合陶瓷基板封裝的元件或電路。低溫?zé)频膬?yōu)點(diǎn)在于可以使用高電導(dǎo)率金屬，如銀、銅和金。（4）MMIC制備技術(shù)單片微波集成電路（MMIC）是在半導(dǎo)體襯底上用一系列的半導(dǎo)體工藝方法制造出無(wú)源和有源元器件，并連接起來(lái)構(gòu)成應(yīng)用于微波甚至毫米波頻段的功能電路，MMIC技術(shù)消除了連接傳統(tǒng)混合MIC中分立元件之間鍵合線帶來(lái)的寄生效應(yīng)。MMIC上集總元件的制備主要是通過(guò)氣相沉積阻性材料制備電阻元件；通過(guò)反復(fù)光刻制作電容、電感元件。特別地，對(duì)于MIM電容，首先通過(guò)蒸鍍金屬形成電容元件下極板，然后通過(guò)沉積介電材料形成MIM電容的填充介質(zhì)，最后通過(guò)蒸鍍第二層金屬形成電容元件的上極板。3.2微波元件微波元件的創(chuàng)新探討由于電路寄生參數(shù)的影響，現(xiàn)有的集總電容、電感元件一般只能工作在微波中低頻段，很難應(yīng)用于微波高頻段、毫米波頻段甚至太赫茲頻段電路的設(shè)計(jì)；同時(shí)，由于集總元件自身結(jié)構(gòu)的限制，很難與波導(dǎo)、同軸等其他類型的傳輸線進(jìn)行集成設(shè)計(jì)。因此，如何設(shè)計(jì)適用頻率范圍廣、小尺寸、易集成的電容、電感元件是一個(gè)非常值得研究的問(wèn)題。要求調(diào)研能工作在寬頻率范圍的新型集總元件的技術(shù)成果，就所調(diào)研的集總元件的結(jié)構(gòu)、性能特點(diǎn)、制造工藝等撰寫調(diào)研匯報(bào)。微波連接器的定義以較小的回波損耗和插入損耗連接微波線路與部件的連接體稱為微波連接器，它通過(guò)插頭與插座的機(jī)械嚙合和分離，實(shí)現(xiàn)傳輸系統(tǒng)的電氣連接和分離功能。微波連接器的分類

（1）有極性連接器：由完全匹配的一對(duì)插頭和插座組成。

（2）無(wú)極性連接器：沒(méi)有插頭和插座之分，其外導(dǎo)體靠螺紋配合，可以前后伸縮，既可定義為插頭，也可定義為插座；而內(nèi)導(dǎo)體則靠其頂端的平面接觸完成連接。（3）反極性連接器：其內(nèi)導(dǎo)體的極性與我們的常規(guī)思維剛好相反，即定義插頭的一端呈孔狀，而定義插座的另一端呈針狀。3.3微波連接器Whatisthis-微波連接器3.3微波連接器Whatisthis-微波連接器

從插頭和插座外導(dǎo)體的配合方式看，同軸連接器又可以分為螺紋式、卡口式和推入式。(a)螺紋式(b)卡口式(c)插入式同軸連接器的不同配合方式3.3微波連接器Whatisthis-N型連接器N型連接器是有極性連接器，起源于1942年，是最早被發(fā)明的射頻連接器。N型連接器的命名源自其發(fā)明者Bell實(shí)驗(yàn)室的PaulNeil的名字，也與Navy（海軍）一詞相關(guān)。早期的N型連接器的工作頻率最高到4GHz，到了20世紀(jì)60年代后改良為11GHz。目前精密型N型連接器（插頭）的工作頻率可達(dá)到18GHz。N型連接器結(jié)構(gòu)上比較牢固，常用于苛刻的工作環(huán)境或者需要多次反復(fù)插拔的測(cè)試領(lǐng)域。典型N型連接器的外形結(jié)構(gòu)如下圖所示。典型N型連接器的外形結(jié)構(gòu)3.3微波連接器Whatisthis-BNC型連接器BNC型連接器起源于20世紀(jì)50年代，也是為了軍事應(yīng)用而研制的，稱為卡口式的N型連接器，是一種介質(zhì)填充的有極性連接器。早期的BNC型連接器的最高工作頻率為2GHz，后來(lái)改進(jìn)到4GHz。也有使用頻率更高的BNC連接器。典型BNC型連接器的外形結(jié)構(gòu)3.3微波連接器Whatisthis-TNC型連接器

