Microwave and RF Design Fundamentals

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Microwave and RF Design Fundamentals

Instrumentation, Electronics & Control Sensing Devices

Microwave and RF Design, Fundamentals
Third Edition
Michael Steer
North Carolina State University
245 Pages

Open: Microwave and RF Design, Fundamentals
Basic Membership Minimum Required

Preface:

The objective in writing this textbook is that the student will acquire the skills to be proficient at RF and microwave module design. The distinguishing feature of RF and microwave design is that distributed effects due to the finite delay of electrical signals must be accounted for. Sometimes this requires a design approach that avoids problems due to distributed effects. But very often these effects provide novel circuit functions that have no equivalent at lower frequencies. Distributed effects must be understood so that microwave circuits can be designed to avoid problems such as multimoding. Also understanding distributed effects leads to an understanding and appreciation of the vast trove of unique microwave elements that can be employed in system design. An understanding of microwave network theory will be gained and this leads to development of the skills required to design matched circuits that maximize microwave power transfer. Coupled with filtering, matching maximizes the all important signal-to-interference ratio system metric. Microwave engineering has several ‘barriers-to-entry’ and one of these is the use of graphical techniques in distributed circuit design. The microwave system designer must develop expertise in Smith chart-based design. A second barrier to entry is the need to embrace forward- and backward-traveling waves. This is the way the world works, and the finite speed of information transfer due to signals traveling as electromagnetic waves is a central concept in microwave engineering. This book leaves the design of modules themselves for more specialized microwave design and that is the province of a companion book series.

