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1、毫米波第三章微带传输线毫米波第三章微带传输线第1页，此课件共38页哦导波导波按传播环境，电磁波可分为按传播环境，电磁波可分为自由空间波自由空间波导波导波由传输媒介引导，在其边界附近或边界之间传播的电磁波由传输媒介引导，在其边界附近或边界之间传播的电磁波第2页，此课件共38页哦导波结构（传输媒介）导波结构（传输媒介）导波结构的基本功能导波结构的基本功能引导或限制电磁波的传播引导或限制电磁波的传播构成电路的基本元件构成电路的基本元件经典的传输媒介经典的传输媒介平行双导线（不能用于毫米波）平行双导线（不能用于毫米波）同轴线（可用至毫米波低频端）同轴线（可用至毫米波低频端）波导（可用于毫米波）波导（可
2、用于毫米波）第3页，此课件共38页哦传输线传输线矩形波导圆波导平行双线同轴线微带线第4页，此课件共38页哦集成传输线集成传输线集成化对传输线的要求集成化对传输线的要求便于集成无源和有源器件便于集成无源和有源器件低成本设计和生产低成本设计和生产微波毫米波电路的发展微波毫米波电路的发展波导电路波导电路混合集成混合集成 单片集成单片集成 三维集成三维集成第5页，此课件共38页哦毫米波传输线毫米波传输线第6页，此课件共38页哦毫米波传输线分类毫米波传输线分类平面传输线平面传输线微带、悬置微带、倒置微带微带、悬置微带、倒置微带共面波导、共面带线、槽线共面波导、共面带线、槽线准平面传输线准平面传输线鳍线（
3、准鳍线（准TE10）波导波导矩形波导矩形波导圆波导圆波导介质波导介质波导矩形介质波导矩形介质波导介质镜像波导介质镜像波导H波导、槽波导波导、槽波导第7页，此课件共38页哦微带印制电路板微带印制电路板3.1 微带结构的一般形式微带结构的一般形式第8页，此课件共38页哦开放微带开放微带1 基本微带结构基本微带结构第9页，此课件共38页哦2 变形微带结构变形微带结构悬置微带悬置微带倒置微带倒置微带屏蔽微带屏蔽微带第10页，此课件共38页哦3 类微带结构类微带结构分区域填充不同介质分区域填充不同介质第11页，此课件共38页哦类微带结构类微带结构开放微带开放微带h1=0;h2=h,r2=r;h3=0;h
4、4=,r4=1;L=悬置微带悬置微带r1=1;h2=h,r2=r;h3=0;h4=,r4=1;L=倒置微带倒置微带r1=1;h2=0;h3=h,r3=r;h4=0;L=屏蔽微带屏蔽微带h1=0;h2=h,r2=r;h3=0;h4=h,r4=1第12页，此课件共38页哦类微带线的传输模类微带线的传输模在工作频率较低时为准在工作频率较低时为准TEM模，可采用准静态分析模，可采用准静态分析在工作频率较高时为在工作频率较高时为TE+TM混合模混合模准准TEM模模纵纵向向场场分分量量较较横横向向场场分分量量小小得得多多，且且随随着着频频率率f降降低低而而减减小小，当当f0时时纵纵向向场场分分量量趋趋近近
5、于于0，即即趋趋近近于于TEM模模3.2 类微带结构的准静态分析类微带结构的准静态分析第13页，此课件共38页哦准静态的含义准静态的含义在在工工作作频频率率较较低低时时，准准TEM模模可可近近似似看看作作TEM模模来来分析，故称为准静态分析分析，故称为准静态分析特性阻抗和有效相对介电常数特性阻抗和有效相对介电常数准静态分析准静态分析第14页，此课件共38页哦物理意义物理意义对对于于置置于于(x0,y0)处处的的单单位位电电荷荷，Green函函数数（指什么物理量？）（指什么物理量？）满足满足Poisson方程方程Green函数函数这里假设类微带线的导体条带无限薄，即忽略其厚度的影响，这里假设类微