TNC型連接器是BNC的改良型，采用螺紋配合方式，其外形尺寸與BNC接近，是一種介質(zhì)填充的有極性連接器。性能與N型連接器基本相同，其標(biāo)準(zhǔn)型的最高工作頻率為11GHz，而精密型的最高工作頻率為18GHz。TNC型連接器的最大優(yōu)點(diǎn)就是有著良好的抗振性能，可靠性高，因此廣泛用于無(wú)線電設(shè)備和電子儀器中。典型TNC型連接器的外形結(jié)構(gòu)3.3微波連接器Whatisthis-SMA型連接器SMA型連接器起源于20世紀(jì)60年代，是一種廉價(jià)的商用射頻連接器，可能是當(dāng)前微波和射頻行業(yè)應(yīng)用最廣的連接器。SMA是“超小A型（SubminiatureA）”連接器的縮寫。SMA是有極性連接器，有標(biāo)準(zhǔn)極性和反極性兩種，其外導(dǎo)體的內(nèi)徑為4.2mm，填充以PTFE介質(zhì)。由于尺寸較小，所以SMA的工作頻率要比N型連接器更高，標(biāo)準(zhǔn)SMA型連接器的工作頻率為18GHz，而精密SMA型連接器的工作頻率可達(dá)到26.5GHz。SMA型連接器可與3.5mm和2.92mm（K）連接器配接，互相的都不會(huì)受到損傷。典型SMA型連接器的外形結(jié)構(gòu)3.3微波連接器Whatisthis-3.5mm型連接器

3.5mm連接器可看作是SMA連接器的升級(jí)款，上世紀(jì)70年代中期由美國(guó)Hewlett-Packard和Amphenol公司推出。它采用了空氣介質(zhì)，外導(dǎo)體內(nèi)徑為3.5mm，連接機(jī)構(gòu)為1/4-36UNS-2英制螺紋，其最高頻率可達(dá)34GHz，從配合結(jié)構(gòu)上可以與2.92mm連接器、SMA型連接器進(jìn)行無(wú)損傷連接。3.5mm連接器的外導(dǎo)體較SMA連接器厚，機(jī)械強(qiáng)度好于SMA連接器，所以不僅電氣性能優(yōu)于SMA連接器，而且機(jī)械耐久性、性能的可重復(fù)性均高于SMA連接器，較適合于測(cè)試行業(yè)使用。典型3.5mm連接器公頭（左）和母頭（右）的接口外形3.3微波連接器Whatisthis-2.92mm型連接器2.92mm連接器的結(jié)構(gòu)與3.5mm連接器相似，同樣采用空氣介質(zhì)，只不過(guò)更小一些。它是由Maury微波在1974年發(fā)明的，外導(dǎo)體內(nèi)徑為2.92mm，連接機(jī)構(gòu)為1/4-36UNS-2英制螺紋的射頻同軸連接器，其最高頻率可以達(dá)到40GHz，可以與3.5mm連接器和SMA型連接器進(jìn)行無(wú)損傷連接。典型2.92mm連接器公頭（左）和母頭（右）的接口外形3.3微波連接器Whatisthis-2.4mm和1.85mm（V型）連接器