TOC

Preface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . v
1 Introduction to Microwave Engineering . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 RFandMicrowaveEngineering . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.1 ElectromagneticFields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.1.2 StaticFieldLaws . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.1.3 Maxwell’sEquations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2 RadioArchitecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.3 RFPowerCalculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.3.1 RFPropagation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.3.2 Logarithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.3.3 Decibels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.4 SIUnits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.6 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.7 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.7.1 ExercisesBySection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.7.2 Answers to Selected Exercises . . . . . . . . . . . . . . 14
2 Antennas and the RF Link . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.2 RFAntennas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.3 ResonantAntennas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.3.1 RadiationfromaCurrentFilament . . . . . . . . . . . 17
2.3.2 Finite-LengthWireAntennas . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.4 Traveling-WaveAntennas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.5 AntennaParameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.5.1 Radiation Density and Radiation Intensity . . . . . . . 23
2.5.2 DirectivityandAntennaGain . . . . . . . . . . . . . . 24
2.5.3 EffectiveIsotropicRadiatedPower . . . . . . . . . . . 27
2.5.4 EffectiveApertureSize . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.5.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.6 TheRFLink . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.6.1 PropagationPath . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.6.2 ResonantScattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.6.3 Fading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.6.4 LinkLoss andPathLoss . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.6.5 Propagation Model in the Mobile Environment . . . . 34
2.7 AntennaArray . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.7.1 Multiple Input, Multiple Output . . . . . . . . . . . . . 35
2.7.2 MassiveMIMO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.8 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.9 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.10 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.10.1 ExercisesBySection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.10.2 Answers to SelectedExercises . . . . . . . . . . . . . . 40
3 Transmission Lines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.1.1 When Must a Line be Considered a Transmission Line 42
3.1.2 Movement of a Signal on a Transmission Line . . . . . 42
3.2 TransmissionLineTheory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.2.1 TransmissionLineRLGCModel . . . . . . . . . . . . . 44
3.2.2 Derivation of Transmission Line Properties . . . . . . . 45
3.2.3 Dimensions of γ, α, and β . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.2.4 LosslessTransmissionLine . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.2.5 MicrostripLine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.2.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.3 TheLosslessTerminatedLine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.3.1 Total Voltage and Current on the Line . . . . . . . . . . 50
3.3.2 Forward- and Backward-Traveling Pulses . . . . . . . 52
3.3.3 Input Reflection Coefficient of a Lossless Line . . . . . 53
3.3.4 Input ImpedanceofaLosslessLine . . . . . . . . . . . 55
3.3.5 StandingWaves and Voltage StandingWave Ratio . . 56
3.3.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.4 SpecialLosslessLineConfigurations . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.4.1 Short Length of Short-Circuited Line . . . . . . . . . . 60
3.4.2 Short Length of Open-Circuited Line . . . . . . . . . . 61
3.4.3 Short-CircuitedStub . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.4.4 Open-CircuitedStub . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.4.5 ElectricallyShortLosslessLine . . . . . . . . . . . . . . 64
3.4.6 Quarter-WaveTransformer . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.4.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.4.8 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.5 CircuitModelsofTransmissionLines . . . . . . . . . . . . . . 67
3.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.7 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.8 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.8.1 ExercisesBySection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.8.2 Answers to Selected Exercises . . . . . . . . . . . . . . 70
4 Planar Transmission Lines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4.2 Substrates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.2.1 DielectricEffect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.2.2 Dielectric Loss Tangent, tan δ . . . . . . . . . . . . . . 72
4.2.3 MagneticMaterialEffect . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.2.4 Substrates for Planar Transmission Lines . . . . . . . . 73
4.3 PlanarTransmissionLineStructures . . . . . . . . . . . . . . . 74
4.4 MicrostripTransmissionLines . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.4.1 Microstrip Line in the Quasi-TEM Approximation . . 75
4.4.2 Effective Permittivity and Characteristic Impedance . 76
4.4.3 FillingFactor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.5 MicrostripDesignFormulas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
4.5.1 HighImpedance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
4.5.2 LowImpedance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
4.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
4.7 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
4.8 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
4.8.1 ExercisesbySection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
4.8.2 Answers to Selected Exercises . . . . . . . . . . . . . . 84
5 Extraordinary Transmission Line Effects . . . . . . . . . . . . . . . 85
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
5.2 Frequency-Dependent Characteristics . . . . . . . . . . . . . . 85
5.2.1 MaterialDependency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
5.2.2 Frequency-Dependent Charge Distribution . . . . . . . 86
5.2.3 CurrentBunching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
5.2.4 Skin Effect and Internal Conductor Inductance . . . . 88
5.2.5 SkinEffectandLineResistance . . . . . . . . . . . . . . 89
5.2.6 DielectricDispersion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
5.2.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
5.3 MultimodingonTransmissionLines . . . . . . . . . . . . . . . 90
5.3.1 Multimoding and Electric and MagneticWalls . . . . . 90
5.4 Microstrip Operating Frequency Limitations . . . . . . . . . . 93
5.4.1 Microstrip Dielectric Mode (Slab Mode) . . . . . . . . 93
5.4.2 Higher-OrderMicrostripMode . . . . . . . . . . . . . 94
5.4.3 TransverseMicrostripResonance . . . . . . . . . . . . 95
5.4.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
5.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
5.6 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
5.7 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
5.7.1 ExercisesbySection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
5.7.2 Answers to Selected Exercises . . . . . . . . . . . . . . 98
6 Coupled Lines and Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
6.2 Physics ofCoupling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
6.2.1 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
6.3 Low-Frequency Capacitance Model of Coupled Lines . . . . . 102
6.4 Symmetric Coupled Transmission Lines . . . . . . . . . . . . . 104
6.5 DirectionalCoupler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
6.5.1 Directional Coupler With Lumped Capacitors . . . . . 107
6.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
6.7 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
6.8 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
6.8.1 ExercisesbySection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
6.8.2 Answers to Selected Exercises . . . . . . . . . . . . . . 108
