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1、微波技术基础第次微波技术基础第次课课第一页，讲稿共四十页哦微波集成传输线微波集成传输线 一方面要求不断拓宽频谱范围，向毫米波和亚毫一方面要求不断拓宽频谱范围，向毫米波和亚毫米波波段发展；另一方面随着空间电子技术的发展，米波波段发展；另一方面随着空间电子技术的发展，对微波设备的小型化、可靠性等提出了新的要求对微波设备的小型化、可靠性等提出了新的要求微微波集成电路波集成电路电子电路发展趋势（电子电路电子电路发展趋势（电子电路集成电集成电路路）微波集成电路首先需解决微波集成电路首先需解决微波集成传输线微波集成传输线 常常见见的微波集成的微波集成传输线传输线如如带带状状线线、耦合、耦合带带状状线线、微
2、微带线带线、耦合微、耦合微带线带线、槽、槽线线、共面、共面线线和和鳍线鳍线 。其它微波传输线简介其它微波传输线简介第二页，讲稿共四十页哦微波集成传输线微波集成传输线带带状状线线 带状线是一种三导体带状线是一种三导体TEM波波传输线。上下两传输线。上下两块导体板是接地板，中间的导体带位于上下板的对称块导体板是接地板，中间的导体带位于上下板的对称面上，导体带与接地板之间可以是空气介质或填充其面上，导体带与接地板之间可以是空气介质或填充其它介质。故又称为三板线或夹心线。它介质。故又称为三板线或夹心线。第三页，讲稿共四十页哦微波集成传输线微波集成传输线带带状状线线 带状线可看作是由同轴线演变而成 带状
3、线结构使得电磁波在介质中传输，无法辐射（辐带状线结构使得电磁波在介质中传输，无法辐射（辐射很小，可忽略），故其损耗与同轴线相当。带状线射很小，可忽略），故其损耗与同轴线相当。带状线不仅在微波集成电路中充当连接元件和器件的传输线，不仅在微波集成电路中充当连接元件和器件的传输线，还可用来构成电感、电容、谐振器、滤波器、功分器、还可用来构成电感、电容、谐振器、滤波器、功分器、耦合器等耦合器等无源无源器件。器件。第四页，讲稿共四十页哦主模及单模工作条件主模及单模工作条件 带状线的带状线的主模为主模为TEM模模，第一高次模，第一高次模TE11模模或或TM10 模。模。微波集成传输线微波集成传输线带带状状
4、线线 标准场解可用复变函数中的保角变换，标准场解可用复变函数中的保角变换，将同轴线变换为带状线。将同轴线变换为带状线。第五页，讲稿共四十页哦另外，为减少带状线在横截面方向的能量泄露，上另外，为减少带状线在横截面方向的能量泄露，上下接地板的宽度下接地板的宽度D和接地板间距必须满足和接地板间距必须满足D(36)W 和和 带状线的最高工作频率取带状线的最高工作频率取 微波集成传输线微波集成传输线带带状状线线 第六页，讲稿共四十页哦1、带状线特性阻抗、带状线特性阻抗 式中式中该式是假定零导体带厚度得到的结果，其精度约为该式是假定零导体带厚度得到的结果，其精度约为1%。微波集成传输线微波集成传输线带带状
5、状线线 第七页，讲稿共四十页哦 惠勒用保角变换法得到了如下有限厚度导体带带状线特性阻抗公式 式中式中t为导体带的厚度。当为导体带的厚度。当W/(b-t)2的宽微带线的宽微带线W/h2的窄微带线的窄微带线 微波集成传输线微波集成传输线微微带线带线 第十七页，讲稿共四十页哦悬置或倒置微带线中，电磁场的大部分处于空气中，悬置或倒置微带线中，电磁场的大部分处于空气中，介质影响不大，其有效相对介电常数介质影响不大，其有效相对介电常数re接近于接近于1，从而其，从而其特性参量接近空气中的参量，线中损耗大大减小，具有比特性参量接近空气中的参量，线中损耗大大减小，具有比微带线更高的微带线更高的Q值，接近于无色