這兩種連接器也采用了空氣介質(zhì)，從結(jié)構(gòu)上均可以互相配合，但是不能兼容SMA、3.5mm和2.92mm連接器。典型2.92mm連接器公頭（左）和母頭（右）的接口外形(a)公頭（b）母頭3.3微波連接器Whatisthis-2.4mm和1.85mm（V型）連接器2.4mm連接器是在1986年由HP、OminiSpeftra和Amphenal等公司研發(fā)的一款小型精密型毫米波連接器，是第一個(gè)具備生產(chǎn)級(jí)、儀器級(jí)和計(jì)量級(jí)三個(gè)等級(jí)的產(chǎn)品，因其外導(dǎo)體內(nèi)直徑為2.4mm而得其名。2.4mm連接器具有體積小、重量輕、耐用性及抗損壞性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，其最高工作頻率為50GHz，且能夠在50GHz高頻段仍保持高性能，廣泛應(yīng)用于毫米波儀器和系統(tǒng)中。1.85mm連接器可看作2.4mm連接器的縮小版，是1980年代中期由HP公司開發(fā)的一種連接器。其外導(dǎo)體內(nèi)直徑為1.85mm，因此名為1.85mm連接器，又稱為V型連接器，具有頻率高，機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)等特點(diǎn)。現(xiàn)階段它的最高頻率可達(dá)67GHz（實(shí)際工作頻率甚至可達(dá)70GHz），且在這樣的超高頻段下依舊能保持高性能。3.3微波連接器Whatisthis-SMP型連接器

超小型推入式（SMP）連接器是一種提供推入并咬合的對(duì)插結(jié)合方式的插入式有極性連接器，由Gilbert公司在1980年代后期開發(fā)。普通SMP型連接器的尺寸與MMCX型連接器相當(dāng)，工作頻率可達(dá)到40GHz，而迷你SMP型（mini-SMP）連接器的工作頻率更是高達(dá)65GHz。SMP型連接器具有結(jié)構(gòu)小巧、連接快速、抗震性強(qiáng)的特點(diǎn)，適用于要求高密度盲插合的場(chǎng)合。典型SMP連接器公頭（左）和母頭（右）的接口外形3.3微波連接器Whatneedit-微波連接器的功能

微波連接器作為微波毫米波傳輸中一種通用連接元件，其作用就是將功能不同的各種微波部件按照一定的要求連接起來(lái)，組成完整的微波系統(tǒng)以有效的傳輸微波電磁能量，主要用于雷達(dá)、通信、航空航天設(shè)備及高端測(cè)量設(shè)備等。針對(duì)不同的微波部件，需要不同結(jié)構(gòu)的連接器來(lái)滿足部件間的連接要求。

