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微波固态电路

微波电子电路一般泛指构成微波系统中各种功能模块的元器件与电路结构,也称为微波有源电路。微波固态电路是指以半导体管为核心组成的微波电子电路。自微波半导体材料技术和工艺水平得到了飞速发展,先后出现了金属半导体二极管、硅双极晶体管等微波半导体器件,因此,微波固态电路在微波系统中也获得了广泛的应用。

自20世纪60年代以来,微波半导体材料技术和工艺水平得到了飞速发展,先后出现了金属半导体二极管、硅双极晶体管、砷化镓-金属-半导体场效应管、雪崩二极管、耿氏二极管、隧道二极管和PIN管等微波半导体器件,并在微波系统中获得了广泛应用,这种以半导体管为核心组成的微波电子电路就称为微波固态电路。

按照技术和应用水平不断提高的顺序以及电路元器件形态的不同,微波固态电路可以分为三个类型:分立集总元件电路、混合集成电路及单片集成电路。

在分立集总元件电路中,电路采用的无源和有源元器件都是集总参数的和分立的,如电阻、电感、电容、二极管、三极管等,在组装电路时把这些元件分别装配于电路板上,情况与低频电路类似,由于当工作频率高到GHz范围时,这些集总元件尺寸太小以至于无法研制和加工,同时由于其他各种寄生参量的影响,使得分立集总元件电路一般只能适用于L波段之下。

混合集成电路是把常用的微波无源元件,如传输线、电阻、电感、电容等,以分布参数方式制作在塑料、陶瓷、蓝宝石或铁氧体等介质基片上,然后把分立微波固态器件装配于这些介质基片上构成的,其优点是电路结构紧凑,可以实现小型化,它是目前微波固态电路最常用的形式。

但是当工作频率达到毫米波或更高时,这种混合集成电路安装元件之间的连接便成了大问题,有时甚至不可能做到,这时单片集成电路成为了主要电路形式,它把微波半导体固态器件和无源元件都制作在半导体基片上,其性能稳定、电路制作一致性很强,结构更加小巧,因而微波单片集成电路成为毫米波以上微波固态电路的主要发展方向。

与微波电真空电路相比,微波固态电路的主要优点有以下几个方面:

1、系统具有固有的高可靠性,其平均无故障工作间隔时间可达105~106 s。究其原因,一方面是由于微波固态器件本身具有高可靠性,另一方面是由于固态电路可在实际运用时设置备份系统,这样也提高了系统的可靠性。

2、固态电路体积小、质量轻。

3、成本低。当固态组件作为标准件大量生产时,其成本较低,而且一致性较好。

4、系统设计快速简便。由于各种功能和性能指标的固态组件或模块已经基本商品化,因此系统设计者只需合理选择使用即可构成完整的系统。

微波固态电路设计中微带电路拓扑结构的选择原则大体上有如下几点:

(1)微波的高频段,如工作在X频段或更高,宜选用微带阻抗跳变式的阻抗变换器,如图1中(b)、(d)、(e)、(f)所示。微带阶梯跳变的不连续性计算容易、精度高、修正量小,所以容易获得精确结果。另外频率高时,由于工作波长短,微带线段机械尺寸往往是既短又宽,若采用分支线结构,则由于分支线太短,微带线的T型结构不连续性的电磁场高次模影响很大,计算精度相对要下降。

(2)对于微波低频端,如S频段或更低端,宜选用分支微带结构。由于频率低、λ大,每个单元微带线都较长,若用阻抗变换类型的结构必然导致电路尺寸过长。此外,由于线条本身长度较大,T型结构不连续性相对很小,计算误差影响减弱,也是采用T型分支的有利因素。

(3)在微波固态电路的设计中,当微波管输入阻抗为容性时,此时S11处在Smith圆图下半平面,匹配电路第1个微带元件宜选用电感性微带单元;反之,当S11处在Smith圆图上半平面时,宜用电容性微带单元。电感性微带元件包括终端短路分支线和高阻抗窄微带级联线段;电容性微带元件包括终端开路分支线和低阻抗宽微带级联线段。

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