微波集成传输线.pptx

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1、-平面形结构导行系统5050年代，第一代微波印制传输线 带状线。微带线包括：鳍线、槽线、共面波导、共面带状线（微波 集成传输线）6060年代，第二代微波印制传输线 微带线。航空、航天技术发展要求微波电路和系统小型轻量性能可靠第2页/共72页微波集成微波集成传输线传输线体积小、重量轻、价格低廉、可靠性高、性能优越、功能的可复制性好+微波固体芯片混合微波集成电路单片微波集成电路优点第3页/共72页 六十年代以来，在微波工程和微波技术上，出现了一次不小的革命，即所谓MIC(Microwave Integrated Circuit)微波集成电路。其特色是体积小、功能多、频带宽，但承受功率小。因此被广泛

2、用于接收机和小功率元件中，它们都传输TEMTEM波。4.1 带状线（三板线）同轴线扁带同轴线带状线 作为这一革命的“过渡人物”是带状线(Stripline)。它可以看作是同轴线的变形。第4页/共72页替代同轴线制作高性能的无源元件；用途：特点：宽频带、高Q值、高隔离度；缺点：不便外接固体微波器件-不宜做有源微波电路。传输波型：工作模式为TEM波，可存在高次模。同轴线-内外导体变成矩形，外窄边延伸至无限远-带状线。第5页/共72页一、带状线的基本概念构成：两块接地板（相距为b），中间为矩形截面导体带（宽度为w、厚度为t），板间填充空气或介质。第6页/共72页带状线结构示意图尺寸选择：接地板宽度：

3、以避免高次TE模和TM模的出现。第7页/共72页当工作频率满足条件 及 时，有如下关系式：衰减常数 相移常数 特性阻抗 传播常数 二、带状线的TEM特性波导波长或带状线波长为式中 为自由空间波长TEMTEM模，则相速度与频率无关，为相速 1.1.带状线的特性参量1第8页/共72页2.2.带状线的特性阻抗带状线传输TEMTEM波，研究的主要问题是特性阻抗，其求解框图如下:其中c是传输线中的光速，一般有 是所填充的介质，于是一般的特性阻抗问题可转化为求电容C 的问题。采用保角变换（复杂）或数值分析（网络）可精确求出：第9页/共72页图4.1-2 带状线的电容带线电容分成板间电容Cp和边缘电容Cf。

4、lW/b愈大，C愈大，特性阻抗Z0 0愈小。lWb愈大，Cf影响愈小。CfCfCfCfCpCp第10页/共72页特性阻抗用保角变换法求：可精确计算出单位长度电容Cl,-,-过程复杂，不易使用，一般采用比较简单的方法。则导带的宽度应为近似方法：1 1）中心导带厚度为零时的特性阻抗对于TEMTEM波传输线的特性阻抗为考虑到边缘场的影响，可将边缘泄露的场等效成 中心导体增宽，两端增宽成半径为R的圆弧，一般取R=0.2205b。第11页/共72页平板电容公式为:所以带状线单位长度电容为(两个电容并联相加)：导体带与一边接地板之间单位长度电容单位长度电容为:b第12页/共72页因为所以特性阻抗为:式中W

5、e是中心导带的有效宽度。此公式假定厚度为0，精度约为1。第13页/共72页由此式可见，对（4.1-5b）式求导求导得1.72（W/b）0,所以单调递增 带状线的特性阻抗随导体宽W增大而减小。通常都是给定特性阻抗Z0 0和基片材料r和b，设计导体带宽W。利用（4.1-5a）得到如下的综合公式:即第14页/共72页当时WeW，有即当有第15页/共72页所以综合上述结果有：第16页/共72页科恩（Cohns.B1955）最先用保角变换求得零厚度导体带带状线的特性阻抗。对于非零导体带非零导体带，他将厚度影响折合成宽高比（W/b）来计算，从而得到如图4.1-2（a）的实用特性阻抗曲线。其精度约为1.5(

6、书p108）曲线应用：若给定r、W、b，便可查得特性阻抗Z0值；若给定Z0、r、b，便可求得导体宽度W。第17页/共72页2）中心导带厚度不为零时的特性阻抗惠勤（wheeler，H.A.）用保角变换法得到导体带为有限厚度 时带状线的特性阻抗：其中当W/(b-t)b则场解基本不变（中心均匀、泄露能量有限）。三、带状线的静态近拟数值解法 现代微波工程常用方法 从而可简化为有界区域边界条件（4.1-14a）（4.1-14b）第24页/共72页由电磁场理论（直角坐标系分离变量法）得：因为sh(0)0，由于交界处电位要求连续，所以AnBn。统一后的常数An可用中心导体带上的电荷密度求得:（4.1-16）