6、带线的导体条带无限薄，即忽略其厚度的影响，t 0第15页，此课件共38页哦前述前述Green函数的解有如下分离变量的形式函数的解有如下分离变量的形式两种边界条件两种边界条件E-wall DiricheletH-wall NewmannGreen函数的解函数的解这里假设介质材料无耗、各向同性、非磁这里假设介质材料无耗、各向同性、非磁第16页，此课件共38页哦类微带结构边界条件三种情况对应的解的形式类微带结构边界条件三种情况对应的解的形式x=0和和x=L处均为处均为E-wallx=0处处E-wall，x=L处处H-wallx=0和和x=L处均为处均为H-wall上上面面第第一一种种情情况况对对应应
7、于于我我们们所所讨讨论论的的类类微微带带结结构构，代代入入Poisson方程得方程得两两边边同同乘乘sin(nx/L)后后在在(0,L)积积分分，并并利利用用正正弦弦函函数数的的正交性正交性类微带结构边界条件确定的解类微带结构边界条件确定的解第17页，此课件共38页哦图图3.4的的类类微微带带线线是是在在y方方向向上上的的分分层层介介质质结结构构，可可视视为为沿沿y方向分段均匀的传输线，利用传输线理论来简化分析方向分段均匀的传输线，利用传输线理论来简化分析在在y=y0（导体条带处）应看作有一电流源（导体条带处）应看作有一电流源由于电压与由于电压与Green函数满足同样的边界条件函数满足同样的边
8、界条件设设y=y0处的导纳为处的导纳为Y（可用横向传输线法计算）（可用横向传输线法计算），则，则横向传输线法横向传输线法第18页，此课件共38页哦类微带线的电容类微带线的电容f(x)为导体条带为导体条带s1上的电荷分布上的电荷分布电容的变分表示式电容的变分表示式第19页，此课件共38页哦实变函数是以实数为自变量的函数实变函数是以实数为自变量的函数复变函数是以复数为自变量的函数复变函数是以复数为自变量的函数泛函是以函数为自变量的函数泛函是以函数为自变量的函数泛泛函函分分析析（Functional Analysis）的的特特点点是是它它不不但但把把古古典典分分析析的的基基本本概概念念和和方方法法一
9、一般般化化了了，而而且且还还把把这这些些概概念念和和方方法法几几何何化化了了。例例如如，不不同同的的函函数数可可以以看看作作是是“函函数数空空间间”的的点点或或矢矢量量，这这样样最最后后得得到到了了“抽抽象象空空间间”这这个个一一般般的的概概念念。它它既既包包含含了了以以前前讨讨论论过过的的几几何何对对象象，也也包包括括了了不不同同的的函函数数空间。空间。泛函的概念泛函的概念第20页，此课件共38页哦将将准准TEM模模按按TEM模模考考虑虑，将将特特性性阻阻抗抗的的求求解解转化为静电容的求解转化为静电容的求解建建立立Green函函数数并并分分离离变变量量，由由边边界界条条件件先先得得出出Gnx
10、(x)用横向传输线法求用横向传输线法求Gny(y)对对电电容容的的变变分分表表示示式式求求泛泛函函极极值值，得得到到导导体体条条带上的电荷分布，从而得出电容值带上的电荷分布，从而得出电容值准静态分析步骤小结准静态分析步骤小结第21页，此课件共38页哦对奇偶模分别考虑对奇偶模分别考虑对称耦合微带结构的准静态分析对称耦合微带结构的准静态分析第22页，此课件共38页哦准准静静态态法法将将准准TEM模模按按TEM模模考考虑虑，忽忽略略了了色色散散模模，即即TE和和TM模模，要要求求w,h0W|t0 re|t0re|t0 Zc|t0Zc|t 03.3 类微带线的特性阻抗类微带线的特性阻抗和有效介电常数和
