现代无线系统射频微波平面电路

本书以作者近年来在射频微波平面电路领域的研究成果为主线，详细论述了广泛应用于现代无线系统中的新型高性能、小型化射频/微波电路与器件。在简单介绍了现代无线系统基本原理、组成结构、现代平面电路发展现状和平面传输线基本结构与理论之后，作者重点讨论和介绍了各种新型射频微波电路。本书主要涉及到平面低通、带通和带阻多模谐振器与滤波器，基于新型微带/共面波导和微带/槽线等综合传输线结构的高性能小型化双金属平面滤波器，以及平面功分器与功率放大器等内容。这些内容大部分是作者科研工作的总结和进一步完善，因此，不仅有一定的理论深度，而且也具有一定的工程应用价值。

陈会，男，博士（后），副教授。2014年1月至2015年1月以访问学者的身份在英国利兹大学进行为期1年的学术访问与交流；2012年3月，博士后研究出站；2008年12月，获电子科技大学电路与系统专业工学博士学位。先后在徐州工程集团、四川大学从事产品研发和教学科研，并于2009年1月留校就职于电子科技大学。目前主要研究方向与兴趣：现代无线系统与射频/微波前端电路、高速PCB的信号完整性以及信息安全与赛博空间控制技术等。

第1章 现代无线系统与平面电路 1
1.1 引言 2
1.2 现代无线系统与技术概述 3
1.2.1 GSM系统与原理 3
1.2.2 脉冲雷达系统与工作机理 5
1.3 现代平面电路概述 6
1.3.1 基于微带-共面波导双面结构的超宽带滤波器 7
1.3.2 基于微带-槽线双面结构的微波滤波器 11
1.3.3 基于微带-DGS双面结构的双模发射机 12
1.3.4 基于微带-槽线的双面功分器 14
1.3.5 SIW双面传输线与电路 15
1.3.6 双面平行传输线与电路 16
1.3.7 平衡（差分）传输线与电路 17
1.4 主要内容及安排 18
参考文献 19
第2章 平面传输线基本结构与理论 23
2.1 单面传输线结构 24
2.1.1 单导体传输线 24
2.1.2 多导体传输线 30
2.2 双面传输线耦合结构 34
2.2.1 微带-CPW双面耦合传输线 35
2.2.2 微带-槽线双面耦合传输线 35
2.2.3 宽边耦合悬置微带线 35
2.3 传输线耦合理论 37
2.3.1 微带对称双导体耦合理论 37
2.3.2 微带不对称双导体耦合理论 38
2.3.3 微带对称三线耦合理论 45
2.3.4 DGS通用电路模型 50
2.3.5 DMS的建模与分析 56
2.4 小结 60
参考文献 60
第3章 多模谐振器与滤波电路 64
3.1 引言 65
3.2 多模谐振器理论 66
3.2.1 简并双模谐振理论 67
3.2.2 非简并双模谐振理论 71
3.2.3 多模谐振器理论 74
3.3 低损宽带高选择性的双模带通滤波器 77
3.3.1 三角形贴片谐振器的电磁场理论 77
3.3.2 正交开路支节加载的直角三角形双模贴片谐振器 80
3.3.3 修正的缺微双带隙谐振器 81
3.3.4 双模谐振滤波器的仿真与测量 84
3.3.5 结论 84
3.4 低损耗耦合线三模超宽带带通滤波器 85
3.4.1 耦合线三模谐振器 85
3.4.2 超宽带的三模谐振器滤波器 87
3.4.3 超宽带滤波器的仿真与测量结果 88
3.4.4 结论 89
3.5 高选择性三模三频带通滤波器 89
3.5.1 引言 89
3.5.2 三模谐振器 90
3.5.3 基于三模谐振器的三频滤波器 91
3.5.4 三频滤波器的仿真与测量结果 92
3.5.5 结论 92
3.6 高选择性椭圆函数响应的四模四频带通滤波器 93
3.6.1 引言 93
