1.4 射频/微波平面电路和系统的组成

1.常规电路元件的射频特性

在常规电路中，最常用的电路元件是电阻 R ，电感 L ，电容 C 和连接这些元件的导线。在低频段，电路用集总参数元件表征，电阻器、电感器和电容器分别对应于热能、磁场能和电场能量集中的区域，这时 R 、 L 、 C 基本为常数，不随频率变化，导线也是与频率无关的短路线段。

在射频/微波频段，由于导体的趋肤效应、介质损耗效应、电磁感应等， R 、 L 、 C 这些元件区域不再单纯是能量的集中区，而会向外辐射，呈现分布特性。也就是说，在微波频段，当波长与电路的尺寸可比拟，电磁波波动性呈主流时，必须采用电磁场理论和传输线形式的分布参数电路模型去研究和设计电路，原来低频中 R 、 L 、 C 的电路功能要用微波传输线去替代。

2.射频/微波平面电路的概念和组成

射频/微波平面电路是一种二维分布参数电路，包括平面传输线和平面谐振器、滤波器、功率分配器等各种功能电路。这类电路沿 x 轴和 y 轴方向的尺寸与波长的数量级相当，而沿 z 轴方向的尺寸（基板厚度）远小于波长。因此，若以微带为例，其电磁场在中心导体片与接地板之间的空间里振荡，其电场只有 z 轴分量（不计边缘场），磁场平行于 xy 平面，是TM模。

射频/微波平面电路是小型化、集成化发展的雷达、通信系统的重要组成部分。平面电路由平面传输线、有独立功能的电路芯片和一些基本元器件（如贴片电阻、电容、电感、二极管和晶体管）等组成。射频/微波平面电路的构成框图如图1.13所示。相对于平面传输线，功能电路图案和基本元器件就相当于不连续性网络，所以任何射频/微波平面电路都可以看作由若干平面传输线和不连续性网络构成。

射频/微波平面电路的建模在本质上是电磁场问题，最基本的方法是求解电磁场，但是在整个电路范围内求解电磁场非常繁杂，难以在工程上应用。如果把射频/微波平面电路等效为如图1.13（a）所示的由平面传输线和不连续性网络构成的电路，用电路理论分析和设计，就把复杂的三维电磁场问题变为一维电路问题，大大降低了处理、分析问题的难度，这就是网络的方法。其实网络的方法是一种“黑箱思想”，也就是不管不连续性网络内部如何构成，统一看成一个“黑箱”（网络），如图1.13（b）所示，通过“黑箱”（网络）各端口上激励与响应之间的关系表征“黑箱”的特性。

射频/微波平面电路具有加工方便、造价低廉、体积小、重量轻、易集成等突出优点，在微波系统中具有重要的应用价值。平面电路结构类型包括微带、带状线、共面波导（CPW）、接地共面波导（GCPW/CBCPW）、槽线以及它们的变形种类和结构，如图1.14所示，由这些结构实现的各种功能电路都是平面电路。共面波导结构电路和接地共面波导结构电路相似，但具有不同的特性阻抗，因此是两种不同的平面电路。

3.射频/微波平面系统的组成

射频/微波平面系统通常由下面几类装置组成：

平面传输线： 传输电磁波的平面电路装置。

平面无源电路 （passive circuit）：在不需要外加电源的条件下，只要有信号，就可以显示其特性的平面电路，也就是没有进行微波能量与其他能量（如直流）的转换的平面电路。例如，平面谐振器、平面滤波器、平面双工器、平面功率分配器等。

平面有源电路 （active circuit）：产生、放大、变换微波信号和功率的平面电路装置，一般要将微波能量与其他能量进行转换。例如，功率放大器等。

天线： 发射、接收电磁波的平面无线电装置。例如，微带天线、共面波导天线等，没有天线就没有无线通信。

由平面滤波器、天线、低噪声放大器、高功率放大器等可构成平面射频前端系统，如图1.15所示。发射和接收滤波器组成双工器，双工器和一个双频天线连接可以同时实现信号的发射和接收任务。为了消除由天线馈入接收机所产生的交调干扰，发射滤波器必须要有很强的滤波性能，接收滤波器用来在低噪声放大和下行变换之前滤掉带外干扰。