7、（4.1-15）第25页/共72页则导体带上电荷密度为(上下板电通量D=E之差)：从另外一个方面看，当导体尺寸很窄时，上面的电荷可视为均匀分布，不妨设为归一化常数1。（4.1-17）没导体没电荷第26页/共72页二者应当相等，可得等式：所以（仅m=n有值，左面积分有效区应为-W/2，W/2）第27页/共72页中心导体带相对底部接地极电压：导体单位长度总电荷：（fc的单位为GHz，b的单位为cm）显而易见当b变大时，f 变小（否则滞漏）。第28页/共72页四、四、带状线尺寸的确带状线尺寸的确定定 带状线传输的主模是TEM模。但若尺寸选择不当，可能出现高次模。为了抑制高次模的传输，确定带状线尺寸时

8、应考虑下面一些因素。为了抑制TE10模，最短的工作波长为即 1.中心导带宽度W 在在TE模中模中最低次模最低次模为为TE10,它沿中心导带宽度有半个驻波分它沿中心导带宽度有半个驻波分布，其截止波长为布，其截止波长为第29页/共72页增大接地板间距增大接地板间距b有助于降低导体损耗和增加功率容量，但有助于降低导体损耗和增加功率容量，但b加大后除了加大横向辐射损耗之外，还可能出现径向加大后除了加大横向辐射损耗之外，还可能出现径向TM高次高次模，其中模，其中TM01为为最低次模最低次模，它的截止波长为，它的截止波长为为了抑制TM01模，最短的工作波长为 即 根据上述要求即可确定带状线的尺寸W和b：2

9、.接地板间距b 第30页/共72页微带线微带线：平面型传输线。平面型传输线。4.2 微带线微带线（microstrip line）导带接地板介质 MMIC(monolithic microwave integrated circuit)单片微波集成电路 HMIC(hybrid microwave integrated circuit)混合微波集成电路第31页/共72页上面为导体带（宽度W、厚度为t），下面为接地金属平面介质基片（厚度为h）。形状：特点：平面型传输线l微带线的第一个特点是非非机机械械加加工工，它采用金属薄膜工艺，而不是象带状线要机械加工。基片打孔蒸发光刻腐蚀电镀图4.2-2 微带

10、线工艺 第32页/共72页l容易制作（可用光刻程序制作）。l容易集成（可与其它无源微波电路和有源微波电路器件集成），由此可实现微波部件和系统的集成化。l一般地说，微带均有介质填充，因此电磁波在其中传播时产生波长缩短，微带的特点是微微。l结构上微带属于不均匀结构 为了处理方便经常提出有效介电常数(它是全空间填充的)，注意是相对的()。图 4.2-3 微带的有效介电常数 定义(1)(2)第33页/共72页(1)(1)和(2)(2)分别为：(1)(1)和(2)(2)Z Z0 0分别为：其中，Z01、Z02是介质微带线的特性阻抗；是空气微带线的特性阻抗,是一个不随介电 常数 r 变化的不变量从概念上，

11、考虑到局部填充，显然有第34页/共72页介质基片材料介质基片材料：99.5%的氧化铝陶瓷聚四氟乙烯聚四氟乙烯玻璃纤维板砷化镓（单片集成电路）场大部分在介质片内，少部分在空气中非纯TEM。空气速度c c与介质中速度,不匹配。第35页/共72页故场大部分场集中在介质基片内，集中在导体带与接地板之间；但有一部分在空气中。由于空气和介质中的TEMTEM模的相速不同（c c 和 ），即相速在两分界面上对TEMTEM模不匹配。在导体带上面即yh的为空气导体带下方y h区域为介质基片第36页/共72页微带线中存在的是TE-TM混合波场，其纵向场分量主要是由介质-空气分界面处的边缘场Ex和Hx引起的，由于微带

