Microwave Systems Design by Zaiki Awang 2013

hi_china59

Microwave Systems Design by Zaiki Awang
2013
ISBN: 9814451231




The aim of this book is to serve as a design reference for students and as an up-to-date reference for researchers. It also acts as an excellent introduction for newcomers to the field and offers established rf/microwave engineers a comprehensive refresher.

The content is roughly classified into two – the first two chapters provide the necessary fundamentals, while the last three chapters focus on design and applications. Chapter 2 covers detailed treatment of transmission lines. The Smith chart is utilized in this chapter as an important tool in the synthesis of matching networks for microwave amplifiers. Chapter 3 contains an exhaustive review of microstrip circuits, culled from various references. Chapter 4 offers practical design information on solid state amplifiers, while Chapter 5 contains topics on the design of modern planar filters, some of which were seldom published previously. A set of problems at the end of each chapter provides the readers with exercises which are compiled from actual university exam questions. An extensive list of references is available at the end of each chapter to enable readers to obtain further information on the topics covered.





Contents
1 S-Parameters and Circuit Responses. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Problems of High Frequency Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.3 Rationale of Using S-Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.4 S-Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.5 Interpretation of S-Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.6 Change of Reference Planes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.7 Plotting S-Parameters on the Smith Chart . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.8 Relationship Between S, Z, Y, and h Parameters . . . . . . . . . . . 10
1.9 Properties of S-Parameters: Reciprocal and Lossless
Networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.10 S-Parameter Matrices for Standard Elements . . . . . . . . . . . . . . 13
1.11 Transmission [A] Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.12 Modified S-Parameters: Mismatched Load and Source . . . . . . . 16
1.13 Circuit Responses Calculated from S-Parameters . . . . . . . . . . . 19
1.14 Power Gain Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.15 Scattering Matrices of Three- and Four-Port Devices . . . . . . . . 27
1.16 Signal Flow Graphs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2 Transmission Line Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.2 Parallel Wire Transmission Line . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
2.2.1 Equivalent Circuit Representation
of Transmission Lines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
2.2.2 Characteristic Impedance of the Line . . . . . . . . . . . . . 55
2.2.3 Lossless Line. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
2.3 Standing Waves and the VSWR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
2.3.1 Standing Wave Pattern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
2.3.2 Standing Wave Pattern for Open- and Short-Circuited
Lines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
2.3.3 Reflection Coefficient. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
xiii
2.4 The Input Impedance of a Line . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
2.4.1 Input Impedance of Short-Circuited
and Open-Circuited Lossless Lines. . . . . . . . . . . . . . . 61
2.5 Input Impedance of Lossy Lines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
2.6 Low Loss Transmission Lines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
2.7 Input Impedance of Infinitely Long Transmission Line. . . . . . . 65
2.8 Quarter-Wave Transformer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
2.8.1 Multi-Section Quarter-Wave Transformer . . . . . . . . . . 66
2.8.2 Binomial Transformer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
2.8.3 Chebyshev Transformer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
2.8.4 Tapered Line Transformer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
2.9 The Smith Chart . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
2.9.1 Properties of Smith Chart . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
2.9.2 Smith Chart Applications: Impedance Matching
Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
2.10 Lumped and Distributed Elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
2.10.1 Lumped Inductor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
2.10.2 Lumped Capacitor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
2.10.3 Lumped Resistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
2.11 Circuit Q and Bandwidth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
2.12 Parasitics. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
2.13 Skin Depth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
3 Microstrip and Related Transmission Lines . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
3.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
3.2 Evolution of Microstrip as a Transmission Medium . . . . . . . . . 102
3.3 Quasi-Static Mode for Microstrip Circuits. . . . . . . . . . . . . . . . 103
3.4 Calculation of Characteristic Impedance and Phase Constant. . . 105
3.5 Results for ere and Zom for Microstrip. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
3.6 Filling Factor q . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
3.7 Typical Design (Synthesis) Procedure: Graphical Method . . . . . 109
3.8 Microstrip Discontinuities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
3.8.1 Open End . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
3.8.2 Short Circuit and Via . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
3.8.3 Series Gap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
3.8.4 Bend . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
3.8.5 Impedance Step . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
3.8.6 Tee-Junction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
3.8.7 Cross-Junction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