7 Microwave Network Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
7.2 Two-PortNetworks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
7.2.1 Reciprocity, Symmetry, Passivity, and Linearity . . . . 110
7.2.2 Parameters Based on Total Voltage and Current . . . . 111
7.3 ScatteringParameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
7.3.1 ReflectionCoefficient . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
7.3.2 Two-Port S Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
7.3.3 Input Reflection Coefficient of a Terminated Two-Port
Network . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
7.3.4 Properties of a Two-Port in Terms of S Parameters . . . 116
7.4 Return Loss, Substitution Loss, and Insertion Loss . . . . . . . 116
7.4.1 ReturnLoss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
7.4.2 Substitution Loss and Insertion Loss . . . . . . . . . . 117
7.5 Scattering Parameters and Directional Couplers . . . . . . . . 118
7.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
7.7 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
7.8 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
7.8.1 ExercisesbySection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
7.8.2 Answers to Selected Exercises . . . . . . . . . . . . . . 121
8 Graphical Network Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
8.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
8.2 Polar Representations of Scattering Parameters . . . . . . . . . 123
8.2.1 Shift of Reference Planes as a S Parameter Rotation . . 123
8.2.2 PolarPlot ofReflectionCoefficient . . . . . . . . . . . . 124
8.3 SmithChart . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
8.3.1 ImpedanceSmithChart . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
8.3.2 AdmittanceSmithChart . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
8.3.3 CombinedSmithChart . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
8.3.4 SmithChartManipulations . . . . . . . . . . . . . . . . 135
8.3.5 AnAlternativeAdmittanceChart . . . . . . . . . . . . 141
8.3.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
8.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
8.5 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
8.6 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
8.6.1 ExercisesbySection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
8.6.2 Answers to Selected Exercises . . . . . . . . . . . . . . 145
9 Passive Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
9.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
9.2 QFactor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
9.2.1 Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
9.2.2 QofLumpedElements . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
9.2.3 Loaded QFactor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
9.2.4 Summary of the Properties of Q . . . . . . . . . . . . . 150
9.3 Surface-MountComponents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
9.4 Terminations andAttenuators . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
9.4.1 Terminations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
9.4.2 Attenuators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
9.5 Transmission Line Stubs and Discontinuities . . . . . . . . . . 156
9.5.1 Open . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
9.5.2 Discontinuities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
9.5.3 ImpedanceTransformer . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
9.5.4 PlanarRadialStub . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
9.6 MagneticTransformer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
9.6.1 Properties of a Magnetic Transformer . . . . . . . . . . 158
9.7 Baluns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
9.7.1 MarchandBalun . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
9.8 WilkinsonCombiner andDivider . . . . . . . . . . . . . . . . 161
9.9 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
9.10 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
9.11 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
9.11.1 ExercisesbySection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
9.11.2 Answers to Selected Exercises . . . . . . . . . . . . . . 164
10 ImpedanceMatching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
10.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
10.2 MatchingNetworks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
10.2.1 Matching for Zero Reflection or for Maximum Power
Transfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
10.2.2 TypesofMatchingNetworks . . . . . . . . . . . . . . . 166
10.3 ImpedanceTransformingNetworks . . . . . . . . . . . . . . . 167
10.3.1 The IdealTransformer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
10.3.2 ASeriesReactiveElement . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
10.3.3 AParallelReactiveElement . . . . . . . . . . . . . . . . 169
10.4 TheLMatchingNetwork . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
10.4.1 Design Equations for RS < RL . . . . . . . . . . . . . . 170
10.4.2 L Network Design for RS > RL . . . . . . . . . . . . . 172
10.5 DealingwithComplexSourcesandLoads . . . . . . . . . . . 173
10.5.1 Matching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
10.6 MultielementMatching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
10.6.1 Design Concept for Manipulating Bandwidth . . . . . 176
10.6.2 Three-ElementMatching Networks . . . . . . . . . . . 178
10.6.3 ThePiNetwork . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
10.6.4 Matching Network QRevisited . . . . . . . . . . . . . 181
10.6.5 TheTNetwork . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
10.6.6 Broadband (Low Q)Matching . . . . . . . . . . . . . . 182
10.7 ImpedanceMatchingUsingSmithCharts . . . . . . . . . . . . 184
10.7.1 Two-ElementMatching . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
10.8 DistributedMatching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
10.8.1 StubMatching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
10.8.2 Hybrid Lumped-Distributed Matching . . . . . . . . . 191
10.9 MatchingOptionsUsingthe SmithChart . . . . . . . . . . . . 192
10.9.1 LocatingtheDesignPoints . . . . . . . . . . . . . . . . 192
10.9.2 DesignOptions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
10.9.3 Design1,HybridDesign . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
10.9.4 Design 1 with an Open-Circuited Stub . . . . . . . . . 197
10.9.5 Design 2, Lumped-Element Design . . . . . . . . . . . 198
10.9.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
10.10Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
10.11References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
10.12Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
10.12.1 ExercisesbySection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
10.12.2 Answers to Selected Exercises . . . . . . . . . . . . . . 204
11 RF andMicrowaveModules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
11.1 IntroductiontoMicrowaveModules . . . . . . . . . . . . . . . 205
11.2 RFSystemas aCascadeofModules . . . . . . . . . . . . . . . 206
11.2.1 A15GHzReceiverSubsystem . . . . . . . . . . . . . . 206
11.3 Amplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
11.4 Filters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
11.5 Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
11.5.1 NoiseFigure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
11.5.2 NoiseofaCascadedSystem . . . . . . . . . . . . . . . 212
11.6 Diodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
11.7 Switch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
11.8 Ferrite Components: Circulators and Isolators . . . . . . . . . 218
11.8.1 GyromagneticEffect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
11.8.2 Circulator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
11.8.3 Circulator Isolation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
11.8.4 Isolator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
11.9 Mixer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
11.10LocalOscillator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
11.11FrequencyMultiplier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
11.12Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
11.13References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
11.14Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
11.14.1 ExercisesbySection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
11.14.2 Answers to Selected Exercises . . . . . . . . . . . . . . 224
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225