12、线基片厚度h h远小于传输波长，因此纵向场分量与导体带和接地板之间的横向分量场相比很小，所以微带线中传输模的特性与TEM模相差很小，称之为准TEM模。准静态法准静态法色散模型法色散模型法全波分析法全波分析法分分析析方方法法第37页/共72页 0 r一、微带线的准一、微带线的准TEM波特性波特性准静态方法将其模式看成纯TEM模，引入有效介电常数为 e的均匀介质代替微带线的混合介质。Wth微带线中的场为准TEMTEM，其场基本上与静态情况下相同。第38页/共72页由由于于微微带带线线周周围围不不是是填填充充一一种种介介质质,其其中中一一部部分分为为基基片片介介质质,另另一一部部分分为为空空气气,这

13、这两两部部分分对对相相速速均均产产生生影影响响,其其影影响响程程度度由由介介电电常常数数和和边边界界条条件件共共同同决决定定。当当不不存存在在介介质质基基片片即即空空气气填填充充时时,这这时时传传输输的的是是纯纯TEMTEM波波,此此时时的的相相速速与与真真空空中中光光速速几几乎乎相相等等,即即vpc=3108m/s;而而当当微微带带线线周周围围全全部部用用介介质质填填充充,此时也是纯此时也是纯TEMTEM波波,其相速其相速vp=c/。由由此此可可见见,实实际际介介质质部部分分填填充充的的微微带带线线（简简称称介介质质微微带带）的的相相速速vp必必然然介介于于c和和c/之之间间。为为此此我我们

14、们引引入入有有效效介介电电常常数数e,令令这这样样,有有效效介介电电常常数数e的的取取值值就就在在1与与r之之间间,具具体体数数值值由由相对介电常数相对介电常数r和边界条件决定。和边界条件决定。第39页/共72页显而易见：利用两个电容计算：空气空气微带线的分布电容C1a；介质介质微带线的分布电容C1式中 为空气微带线电容；为空气微带线阻抗。第40页/共72页 0 rwth在等效模型中，微带线的相移常数为：1.传输相速与波导波长传输相速与波导波长传播相速和波导波长为：第41页/共72页 0 rl微带线的单位长度电容C1：介质基片换成空气微带线单位长度电容C1a ；由模型：wth是空气微带线的特性

15、阻抗。式中则有：第42页/共72页2.2.特性阻抗及等效介电常数特性阻抗及等效介电常数 求空气微带线的特性阻抗 求解有效介电常数 (再由上式可求得特性阻抗Z0)微带线特性阻抗的求解：根据上述思路，问题发生了转化。见图4.2-5所示：图 4.2-5 特性阻抗求解的转化 第43页/共72页式中K(k)和K(k)分别是第一类全椭圆积分和第一类余全椭圆积分,此类函数复杂故不易使用。t t=0=0导体带空气微带线的特性阻抗 可用保角变换法求得：第44页/共72页哈梅斯泰特用对精确静态解作曲线拟合近似得到的特性阻抗公式（可用于CAD）)书P115在0.05 W/h 16范围内，上式的精度优于1%。（4.2

16、-7）1）t=0零厚度导体带空气微带线特性阻抗第45页/共72页式中W/h是微带的形状比;W是微带的导带宽度;h为介质基片厚度。工程上,有时用填充因子填充因子q来定义有效介电常数 e,即:e=1+q(r-1)q 值的大小反映了介质填充的程度。当值的大小反映了介质填充的程度。当q=0=0时时,e=1,对应对应于全空气填充于全空气填充;当当q=1=1时时,e=r,对应于全介质填充。由式对应于全介质填充。由式（4.2-7）得）得q与与 W/h的关系为：的关系为：当导带厚度不为零时当导带厚度不为零时,介质微带线的有效介电常数仍可按式介质微带线的有效介电常数仍可按式（4.2-7）计算）计算,但空气微带的

17、特性阻抗但空气微带的特性阻抗 必须修正。此时，必须修正。此时，导体厚度导体厚度t0,0,可等效为导体宽度加宽为可等效为导体宽度加宽为We。这是因为当。这是因为当t00时时,导带的边缘电容增大导带的边缘电容增大,相当于导带的等效宽度增加。相当于导带的等效宽度增加。第46页/共72页2 2）t t0 0零厚度导体带空气微带线特性阻抗t0可等效为导体带宽度加宽为we，修正公式为(t h,t h(则此壁不会扰动导体带周围的场结构)。则问题就可转化为求解求解拉普拉斯方程：二、微带线的近似静态解二、微带线的近似静态解法法TEM模边界条件为：第56页/共72页可用分离变量法求解，显然一般解为：有界取负对称取