6、散，因此特别适合应用值，接近于无色散，因此特别适合应用于滤波器、谐振电路等于滤波器、谐振电路等Q值较高的场合。悬置微带线的缺点值较高的场合。悬置微带线的缺点是，与标准微带线相比，结构不紧凑。悬置或倒置微带线传输是，与标准微带线相比，结构不紧凑。悬置或倒置微带线传输的主模是准的主模是准TEM模模 l3.4 悬置微带线和倒置微带线第十八页，讲稿共四十页哦l3.4 悬置微带线和倒置微带线第十九页，讲稿共四十页哦悬置微带线悬置微带线 倒置微带线倒置微带线 在和在和0.2 a/b 1，式（，式（3-68）的精度在时优于）的精度在时优于1%；在时，精度优于；在时，精度优于2%l3.4 悬置微带线和倒置微带
7、线第二十页，讲稿共四十页哦3.3 耦合带状线和耦合微带线耦合带状线和耦合微带线 奇偶模方法奇偶模方法采用奇模激励和采用奇模激励和偶模激励两种状态对它进行分析，偶模激励两种状态对它进行分析，其它的激励状态可看作是这两种其它的激励状态可看作是这两种状态的叠加。状态的叠加。第二十一页，讲稿共四十页哦 奇模激励奇模激励在耦合线的两个中心导体带上加的电压幅度相等，而在耦合线的两个中心导体带上加的电压幅度相等，而相位相反相位相反 中心对称面为电壁中心对称面为电壁偶模激励偶模激励在耦合线的两个中心导体带上加的电压幅度相等，在耦合线的两个中心导体带上加的电压幅度相等，相位相同相位相同 中心对称面为磁壁中心对称
8、面为磁壁3.3 耦合带状线和耦合微带线耦合带状线和耦合微带线 第二十二页，讲稿共四十页哦槽线属于分区填充介质的导槽线属于分区填充介质的导波系统，波系统，非非TEM模模，即，即Ez和和Hz都不为零，属于一种波导模都不为零，属于一种波导模。便于安置固体器件便于安置固体器件，但难以得，但难以得到低于到低于60的特性阻抗的特性阻抗。3.5槽线槽线第二十三页，讲稿共四十页哦 re=(r+1)/2 3.5槽线槽线微波集成传输线微波集成传输线微微带线带线 第二十四页，讲稿共四十页哦3.6 共面传输线共面传输线共面传输线分共面波导（CPW）、共面带线（CPS）。明显优点是与有源器件和无源元件连接十分方便。工作
9、模式非TEM模传播 便于MMIC共面波导共面波导微波集成传输线微波集成传输线微微带线带线 第二十五页，讲稿共四十页哦1、共面波导、共面波导 3.6 共面传输线共面传输线共面带线共面带线 第一类完全椭圆函第一类完全椭圆函数、余函数数、余函数微波集成传输线微波集成传输线微微带线带线 第二十六页，讲稿共四十页哦3.6 共面传输线共面传输线2.共面带线共面带线式中式中微波集成传输线微波集成传输线微微带线带线 第二十七页，讲稿共四十页哦3.7 鳍线鳍线 微波集成传输线微波集成传输线微微带线带线 第二十八页，讲稿共四十页哦安装在金属矩形波导E面上的平面电路，金属鳍印刷在介质基片上应用于毫米波频段。工作模式
10、为混合模，特性参量计算较为复杂，采用谱域法等数值方法。3.7 鳍线鳍线 微波集成传输线微波集成传输线微微带线带线 第二十九页，讲稿共四十页哦集成传输线总结集成传输线总结第三十页，讲稿共四十页哦第三十一页，讲稿共四十页哦微波集成传输线微波集成传输线分析方法分析方法l分析方法有两类：解析方法和数值解法分析方法有两类：解析方法和数值解法 目标，传输线的色散特性、特性阻抗和传播常数。目标，传输线的色散特性、特性阻抗和传播常数。1、解析方法、解析方法准静态法准静态法把主模当成纯把主模当成纯TEM分析，通过计算结构的静电容得出结果。包括：分析，通过计算结构的静电容得出结果。包括：保角变换、变分法、有限差分
11、和积分方程。准静态法在低频情况保角变换、变分法、有限差分和积分方程。准静态法在低频情况下完全能满足工程设计的需求。下完全能满足工程设计的需求。2、数值方法、数值方法全波分析法全波分析法考虑所有混合模式。积分方程方法，谱域法，以及时域有限差分考虑所有混合模式。积分方程方法，谱域法，以及时域有限差分法（法（FDTD）等，有限元法等。等，有限元法等。全波分析方法更严格，可精确计算出与频率相关的参数。全波分析方法更严格，可精确计算出与频率相关的参数。微波集成传输线微波集成传输线微微带线带线 第三十二页，讲稿共四十页哦介质波导和光波导介质波导和光波导 当毫米波波段当毫米波波段亚毫米波段亚毫米波段太赫兹波