設(shè)計(jì)不同微波連接器的共同要求是：連接點(diǎn)的電接觸可靠；輸入駐波比盡可能小，以減少電磁信號(hào)反射；工作頻帶要寬；結(jié)構(gòu)牢靠，裝拆方便；重復(fù)性好，多次插拔之后性能不變等。其中涉及的主要性能指標(biāo)敘述如下。3.3微波連接器Howaboutit-微波連接器的性能特性阻抗：與其他微波器件一樣，特性阻抗是微波連接器一項(xiàng)非常重要的指標(biāo)，它直接影響駐波比，工作頻率和插入損耗。特性阻抗由同軸外導(dǎo)體的內(nèi)徑，內(nèi)導(dǎo)體的外徑及內(nèi)外導(dǎo)體間的介質(zhì)的介電常數(shù)決定。常見(jiàn)的連接器特性阻抗有50Ω和75Ω。工作頻率范圍：微波同軸連接器的下限截止頻率是零，其上限工作頻率一般定為第一高次模截止頻率的95%。工作頻率范圍取決于連接器的結(jié)構(gòu)尺寸。一般來(lái)說(shuō)，外導(dǎo)體的尺寸越小，連接器的工作頻率越高；填充介質(zhì)的介電常數(shù)越低，工作頻率越高。現(xiàn)有微波同軸連接器的最高工作頻率可以達(dá)到110GHz。3.3微波連接器Howaboutit-微波連接器的性能駐波比（VSWR）：定義為連接器與相同特性阻抗的同軸電纜連接后，電纜上傳播電壓振幅的最大和最小值之比。駐波比是連接器最重要的指標(biāo)之一，通常用駐波比來(lái)衡量一個(gè)連接器的優(yōu)劣。插損：指當(dāng)連接器接入某個(gè)電路時(shí)，使該電路產(chǎn)生的能量損耗，往往以dB為單位。插損主要有來(lái)源于以下幾個(gè)因素：連接器失配引起的能量反射；連接器導(dǎo)電損耗和介電損耗的引起的電能-熱能轉(zhuǎn)化；連接器表面開縫造成的電磁泄漏。3.3微波連接器Howaboutit-微波連接器的性能接觸電阻：微波連接器的接觸電阻是指其接觸點(diǎn)的電阻，包括了內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體的接觸電阻。顯然這個(gè)值越小越好，通常為mΩ級(jí)，外導(dǎo)體的接觸電阻要小于內(nèi)導(dǎo)體。絕緣電阻：絕緣電阻指絕緣材料的電阻，它取決于接頭內(nèi)的填充介質(zhì)，如聚四氟乙烯。絕緣電阻的典型值大于5GΩ（N型）。這項(xiàng)指標(biāo)不好時(shí)會(huì)產(chǎn)生漏電流。功率電容：連接器所能承受的最大微波功率，和連接器的耐壓值有關(guān)。影響同軸連接器功率容量的因素很多，且部分因素會(huì)相互影響，主要包括：接頭尺寸（含針孔尺寸）、工作頻率、主體導(dǎo)電材料、絕緣介質(zhì)材料、接觸可靠性、接觸電阻、駐波比、環(huán)境溫度、海拔高度等。3.3微波連接器Howaboutit-微波連接器的性能無(wú)源互調(diào)（PIM）：是指當(dāng)兩個(gè)甚至多個(gè)不同頻率信號(hào)存在于連接器中，由于非線性因素導(dǎo)致兩個(gè)或者多個(gè)信號(hào)混頻后所產(chǎn)生的寄生信號(hào)強(qiáng)度。連接器的耐久性：當(dāng)微波連接器與其配接的標(biāo)準(zhǔn)連接器完成一次完全嚙合和完全分離的循環(huán)時(shí)，稱為一次插拔。在MIL-C-39012標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)微波連接器的耐久性（插拔壽命）做了規(guī)定。如N型連接器在每分鐘插拔12次的前提下，插拔壽命應(yīng)不小于500次，插拔500次后，微波連接器應(yīng)無(wú)明顯的機(jī)械損傷，各項(xiàng)配合功能保持不變。微波連接器的插拔壽命意味著在完成規(guī)定次數(shù)的插拔后，其駐波比和插損等關(guān)鍵指標(biāo)仍然保持在產(chǎn)品手冊(cè)規(guī)定的范圍內(nèi)。3.3微波連接器Howtorealizeit-微波連接器的設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)微波同軸連接器時(shí)首先要考慮的主要設(shè)計(jì)參數(shù)包括特性阻抗和第一高次模──TE11模的截止頻率。計(jì)算特性阻抗公式為：(3-3-1)計(jì)算TE11模的截止頻率公式為：(3-3-2)

上述兩式中，a為內(nèi)導(dǎo)體外直徑，b為外導(dǎo)體內(nèi)直徑，εr為填充介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)，μr為介質(zhì)的相對(duì)磁導(dǎo)率，c為光速。由式(3-3-2)可見(jiàn)，要使同軸連接器工作于TEM模式，連接器的最短工作波長(zhǎng)（按自由空間計(jì)）λmin應(yīng)滿足以下條件：

(3-3-3)3.3微波連接器Howtorealizeit-微波連接器的設(shè)計(jì)

微波連接器設(shè)計(jì)的另一考慮因素是無(wú)源互調(diào)（PIM）。要保證微波連接器的低無(wú)源互調(diào)性能，在設(shè)計(jì)中可采用焊接的內(nèi)導(dǎo)體和一體化的外導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，這樣可以避免由于風(fēng)、振動(dòng)和熱脹冷縮效應(yīng)所產(chǎn)生的接觸不良。連接器的表面涂敷也很重要，內(nèi)導(dǎo)體可以采用鍍金或鍍銀工藝，外導(dǎo)體可以鍍銀或三元合金來(lái)保證無(wú)源互調(diào)指標(biāo)。在所有射頻連接器中，N型和DIN7-16型具有最好的無(wú)源互調(diào)特性，其指標(biāo)可以達(dá)到?165dBc～?168dBc@2×43dBm。