18、奇数（4.2-15）这两个分段函数在分界面yh处必须连续，所以第57页/共72页常数An可由导体带上的表面电荷密度来确定，为此需求于是 可写成（4.2-16）第58页/共72页代入4.2-15有4.2-16。具体的常数An则可根据边界（导体带上的表面电荷密度）来确定，书上给出了设定电荷密度的求法，如给定电压则求法与传统的方法相同。则根据即如有（4.2-19）由求导乘第59页/共72页再乘cos(nx/a)利用三角函数的正交性解出An（4.2-20）。由此可得：总电荷：对地电压：第60页/共72页解得电容：特性电阻：式中c c为光速，而其中：C1、可由式（4.223）分别令r基片的r和r1求得。

19、第61页/共72页三、微带线的色散特性与尺寸限三、微带线的色散特性与尺寸限制制 前面讲到的与频率无关的准TEMTEM模的Z0和e 只适用于低频率，实际上微带线传输的是混合模，存在色散现象。1.1.微带线的色散特性微带线的色散特性 微带线中电磁波传播的微带线中电磁波传播的速度是频率的函数速度是频率的函数（色散），它使得（色散），它使得微带线的特性阻抗微带线的特性阻抗Z0 0和和 re将随频率而变化，频率愈高，则相速将随频率而变化，频率愈高，则相速愈小，等效介电常数愈大，特性阻抗愈低。愈小，等效介电常数愈大，特性阻抗愈低。微带线：Z0 和 e 随频率而变；当f 升高，相速度vp 降低，e 增大，Z

20、0 减小。第62页/共72页 2.2.高次模与高次模与 微带线尺寸的设计考虑微带线尺寸的设计考虑 微带线的高次模有两种模式:波导模式和表面波模式。波导模式存在于导带与接地板之间,表面波模式则只要在接地板上有介质基片就能存在。对于波导模式可分为TE模和TM模,其中TE模的最低模式为TE1010模,其截止波长为:当工作频率提高后，微带线中除了传输当工作频率提高后，微带线中除了传输TEMTEM模以外，还会模以外，还会出现高次模。出现高次模。第63页/共72页而TM模最低模式为TM01模,其截止波长为:对于表面波模式，是导体表面的介质基片使电磁波束缚在导体表面附近而不扩散,并使电磁波沿导体表面传输,故

21、称为表面波,其中最低次模是TM01模,其次是TE10模。TM01模的截止波长为,即任何频率下TM01模均存在。TE10模的截止波长为：根据以上分析,为抑制高次模的产生,微带的尺寸应满足：第64页/共72页 实际常用微带采用的基片有纯度为99.5%的氧化铝陶瓷(r r=9.510,tan,tan=0.0003)、聚四氯乙烯(r=2.1,tan=0.0004)和 聚 四 氯 乙 烯 玻 璃 纤 维 板(r=2.55,tan=0.008)；使用基片厚度一般在0.0080.08 mm之间,而且一般都有金属屏蔽盒,使之免受外界干扰。屏蔽盒的高度取H(5-6)h,接地板宽度取a(5-6)W。当f 10GH

22、z时，色散对Z0的影响可忽略，但对 e 的影响较大，则 e可由下式计算：式中第65页/共72页金属屏蔽盒高度取H (56)h；接地板宽度取a (56)w。为抑制高次模，微带线的横向尺寸应选择为：微带线的最高工作频率fT受到限制。fT可按下式估计：式中h的单位是mm第66页/共72页【例例4.2-1】计算在 相移的微带线的宽度和长度。其基片解：对于5050W W的线，查图表得t/h=0.01则线宽为t=0.01900 相移的线长为：第67页/共72页各类传输线内传输的主模及其截止波长和单模传输条件列表传输线类型主 模截止波长 c单模传输条件矩形波导TE10模2aa 2b圆波导TE11模3.14a2.62a (a+b)带状线TEM模 微带线准TEM模 第68页/共72页l l/4/4波长变换器负载单支节短路器负载第69页/共72页微带低通滤波器分支线带通滤波器99099099398238.435.738.738.735.738.49.39.374.174.1微带线带通滤波器第70页/共72页AB(1)(2)(3)O二等分功率器a)同尺寸拐角 b)不同尺寸拐角 第71页/共72页感谢您的观看！第72页/共72页