3.6.2 微带-槽线复合耦合的四模谐振器 93
3.6.3 基于四模谐振器的四频带通滤波器 97
3.6.4 四频滤波器的仿真与测量结果 98
3.6.5 结论 99
3.7 谐波抑制的宽阻带椭圆函数带通滤波器 99
3.7.1 引言 99
3.7.2 双模谐振器及其滤波器的分析与设计 100
3.7.3 双模宽带滤波器的仿真与测量 103
3.7.4 双模滤波器的小型化设计 103
3.7.5 结论 105
3.8 多模带阻滤波器 105
3.8.1 引言 106
3.8.2 单贴片双模带阻滤波器 106
3.8.3 双贴片双模带阻滤波器 110
3.9 低通-带通双模双频滤波器 110
3.9.1 引言 111
3.9.2 基本概念 111
3.9.3 附加传输零点的LP-BPF 114
3.9.4 实验结果 115
3.10 微带-DGS双模高通滤波器 116
3.10.1 引言 116
3.10.2 DGS双模谐振器 117
3.10.3 双模高通滤波器 119
3.10.4 结论 121
3.11 微带-CPW双模高通滤波器 121
3.11.1 非均匀CPW双模谐振器 121
3.11.2 双模高通滤波器 124
3.11.3 结论 126
3.12 小结 127
参考文献 127
第4章 高性能双金属平面滤波电路 132
4.1 微带-CPW低通滤波器 133
4.1.1 微带-CPW槽线加载的SI-LPF 133
4.1.2 微带-CPW高选择性椭圆LPF 135
4.2 微带-槽线杂散抑制带通滤波器 147
4.3 微带-槽线（超）宽带滤波器 149
4.3.1 微带-槽线WB滤波器 149
4.3.2 微带-槽线UWB滤波器 152
4.4 微带-CPW超宽带滤波器 153
4.4.1 CPW-MMR超宽带滤波器 154
4.4.2 微带-CPW带外抑制超宽带滤波器 157
4.4.3 非均匀CPW带外抑制UWB滤波器 167
4.5 双面耦合带阻滤波器 170
4.5.1 微带-SGS带阻滤波器 170
4.5.2 折叠微带-CPW带阻滤波器 174
4.6 基片集成波导滤波器 178
4.6.1 基片集成腔体 178
4.6.2 SIW滤波器 179
4.7 微带-CPW双频宽带滤波器 180
4.7.1 引言 180
4.7.2 双频宽带滤波器的分析与设计 182
4.7.3 实验与分析 189
4.7.4 结论 190
4.8 极窄带陷的超宽带滤波器 191
4.9 微带-开环槽双频滤波器 194
4.9.1 引言 195
4.9.2 双频段带通滤波器的分析与设计 195
4.9.3 双频滤波器的仿真与测量结果 197
4.9.4 结论 198
4.10 小结 198
参考文献 199
第5章 平面功分器与功率放大器 207
5.1 功分器/合成器概述 208
5.1.1 合成概念的演变 208
5.1.2 合成的基本原理 208
5.1.3 合成的网络特性 209
5.2 微带耦合线两路和三路功分器 212
5.2.1 基于折叠耦合双线结构的“两路”功分器 213
5.2.2 基于对称三线耦合结构的“三路”功分器 217
5.3 X波段微带八路功分器 220
5.3.1 Wilkinson功分器的基本理论 220
5.3.2 微带八路功分器的设计与实现 221
5.4 X波段功率放大器 227
5.4.1 偏置电路概论 227
5.4.2 X波段功率放大器的设计 230
5.4.3 X波段功率放大器的实现 233
5.5 小结 236
参考文献 236
第6章 结论与展望 239
参考文献 242

