1.4 射頻/微波平面電路和系統的組成

1.常規電路元件的射頻特性

在常規電路中，最常用的電路元件是電阻R，電感L，電容C和連接這些元件的導線。在低頻段，電路用集總參數元件表征，電阻器、電感器和電容器分別對應于熱能、磁場能和電場能量集中的區域，這時R、L、C基本為常數，不隨頻率變化，導線也是與頻率無關的短路線段。

在射頻/微波頻段，由于導體的趨膚效應、介質損耗效應、電磁感應等，R、L、C這些元件區域不再單純是能量的集中區，而會向外輻射，呈現分布特性。也就是說，在微波頻段，當波長與電路的尺寸可比擬，電磁波波動性呈主流時，必須采用電磁場理論和傳輸線形式的分布參數電路模型去研究和設計電路，原來低頻中R、L、C的電路功能要用微波傳輸線去替代。

2.射頻/微波平面電路的概念和組成

射頻/微波平面電路是一種二維分布參數電路，包括平面傳輸線和平面諧振器、濾波器、功率分配器等各種功能電路。這類電路沿x軸和y軸方向的尺寸與波長的數量級相當，而沿z軸方向的尺寸（基板厚度）遠小于波長。因此，若以微帶為例，其電磁場在中心導體片與接地板之間的空間里振蕩，其電場只有z軸分量（不計邊緣場），磁場平行于xy平面，是TM模。

射頻/微波平面電路是小型化、集成化發展的雷達、通信系統的重要組成部分。平面電路由平面傳輸線、有獨立功能的電路芯片和一些基本元器件（如貼片電阻、電容、電感、二極管和晶體管）等組成。射頻/微波平面電路的構成框圖如圖1.13所示。相對于平面傳輸線，功能電路圖案和基本元器件就相當于不連續性網絡，所以任何射頻/微波平面電路都可以看作由若干平面傳輸線和不連續性網絡構成。

射頻/微波平面電路的建模在本質上是電磁場問題，最基本的方法是求解電磁場，但是在整個電路范圍內求解電磁場非常繁雜，難以在工程上應用。如果把射頻/微波平面電路等效為如圖1.13（a）所示的由平面傳輸線和不連續性網絡構成的電路，用電路理論分析和設計，就把復雜的三維電磁場問題變為一維電路問題，大大降低了處理、分析問題的難度，這就是網絡的方法。其實網絡的方法是一種“黑箱思想”，也就是不管不連續性網絡內部如何構成，統一看成一個“黑箱”（網絡），如圖1.13（b）所示，通過“黑箱”（網絡）各端口上激勵與響應之間的關系表征“黑箱”的特性。

射頻/微波平面電路具有加工方便、造價低廉、體積小、重量輕、易集成等突出優點，在微波系統中具有重要的應用價值。平面電路結構類型包括微帶、帶狀線、共面波導（CPW）、接地共面波導（GCPW/CBCPW）、槽線以及它們的變形種類和結構，如圖1.14所示，由這些結構實現的各種功能電路都是平面電路。共面波導結構電路和接地共面波導結構電路相似，但具有不同的特性阻抗，因此是兩種不同的平面電路。

3.射頻/微波平面系統的組成

射頻/微波平面系統通常由下面幾類裝置組成：

平面傳輸線：傳輸電磁波的平面電路裝置。

平面無源電路（passive circuit）：在不需要外加電源的條件下，只要有信號，就可以顯示其特性的平面電路，也就是沒有進行微波能量與其他能量（如直流）的轉換的平面電路。例如，平面諧振器、平面濾波器、平面雙工器、平面功率分配器等。

平面有源電路（active circuit）：產生、放大、變換微波信號和功率的平面電路裝置，一般要將微波能量與其他能量進行轉換。例如，功率放大器等。

天線：發射、接收電磁波的平面無線電裝置。例如，微帶天線、共面波導天線等，沒有天線就沒有無線通信。

由平面濾波器、天線、低噪聲放大器、高功率放大器等可構成平面射頻前端系統，如圖1.15所示。發射和接收濾波器組成雙工器，雙工器和一個雙頻天線連接可以同時實現信號的發射和接收任務。為了消除由天線饋入接收機所產生的交調干擾，發射濾波器必須要有很強的濾波性能，接收濾波器用來在低噪聲放大和下行變換之前濾掉帶外干擾。