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微波技术基础 Course9and10April27and30 Chapter3IntegratedMicrowaveTransmissionLines Outlines IntroductionStripline Microstripline Couplinglines SlotlinesCo planarlines Introductions 现代技术的发展 对频谱的拓展需求 对设备小型化轻量化的要求 20世纪50年代初 为适应空间技术的发展 研制成各种带状线电路 20世纪60年代 适合于集成工艺的微带技术得到了大力发展 微波固体器件和微带线相结合 研制成功第一块微波集成电路 MIC 微波集成电路的特点是各种不同电路可以集成在一块基片上组成平面电路 电路重复性好且便于构成各种有源电路 因此 集成传输线在微波技术中得到日益广泛的应用 微波集成电路可分为混合微波集成电路 HMIC 和单片微波集成电路 MMIC 混合微波集成电路是由半导体集成工艺与薄膜或厚膜技术结合而成的集成电路 是在介质基片上用成膜方法制作厚膜或薄膜元件及其互联线 并在同一基片上将分立的半导体芯片 单片集成电路或微型元件混合组装 再外加封装而成 单片微波集成电路 MMIC 是采用平面技术 将元器件 传输线 互连线直接制作在半导体基片上的功能块 砷化镓 硅 氮化镓等材料是最常用的微薄基片材料 MMIC目前已在军民方面得到广泛的应用 如导弹 电子战 通信系统 海陆空基地的各种先进的相控阵雷达 以及民用的移动电话 无线通信 个人卫星通信网 GPS DBS和毫米波自动防撞系统等 无论是HMIC还是MMIC 都要使用集成微波传输线 因此微波集成传输线是构成微波集成电路的基础 主要的微波集成传输线主要有带状线 微带线 槽线 共面传输线等等 与波导 同轴等立体结构相比 优点为体积小 重量轻 易于批量生产 可靠性好 成本低 缺点是损耗较大 Q值较低 功率容量较小 3 1带状线 带状线是一种三导体TEM波传输线 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 3 1带状线 带状线可看作是由同轴线演变而成 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 耦合器等无源器件 3 1 1主模及单模工作条件 带状线的主模为TEM模 第一高次模为TE11模或TM10模 单模工作条件 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D和接地板间距必须满足 D 3 6 W 带状线的最高工作频率取 其中 W和b的单位取cm 1 带状线特性阻抗 式中 该式是假定零导体带厚度得到的结果 其精度约为1 3 1 2带状线的主要特性参量 惠勒 WheelerH A 用保角变换法得到了如下有限厚度导体带状线的特性阻抗公式 式中 式中t为导体带的厚度 当W b t 10时 精度优于0 5 2 相速度和相波长 带状线中传输的为TEM波 与无界媒质中的电磁场相同 v为无界媒质中TEM波的速度 C为光速 r为带状线中填充介质的相对介电常数 3 带状线功率容量带状线传输的功率主要受两个因素制约 1 介质本身的击穿场强 与峰值功率相对应 2 介质自身所能承受的最高温升 与平均功率相对应 带状线难以传输比较大的功率 尤其是在中心导带的棱角处最容易发生电击穿 若把棱角改为光滑的圆角 则其功率容量会有所提高 经倒圆角的空气带状线的最大峰值击穿功率为 4 衰减常数带状线的衰减一般包括三部分 导体衰减 c 介质衰减 d和辐射引起的衰减 r 即 c d r 当满足条件时 辐射损耗可以忽略不计 其中的A和B见书pp75 一 微带的基本概念 如果说带线可以看成是由同轴线演变而成的 那么 微带则可以看成是双导线演化而成的 3 2微带线 微带线中的主模是准TEM模 准TEM模 电磁场的纵向分量很小 具有色散持性 这 点与纯TEM模不同 而且随着工作频率的升高 这两种模之间的差别也愈大 1 微带的第一个特点是非机械加工 它采用金属薄膜工艺 而不是象带线要做机加工 微带工艺 2 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 微带线的特点 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 微带的有效介电常数定义 3 结构上微带属于不均匀结构 和 相同 和 Z0相同 其中 Z0是介质微带线的特性阻抗 Z01是空气微带线的特性阻抗 Z01 是一个不随介电常数 r变化的不变量 