11、有效介电常数第26页，此课件共38页哦屏蔽外壳的作用屏蔽外壳的作用实现电磁屏蔽实现电磁屏蔽增加机械强度增加机械强度便于密封便于密封安装接头安装接头屏蔽外壳影响可忽略的条件屏蔽外壳影响可忽略的条件W,h5时，顶盖的影响可忽略时，顶盖的影响可忽略屏蔽外壳的影响屏蔽外壳的影响第27页，此课件共38页哦色散的程度色散的程度微带的色散效应可忽略的频率上限微带的色散效应可忽略的频率上限式中式中fd以以GHz计，计，h以以cm计计r,hfd频率对有效介电常数和特性阻抗的影响频率对有效介电常数和特性阻抗的影响在准静态分析结果基础上作修正在准静态分析结果基础上作修正色散的影响色散的影响第28页，此课件共38页哦
12、损耗损耗导体损耗导体损耗c表面电阻系数表面电阻系数Rsc趋肤深度趋肤深度c表面不平度表面不平度c介质损耗介质损耗d基片介质材料的损耗角正切基片介质材料的损耗角正切tand辐射损耗辐射损耗rh时，时，r很小，可近似忽略很小，可近似忽略3.4 微带线的损耗、微带线的损耗、功率容量和品质因数功率容量和品质因数第29页，此课件共38页哦f,r,hT总损耗随基片厚度的变化情况总损耗随基片厚度的变化情况f,r,hT第30页，此课件共38页哦功率容量功率容量平均功率容量平均功率容量主要受限于导体损耗和介质损耗引起的热效应主要受限于导体损耗和介质损耗引起的热效应峰值功率容量峰值功率容量主要受限于基片介质击穿效
13、应主要受限于基片介质击穿效应波波导导和和同同轴轴线线可可用用于于高高功功率率，微微带带一一般般只只能能用用于中小功率电路于中小功率电路功率容量功率容量第31页，此课件共38页哦Q值值是是描描述述谐谐振振系系统统的的频频率率选选择择性性和和能能量量损损耗耗程度的物理量程度的物理量w为为谐谐振振时时的的储储能能，wL为为一一个个周周期期内内的的损损耗耗能能量量，PL为一个周期内的平均损耗功率为一个周期内的平均损耗功率品质因数品质因数第32页，此课件共38页哦品质因数随基片厚度的变化情况品质因数随基片厚度的变化情况与波导、同轴线相比，微带的与波导、同轴线相比，微带的Q值通常要低一至二个数量级值通常要
14、低一至二个数量级对一个给定频率，存在一个对一个给定频率，存在一个使使Q值最大的最佳基片厚度值最大的最佳基片厚度hoptf,rhopt第33页，此课件共38页哦不连续性问题不连续性问题准静态分析准静态分析全波分析全波分析基片的选择基片的选择毫毫米米波波混混合合集集成成常常选选用用较较薄薄的的低低介介电电常常数数基基片片，如如RT-Duroid 5880单单片片集集成成常常选选用用高高介介电电常常数数基基片片以以便便集集成成有有源源器器件件，如如GaAs或或Si3.5 有关微带电路设计有关微带电路设计的其它问题的其它问题第34页，此课件共38页哦毫米波电路尺寸小，制造公差问题比较突出毫米波电路尺寸
15、小，制造公差问题比较突出公差的影响公差的影响低介电常数的薄基低介电常数的薄基片允许的公差相对片允许的公差相对大一些大一些第35页，此课件共38页哦最高工作频率受限于最高工作频率受限于寄生模的激励寄生模的激励过高的损耗过高的损耗严格的制造公差严格的制造公差加工安装损坏加工安装损坏严重的不连续效应严重的不连续效应辐射引起的辐射引起的Q值降低值降低制造工艺的限制制造工艺的限制 频率上限频率上限第36页，此课件共38页哦频频率率上上限限的的主主要要障障碍碍是是微微带带中中准准TEM模模与与最最低低的的最最低低次次表表面面波波寄寄生生模模之之间间的的耦耦合合，二二者者不不出出现强耦合的最高工作频率为现强耦合的最高工作频率为Vendelin式中式中fT以以GHz计，计，h以以mm计计r,hfT寄生模决定的频率上限寄生模决定的频率上限第37页，此课件共38页哦r,w,hre,Zc图图3.7,P129fre,Zc图图3.8,P131r,h fd式式3.34,P136f,r,hT图图3.10,P139h(Vo),r(Zc)Pp式式 3.43,P140f,r hopt=hQmax图图3.11,P143r,hfT式式3.50,P148微带特性小结微带特性小结第38页，此课件共38页哦