為了保證連接器信號(hào)傳輸?shù)母咝阅?，一般微波同軸連接器的設(shè)計(jì)還要遵循以下原則：盡可能保證連接器裝配體沿軸線各截面特性阻抗的一致性對(duì)結(jié)構(gòu)突變導(dǎo)致的特性阻抗不連續(xù)進(jìn)行合理補(bǔ)償減小公差疊加對(duì)產(chǎn)品傳輸性能的影響3.3微波連接器Howtorealizeit-微波連接器的制備

微波同軸連接器各組成部件的制備工藝簡(jiǎn)要匯總在下表。同軸連接器內(nèi)導(dǎo)體固定至外導(dǎo)體內(nèi)的方式有倒刺、直紋、網(wǎng)紋、臺(tái)階、灌膠（與絕緣介質(zhì)的填充相配合）等，絕緣介質(zhì)在外導(dǎo)體內(nèi)的固定方式有臺(tái)階、收口、點(diǎn)鉚、卡環(huán)、灌膠等。零件名稱原材料加工方式/設(shè)備表面處理材料/方式熱處理方式/設(shè)備外導(dǎo)體/外殼類黃銅棒/不銹鋼/型材車，鉆，鏜，銑，攻螺紋，特殊工藝./設(shè)備：凸輪自動(dòng)機(jī)床；CNC自動(dòng)機(jī)床.鍍金，銀，鎳，錫，三元合金./滾鍍，掛鍍，鈍化（不銹鋼）.鈹銅─真空充氮熱處理，黃銅青銅（必要時(shí)）─退火熱處理./熱處理爐中心導(dǎo)體鈹銅線材/黃銅線材車，鉆，鏜，銑，攻螺紋，折彎，特殊工藝./設(shè)備：凸輪自動(dòng)機(jī)床：CNC自動(dòng)機(jī)床.鍍金，銀./滾鍍，掛鍍.鈹銅─真空充氮熱處理，黃銅青銅（必要時(shí)）─退火熱處理./熱處理爐.墊圈冷軋鋼帶冷沖成型./設(shè)備：沖床，工具：模具.鍍金，銀，鎳，三元合金./滾鍍，連續(xù)鍍.

接觸頭/中心導(dǎo)體/彈簧墊圈鈹銅帶/青銅帶冷沖成型./設(shè)備：沖床，工具：模具.鍍金，銀，鎳，三元合金./滾鍍，掛鍍，連續(xù)鍍.鈹銅─真空充氮熱處理，青銅（必要時(shí)）─退火熱處理./熱處理爐.絕緣子聚四氟乙烯/聚乙烯車，鉆，鏜，銑，模壓，燒結(jié).

密封圈硅橡膠/無(wú)硫橡膠模壓.

表3-3-1微波同軸連接器制備工藝3.3微波連接器微波連接器的創(chuàng)新探討

早期的微波連接器由于制造技術(shù)的限制，體積比較大，不利于高密度安裝。隨著微波系統(tǒng)往高工作頻率、高密度安裝、小體積的方向發(fā)展，也對(duì)微波連接器的工作頻率和集成度提出了更高的要求。

多路同軸連接器是由兩個(gè)及以上的單路同軸連接器構(gòu)成的高集成模塊化連接器，它的誕生是為了解決各類微波設(shè)備內(nèi)部需要同時(shí)傳輸多路微波信號(hào)的問(wèn)題。相對(duì)于傳統(tǒng)的單路同軸連接器，它具有集成度高、占用空間小、零件數(shù)量少的優(yōu)勢(shì)，非常適合高密度安裝的場(chǎng)合。它能同時(shí)連接和斷開多路微波信號(hào)，克服了單路同軸連接器高密度安裝過(guò)程繁瑣的缺點(diǎn)。

要求調(diào)研多路同軸連接器的技術(shù)成果，就所調(diào)研的多路同軸連接器的結(jié)構(gòu)、連接方式、適用頻段、性能特點(diǎn)、制造工藝等撰寫匯報(bào)。此外，還有哪些新型微波連接器，也可以展開相關(guān)調(diào)研與探討。