从概念上 考虑到局部填充 显然有 4 严格说来 微带不是TEM波传输线 可称之为准TEM模 Quasi TEMmode 然而作为工程分析 这种概念和精度已足够满足要求 同样 它也是宽带结构 常用的基片有两种 氧化铝Al2O3陶瓷 r 90 99聚四氟乙烯或聚氯乙烯 r 2 50左右 5 容易集成 和有源器件 半导体管构成放大 混频和振荡 微带的主要研究问题 图微带的主要问题 二 微带的特性阻抗 工程上 常常认为微带线中近似传播TEM波 其中 vp是微带中的相速 根据等价定义 C1是微带单位长度的电容 如果我们令C01表示空气单 位长度电容 则有代入定义式有 对比可知 是空气微带的特性阻抗 根据上述思路 问题发生了转化 见下图所示 图特性阻抗求解的转化 特别要注意从概念上理解 W愈大特性阻抗愈低 h愈大特性阻抗愈高 图微带的电容分布 微带传输线的难于计算和查表问题使国外发展了与Computer CAD相联系的闭式工作 也就是把场论复杂的结果用简要的ClosedForm 称为闭式 表示 其目标是计算简单 精度高 1 分析工作 三 Gupta的闭式工作 Gupta的工作分为分析和综合两大部分 有效相对介电常数考虑微带线为非均匀填充传输线 当我们用准静态分析方法的时候 假设导带周围填充的是一种均匀介质 介电常数为 e 或者 2 综合工作 首先判断参数A 当A 1 52的窄带情况 当A 1 52的宽带情况 其中 典型数据有 r 9 6 W h 1 Z0 49 69 e 6 49 四 微带的衰减和Q值 1 微带的衰减还是包括两部分 在小衰减情况下认为相互不交叉影响 有a ad ac其中 ad 介质衰减 ac 导体衰减 为了便于记忆 上面公式还可以写为 出现的原因也是由于局部加载所造成的 其中 导体衰减 具体方式导出比较复杂 可参见 计算微波 2 微带Q值 定义 所定义传输线端接匹配负载 即无反射波 因为 消耗能量 介质损耗 导体损耗 于是有 其中 QC 导体Q值 Qd 介质Q值 和带线推导完全相似 于是有 于是全部Q值是 这一公式在微带有源电路估计中十分有用 其中 h单位为mm f的单位是GHz 见 计算微波 p127 例1 如果要提高f0 则要减少h和 r 要消除高次模 Xband的微带高度不会超过3mm 五 微带工作频率限制 微带线中除了准TEM模外 还可能存在其它两种高次模式 波导模和表面波模波导模是指在金属导带与接地板之间构成有限宽度的平板波导中存在的TE TM模 平板波导的最低TE模和TM模是TE10模 TM01模 五 微带中的高次模式 对TM01模 对TE10模 表面波模是指微带线导带的两侧可视为金属板上涂敷介质的表面波波导 它能传播表面波模 表面波中最低的TE和TM模分别是TE1模和TM0模 它们的截止波长分别为 所以抑制表面波 保证单模传输条件 微带线单模传输条件 微带线设计中 金属屏蔽盒高度取H 5 6 h 接地板宽度取L 5 6 W 相速 相波长 re相对有效介电常数 在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 re接近于1 从而其特性参量接近空气中的参量 传输中的损耗大大减小 因此 悬置和倒置微带结构具有比微带线更高的Q值 接近于无色散 因此特别适合应用于滤波器 谐振电路等Q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 加工难度稍大 悬置或倒置微带线传输的主模是准TEM模 3 4悬置微带线和倒置微带线 悬置微带线 倒置微带线 在1 w b 8和0 2 a b 1 上述公式的精度优于1 在 r 6时 精度优于 1 在 r 10时 精度优于 2 3 5 1槽线的工作模式槽线是在介质基片上敷有导体层的一面上开出一个槽 在1 10GHz的范围内 典型槽宽为21 30mil 而构成的一种微带电路 为了使电磁场更集中在槽的附近 并减少电磁能量的辐射 则应采用高介电常数的介质基片 3 5槽线 这种结构可以构成各种电路图形 而且由于两个有电位差的导带位于介质基片的同一面 这对于安置固体器件 尤其是需要并联时 以及需要对地形成短路时都比较方便 这种槽线结构特别适用于制作MIC的高阻抗线 它难以实现低于60 的特性阻抗 槽线属于分区填充介质的导波系统 槽线两导电层上加上电压 电压横跨在槽上 在槽中介质表面上由于位移电流不连续 磁场在垂直于槽的纵平面上形成闭合曲线 因此槽线传输的是非TEM模式 槽线的场分布如下图所示 槽线中的模式是色散模式 无截止频率 其相速和特性阻抗均随频率而变 槽线是一种宽频带结构 具有比微带更宽的工作带宽 槽线是平面结构 特别适合微波集成电路 往往是在介质基片的一面制作出槽线 另外一面制作出微带传输线