3.8.8 Transverse Slit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
3.9 Dispersion in Microstrip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
3.10 Higher Order Modes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
3.11 Microstrip Losses. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
xiv Contents
3.12 Microstrip Q Factor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
3.13 Effects of Top Plates and Enclosures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
3.14 Microstrip Derivatives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
3.15 Alternatives to Microstrip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
3.16 Range of Characteristic Impedance Values for Microstrip
and Other Transmission Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
3.17 Qualitative Comparison of Transmission Structures . . . . . . . . . 135
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
4 Design of Microwave Transistor Amplifiers
Using S-Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
4.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
4.2 Microwave Transistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
4.3 Material Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
4.4 Microwave Bipolar Transistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
4.5 Microwave Field Effect Transistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
4.6 Microwave Transistor S-Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
4.7 Representations of Transistor S-Parameters on Smith
and Polar Charts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
4.8 Transistor Equivalent Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
4.9 Transistor Stability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
4.10 Maximum Stable Gain and Maximum Available Gain . . . . . . . 165
4.11 Constant Gain Circles. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
4.12 Noise Figure Circles. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
4.13 Design Principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
4.14 Matching Circuit Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
4.15 Matching Using Lumped Elements. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
4.16 Matching Using Distributed Elements in Microstrip . . . . . . . . . 173
4.16.1 Lumped to Distributed Element Transformation
Formulae. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
4.17 Impedance Matching Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
4.18 Bias Connections to Microstrip Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
4.19 Transistor Stabilization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
4.19.1 Parallel Feedback. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
4.19.2 Series Feedback . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
4.19.3 Resistive Loading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
4.20 Broadband Amplifier Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
4.21 High Power Amplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
4.22 Distributed Amplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
4.23 Nonlinear Distortion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
4.24 Microwave Oscillators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
Contents xv
5 Microwave Filter Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
5.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
5.2 Filter Types. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
5.2.1 Passive Filter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
5.2.2 Active Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
5.2.3 Filter Specification: The Filter Figures of Merit. . . . . . 230
5.2.4 Circuit Synthesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
5.3 General Filter Design Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
5.3.1 Image Parameter Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
5.3.2 Insertion Loss Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
5.3.3 Conditions for Physical Realizability . . . . . . . . . . . . . 233
5.4 Microwave Filter Construction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
5.5 Microwave Filter Design Procedures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
5.5.1 Maximally Flat (Butterworth) Filter . . . . . . . . . . . . . . 238
5.5.2 Chebyshev Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244
5.5.3 Inverse Chebyshev Filter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
5.5.4 Elliptical Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
5.5.5 Bessel Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252
5.6 Phase Response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255
5.7 All-Pass Filters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255
5.8 Transformation from Prototype . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256
5.8.1 Impedance and Frequency Scaling . . . . . . . . . . . . . . . 256
5.8.2 High Pass Filter Transformation . . . . . . . . . . . . . . . . 256
5.8.3 Band Pass Filter Transformation . . . . . . . . . . . . . . . . 257
5.8.4 Band Stop Filter Transformation . . . . . . . . . . . . . . . . 258
5.9 Impedance and Admittance Inverters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258
5.10 Richard’s Transformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262
5.11 Kuroda Identities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
5.12 Microstrip Filters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
5.12.1 Stepped Impedance Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
5.12.2 End-Coupled Bandpass Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
5.12.3 Parallel-Coupled Bandpass Filter . . . . . . . . . . . . . . . . 277
5.12.4 Interdigital Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
5.12.5 Combline Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
5.12.6 Hairpin Filter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
5.12.7 Bandstop Filters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
About the Author . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307

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