3.4微波網(wǎng)絡(luò)分析法Whatisthis-阻抗和導(dǎo)納矩陣在使用微波網(wǎng)絡(luò)分析法對(duì)微波電路和系統(tǒng)進(jìn)行分析前應(yīng)將連接不同微波元器件或不連續(xù)性的規(guī)則傳輸線和導(dǎo)波系統(tǒng)上的導(dǎo)行電磁波等效為電壓電流波，即定義出有效的電壓、電流量，以及與它們相關(guān)的特性阻抗參量。任意一個(gè)微波網(wǎng)絡(luò)都通過(guò)一路或多路傳輸線與外界連接，每一路傳輸線與微波網(wǎng)絡(luò)的連接處被看作網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)端口。微波網(wǎng)絡(luò)各端口外接傳輸線的復(fù)傳播常數(shù)、特性阻抗分別記作γi、Zci，各端口面（也就是網(wǎng)絡(luò)參考面）處的電壓、電流分別記作Vi、Ii，約定每個(gè)端口面上的電壓、電流參考方向都朝網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部方向關(guān)聯(lián)。各端口面處的歸一化電壓和電流按下式定義：(3-4-1)3.4微波網(wǎng)絡(luò)分析法Whatisthis-阻抗和導(dǎo)納矩陣

對(duì)于線性微波網(wǎng)絡(luò)，各個(gè)端口的電壓可以由所有端口電流量的線性疊加表示，寫出如下所示的矩陣方程形式：式中的矩陣被稱為微波網(wǎng)絡(luò)的阻抗矩陣，用Z表示，矩陣中各個(gè)元素Zij是只和網(wǎng)絡(luò)自身結(jié)構(gòu)尺寸、材料電磁特性有關(guān)的參量，和外部激勵(lì)無(wú)關(guān)。Zij的定義是除端口j之外的其他端口都處于開路狀態(tài)時(shí)，端口i處的電壓與端口j處的電流之比，如下式所示。如果i=j，則Zij被稱為端口i（或j）的自阻抗；如果i≠j，則Zij被稱為端口i和j的互阻抗(3-4-2)(3-4-3)3.4微波網(wǎng)絡(luò)分析法Whatisthis-阻抗和導(dǎo)納矩陣也可以將各個(gè)端口的電流用所有端口電壓量的線性疊加表示，得到如下所示的矩陣方程：式中矩陣被稱為微波網(wǎng)絡(luò)的導(dǎo)納矩陣，用Y表示，矩陣中各個(gè)元素Yij被稱為端口i的自導(dǎo)納（i=j）或者端口i和j的互導(dǎo)納（i≠j），只和網(wǎng)絡(luò)自身結(jié)構(gòu)尺寸、材料電磁特性有關(guān)的參量，和外部激勵(lì)無(wú)關(guān)。Yij的定義是除端口j之外的其他端口都處于短路狀態(tài)時(shí)，端口i處的電流與端口j處的電壓之比，如下式所示。一般情況下阻抗矩陣和導(dǎo)納矩陣存在互逆的關(guān)系，但某些特定的線性微波網(wǎng)絡(luò)只存在阻抗矩陣或者導(dǎo)納矩陣，換言之，它們的阻抗矩陣或者導(dǎo)納矩陣是不可逆的。(3-4-2)(3-4-3)3.4微波網(wǎng)絡(luò)分析法Whatisthis-阻抗和導(dǎo)納矩陣如果我們關(guān)注線性微波網(wǎng)絡(luò)各端口的歸一化電壓、歸一化電流之間的線性關(guān)系，不難寫出如下所示的兩個(gè)矩陣方程，