12、段时太赫兹波段时普通的微带线将出现一系列新问题普通的微带线将出现一系列新问题1）高次模的出现使微带的设计和使用复杂）高次模的出现使微带的设计和使用复杂2）金属波导的单模工作条件限制了其横向尺寸不能超过大约一个）金属波导的单模工作条件限制了其横向尺寸不能超过大约一个波长的范围。波长的范围。这在厘米波段和毫米波低频段不成问题。但到毫米波高频段，单模这在厘米波段和毫米波低频段不成问题。但到毫米波高频段，单模波导的尺寸就显得太小，不仅制造工艺困难，而且随着工作频率的波导的尺寸就显得太小，不仅制造工艺困难，而且随着工作频率的提高，功率容量越来越小，壁上损耗越来越大，衰减大到不能容忍提高，功率容量越来越小
13、，壁上损耗越来越大，衰减大到不能容忍的地步。因此，对毫米波段的高端及来说，封闭的金属波导已不再的地步。因此，对毫米波段的高端及来说，封闭的金属波导已不再适用。于是，适合于毫米波高频段、亚毫米波的传输线适用。于是，适合于毫米波高频段、亚毫米波的传输线 介质介质波导等非封闭式的传输线（或称开波导）便应运而生波导等非封闭式的传输线（或称开波导）便应运而生微波集成传输线微波集成传输线微微带线带线 第三十三页，讲稿共四十页哦矩形介质波导矩形介质波导介质镜像波导介质镜像波导隔离介质波导隔离介质波导倒置带状介质波导倒置带状介质波导圆柱介质波导圆柱介质波导光纤光纤介质波导和光波导介质波导和光波导 微波集成传输
14、线微波集成传输线微微带线带线 第三十四页，讲稿共四十页哦圆柱介质波导圆柱介质波导 要求要求传输的电磁波为表面波，是传输的电磁波为表面波，是混合模，混合模，Hz0和和Ez0分析方法与金属园波导一样，采用圆柱坐标系、纵向场法分析方法与金属园波导一样，采用圆柱坐标系、纵向场法介质波导和光波导介质波导和光波导 微波集成传输线微波集成传输线微微带线带线 第三十五页，讲稿共四十页哦在不同介质在不同介质kc中取不同值中取不同值 在介质柱内在介质柱内，区区在介质柱外在介质柱外，区区 且且（沿（沿r 方向为衰减场）方向为衰减场）介质介质区中，场沿区中，场沿r r 呈驻波分布呈驻波分布介质介质区中，区中，场沿场沿
15、r 为指数衰减为指数衰减圆柱介质波导内：圆柱介质波导内：和和圆柱介质波导外：圆柱介质波导外：和和介质波导和光波导介质波导和光波导 微波集成传输线微波集成传输线微微带线带线 第三十六页，讲稿共四十页哦通解通解第一、二类变形贝塞尔第一、二类变形贝塞尔函数函数将上述通解应用于讨论的实际情况，则有将上述通解应用于讨论的实际情况，则有（1）圆柱介质内部因中心轴处场应为有限值，故）圆柱介质内部因中心轴处场应为有限值，故B10；（2）圆柱介质外部因无穷远处场应为）圆柱介质外部因无穷远处场应为0，故，故A20；（3）圆柱介质圆周方向上，场应为单值，故）圆柱介质圆周方向上，场应为单值，故m为整数。为整数。圆柱介
16、质内部通常取圆柱介质内部通常取B30的圆极化解（当然也可取的圆极化解（当然也可取cosm和和sinn的线极化解）的线极化解）介质波导和光波导介质波导和光波导 微波集成传输线微波集成传输线微微带线带线 第三十七页，讲稿共四十页哦圆柱介质内部（圆柱介质内部（区区）圆柱介质外部圆柱介质外部（区）区）由横纵场关系，可对应求出圆柱介质内、外横向场分量由横纵场关系，可对应求出圆柱介质内、外横向场分量边界条件在边界条件在ra 处处 E0z1E0z2，E01E02，H0z1H0z2，H01H02 介质波导和光波导介质波导和光波导 微波集成传输线微波集成传输线微微带线带线 第三十八页，讲稿共四十页哦最后得圆柱介质波最后得圆柱介质波导导模的本征值方导导模的本征值方程程，可确定各模式，可确定各模式的横向场分布的横向场分布 四个齐次方程有解是系数行列式为零，四个齐次方程有解是系数行列式为零，得本征方程得本征方程介质波导和光波导介质波导和光波导 微波集成传输线微波集成传输线微微带线带线 第三十九页，讲稿共四十页哦圆柱介质波导可能存在得四种导模及本征方程圆柱介质波导可能存在得四种导模及本征方程介质波导和光波导介质波导和光波导 微波集成传输线微波集成传输线微微带线带线 第四十页，讲稿共四十页哦