本书主要介绍和讨论基于单层介质基片的新型低成本小型化和高性能射频与微波平面电路。其中，单层基片的单面/共面和双面电路是本书讨论的重点内容，并提前在此做一个约定：如果没有特别说明，本书所指的电路都是基于单层介质基片，因此，本书研究内容主要涉及单面和双面电路。
在电路理论中，我们知道理想的电阻是个恒定值，与频率等参数无关。电路的阻抗和导纳等特性仅与集总元件LC的频率特性相关。但是，到了射频和微波频段，情况变得完全不同了。严格来讲，任何电路都与频率相关，也就是说，电路特性具有频率相关性。射频（RF，Radio Frequency），即无线电频率，通常的频率范围是30MHz～4GHz。而微波频段通常所指的频率范围是300MHz～300GHz，包括了毫米波频段。因此，射频与微波的低频段之间有一定的重叠，这也成为了行业内的惯用分类方法。本书涉及的内容主要集中在射频的高端（300MHz～3GHz）至微波的中低频端（40GHz以下）之间的范围内。为了能够比较全面地表述本书的研究内容，用“射频微波”两个频率范围来界定是比较准确和科学的。
截至目前，国内外介绍射频和微波电路理论及应用的专著及教材有很多，它们各有侧重点且各有特色。本书是作者站在国内外同行的肩膀上并结合自身的科研与教学实践提炼出来的，既有继承又有发展，更有一定的创新。通常，由微带、CPW以及槽线等传输线构成的平面电路因其小尺寸、低成本以及易集成等优点获得了广泛应用。但是，随着现代无线通信及雷达等电子系统的快速发展，这些传统的平面电路已经面临很大的问题：性能指标难以进一步提升，体积和重量难以进一步减小，电路的集成度也难以进一步提高。因此，新型高性能平面电路的研究受到了广大科研工作者的重视。其中，多线多路径的平面耦合、微带- CPW、微带-槽线、微带-DGS等混合耦合结构得到了广泛研究，并取得了一定的成果。本书很大一部分内容正是基于这些新型复合结构展开的。
本书体系结构和主要内容安排如下：第1章，简单介绍现代无线系统与技术以及各种新型传输线构成的现代平面电路；第2章，主要介绍了各种平面传输线的基本结构和理论，涉及单面单导体传输线、多导体耦合传输线以及双面复合传输线等新型结构。这些传输线及其设计方程或等效电路模型，为后续章节深入讨论各种高性能的平面电路奠定了理论基础；第3章，重点介绍多模谐振器和滤波器，涉及多模谐振的基本概念、产生机理及其小型化多模谐振器滤波器应用；第4章，主要介绍双金属平面滤波电路，包括微带-CPW低通滤波器以及超宽带滤波器、微带/槽线杂散抑制带通滤波器、带阻滤波器以及超宽带滤波器等内容；第5章，主要讨论了微带功分器和功率放大器，涉及X波段微带八路功分器的设计与实现以及X波段三级级联功率放大器的设计与实现；第6章，主要是对平面传输线及其电路实现的现状进行总结，并对其发展趋势进行了展望。
本书以作者近年来以平面传输线的研究工作为基础，主要介绍和讨论了单层介质基片的单面和双面传输线基本理论及其在射频微波平面电路中的应用等有关内容。由于新型电路层出不穷、日新月异，要想完全覆盖所有的技术和电路是不可能的。本书的目的意在向广大读者和同行介绍这类技术和方法，只能是抛砖引玉，有兴趣的读者可以深入研究。由于书中内容大多涉及作者近年来开展的研究，因此对其中理论问题的介绍能给出思路及方法的细节，对射频微波电路与器件的研制也能给出其设计过程、具体结果、技术指标及实物照片等。这样安排全书内容，其目的是为了方便广大读者和技术同行在工程应用或开展进一步研究时参考。另外，本专著注重新型实用电路技术的引入与讨论，以拓展读者的学术视野。
本书论述的平面传输线电路涉及很多PCB加工、制作与实际测量等大量烦琐的内容，这些工作大部分是在成都赛英科技有限责任公司相关领导和技术人员的支持和帮助下完成的。因此，作者特别感谢成都赛英科技有限责任公司董事长、法人、原电子科技大学电路与系统学科学术带头人、学科组组长张玉兴教授。同时，一并感谢成都赛英科技有限责任公司的王伟、谭琪、姚宗诚、吴义华、赵宏飞等技术同行和专家对作者教学和科研工作的一贯支持和帮助。
由于目前市面上关于新型平面传输线（特别是双面复合传输线）在射频微波电路应用方面的专著还比较少，因此，本专著的出版也是对该领域理论和技术方面的又一补充，并希望它能对平面传输线的深入研究及应用起到“抛砖引玉”的作用。本专著的主要内容是作者近几年来的研究成果，以独特视角和研究方法对平面传输线在射频/微波电路领域的应用展开讨论。其中，部分研究项目受到中国博士后基金和总装预研基金等机构的支持，在此一并表示感谢。另外，书中引用了一些相关著作、文献和图片，在此也对其原作者表示诚挚的谢意。限于成书时间以及作者的研究水平，书中不妥之处敬请广大读者和同行批评与斧正。

作者   
电子科技大学
2016年9月