(3-4-6)(3-4-8)(3-4-7)式(3-4-6)和式(3-4-7)中的矩陣分別被稱為歸一化阻抗矩陣和歸一化導(dǎo)納矩陣，分別用，表示。線性微波網(wǎng)絡(luò)歸一化和非歸一化阻抗矩陣、導(dǎo)納矩陣存在如下的轉(zhuǎn)換關(guān)系：其中，是以各端口傳輸線特性阻抗方根為對(duì)角元的N階對(duì)角矩陣，是其逆矩陣。(3-4-9)3.4微波網(wǎng)絡(luò)分析法Whatisthis-散射矩陣對(duì)于微波電路來(lái)說(shuō)，其電壓和電流無(wú)法直接測(cè)量，開路和短路條件在微波頻段也難以嚴(yán)格實(shí)現(xiàn)，故阻抗參數(shù)和導(dǎo)納參數(shù)也難以測(cè)量。另一方面，由于波動(dòng)效應(yīng)，微波網(wǎng)絡(luò)各端口存在向網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部傳播的入射波和向網(wǎng)絡(luò)外部傳播的出射波，而各個(gè)端口入射波、出射波的功率以及相對(duì)相位在微波段都是可測(cè)的，因此在微波網(wǎng)絡(luò)分析和設(shè)計(jì)中常使用建立在各端口入射波、出射波關(guān)系基礎(chǔ)上的散射矩陣，以及其中的元素——散射參數(shù)。 如圖3-4-1所示，微波網(wǎng)絡(luò)各個(gè)端口面處的入射波和出射波用電壓表示記Vi+、Vi?（i=1,2,……,N），它們和各個(gè)端口面處的電壓Vi、電流Ii存在如下關(guān)系：(3-4-10)

歸一化入射波和歸一化出射波分別定義為入射波電壓的歸一化值和出射波電壓的歸一化值，分別記作ai、bi（i=1,2,……,N），即(3-4-11)3.4微波網(wǎng)絡(luò)分析法Whatisthis-散射矩陣歸一化入射波、歸一化出射波與歸一化電壓、歸一化電流之間存在如下關(guān)系：(3-4-11)(3-4-13)(3-4-12)微波網(wǎng)絡(luò)各端口的入射波平均功率Pi+和出射波平均功率Pi?可以分別表示成歸一化入射波有效值的平方、歸一化出射波有效值的平方，從形式上擺脫端接傳輸線特性阻抗的束縛，即：3.4微波網(wǎng)絡(luò)分析法Whatisthis-散射矩陣對(duì)于線性微波網(wǎng)絡(luò)，各個(gè)端口的歸一化出射波可以表示成各個(gè)端口歸一化入射波的線性疊加，用矩陣方程表示即：(3-4-14)(3-4-15)式(3-4-14)中的矩陣被稱為微波網(wǎng)絡(luò)的散射矩陣，用S表示。散射參數(shù)Sij定義為除端口j之外的其他端口的端接傳輸線末端接匹配負(fù)載時(shí)，端口i處的歸一化出射波與端口j處的歸一化入射波之比，如下式所示。對(duì)于i=j，Sij的物理意義為除端口i（或j）之外的其他端口都外接匹配負(fù)載時(shí)，端口i（或j）處看向網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的反射系數(shù)；對(duì)于i≠j，Sij的物理意義為除端口j之外的其他端口都外接匹配負(fù)載時(shí)，端口i到端口j的傳輸系數(shù)。即除端口j之外的其他端口都外接匹配負(fù)載時(shí)，端口i的出射波平均功率與端口j的入射波平均功率之比。3.4微波網(wǎng)絡(luò)分析法Whatisthis-散射矩陣考慮到歸一化入射波、歸一化出射波與歸一化電壓、歸一化電流之間存在如式(3-4-12)所示的轉(zhuǎn)換關(guān)系，線性微波網(wǎng)絡(luò)的散射矩陣與歸一化阻抗矩陣、歸一化導(dǎo)納矩陣顯然也能夠通過(guò)以下兩式互化：(3-4-16)(3-4-18)(3-4-17)其中，表示單位矩陣。對(duì)于線性二端口微波網(wǎng)絡(luò)，工程上通常使用從其散射參數(shù)衍生出的兩個(gè)參數(shù)：回波損耗（記作RL或Lr）和插入損耗（記作IL或Li），它們被定義成如下對(duì)數(shù)的形式：(3-4-19)3.4微波網(wǎng)絡(luò)分析法Whatisthis-轉(zhuǎn)移矩陣

轉(zhuǎn)移矩陣和阻抗矩陣、導(dǎo)納矩陣一樣反映的是微波網(wǎng)絡(luò)各個(gè)端口電壓、電流之間的線性關(guān)系。對(duì)于如圖3-4-2所示的線性二端口微波網(wǎng)絡(luò)，若用端口2的電壓V2、電流?I2作為自變量，而端口1的電壓V1和電流I1作為因變量，則可得如下矩陣方程：(3-4-21)方程中的矩陣即轉(zhuǎn)移矩陣，用A表示，矩陣內(nèi)的四個(gè)元素稱作轉(zhuǎn)移參數(shù)，它們的定義式如下：圖3-4-32個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)級(jí)聯(lián)示意(3-4-20)3.4微波網(wǎng)絡(luò)分析法Whatisthis-轉(zhuǎn)移矩陣(3-4-22)(3-4-23)端口1的歸一化電壓、歸一化電流，和端口2的歸一化電壓、歸一化電流之間的線性關(guān)系可以表示成如下矩陣方程：其中的矩陣稱作歸一化轉(zhuǎn)移矩陣，根據(jù)歸一化電壓電流與非歸一化電壓電流之間的依賴關(guān)系式(3-4-1)，不難得出歸一化轉(zhuǎn)移參數(shù)和非歸一化轉(zhuǎn)移參數(shù)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系：3.4微波網(wǎng)絡(luò)分析法Whatisthis-轉(zhuǎn)移矩陣(3-4-24)(3-4-26)將式(3-4-24)中的后式代入前式有：圖3-4-32個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)級(jí)聯(lián)示意若有2個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)首尾級(jí)聯(lián)，已知參與級(jí)聯(lián)的各個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)移矩陣為A1

、A2，并規(guī)定所有端口的電壓、電流的參考方向均向右關(guān)聯(lián)，則有：因此級(jí)聯(lián)后的總轉(zhuǎn)移矩陣為：。推而廣之，對(duì)于M個(gè)線性二端口微波網(wǎng)絡(luò)依次首尾級(jí)聯(lián)的情形，級(jí)聯(lián)后總的二端口網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)移矩陣為：(3-4-25)3.4微波網(wǎng)絡(luò)分析法Whatisthis-轉(zhuǎn)移矩陣線性二端口微波網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)移矩陣、傳輸矩陣與前述阻抗矩陣、導(dǎo)納矩陣、散射矩陣也是可以互相轉(zhuǎn)化的，但一般用歸一化矩陣的形式進(jìn)行互化更方便。歸一化轉(zhuǎn)移矩陣與歸一化阻抗矩陣、歸一化導(dǎo)納矩陣之間的互化關(guān)系：

(3-4-29b)其中歸一化轉(zhuǎn)移矩陣與散射矩陣之間的互化關(guān)系：(3-4-29a)3.4微波網(wǎng)絡(luò)分析法Howtorealizeit-復(fù)雜微波網(wǎng)絡(luò)的廣義連接分析法上式中是廣義聯(lián)合矩陣的子矩陣，由式(3-4-31)給出：圖3-4-4給出了由多個(gè)簡(jiǎn)單微波網(wǎng)絡(luò)相互連接構(gòu)成的復(fù)雜多端口網(wǎng)絡(luò)的一般結(jié)構(gòu)示意，其中每個(gè)矩形框代表一個(gè)子網(wǎng)絡(luò)。各子網(wǎng)絡(luò)的端口有的和其他子網(wǎng)絡(luò)的端口互連，稱作內(nèi)部端口（如圖中的端口②④⑤⑦⑧），有的充作整個(gè)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的對(duì)外端口，稱作外部端口（如圖中的端口①③⑥）。圖中ai、bi（i=1,3,6）表示外部端口的歸一化入射波和歸一化出射波，ai、bi（i=2,4,5,7,8）表示內(nèi)部端口的歸一化入射波和歸一化出射波。如果所有子網(wǎng)絡(luò)的散射參數(shù)都是已知的，那么整個(gè)復(fù)雜多端口網(wǎng)絡(luò)的散射矩陣可以由右式得到：圖3-4-4基于子網(wǎng)