第2章毫米波传输线20140222-平面传输线.ppt

2 1引言2 2平面传输线2 3波导2 4鳍线 第二章毫米波传输线 毫米波传输线的要求损耗低 弱色散 单模传输 具备一定的功率容量 成本低 便于电路和系统集成 体积小 重量轻 2 1引言 微波常用传输线 矩形波导 圆波导 平行双线 同轴线 微带线 2 1引言 毫米波传输线 2 1引言 毫米波传输线分类 平面传输线微带 悬置微带 倒置微带共面波导 共面带线 槽线准平面传输线鳍线 准TE10 金属波导矩形波导圆波导等介质波导矩形介质波导介质镜像波导等H波导 槽波导等 2 1引言 平面传输线通常由介质基片 介质基片上的导带与金属接地层组成 制备工艺包括厚膜工艺和薄膜工艺 2 2平面传输线 对基片材料的要求 1 较高的介电常数 使电路小型化 2 低损耗 3 在给定的频率和温度范围内介电常数稳定 4 纯度高 性能一致性好 5 表面光洁度高 6 击穿强度高 7 导热性好 以适用于较大的功率 8 适应环境能力强 2 2平面传输线 2 2平面传输线 性能 超常的层间结合 低吸水率 增强的尺寸稳定性 低Z轴膨胀 频率使用范围稳定的介电常数 增强的挠性强度 应用 功率放大器 滤波器和连结器 无源元器件 天线 2 2平面传输线 薄膜与厚膜工艺产品之差异分析 2 2平面传输线 对于金属材料的要求 1 高的导电率 2 低的电阻温度系数 3 对基片的附着性能好 4 好的刻蚀性和可焊接性 5 易于淀积和电镀 2 2平面传输线 2 2平面传输线 2 2平面传输线 薄膜工艺制备过程 2 2平面传输线 平面传输线 微带线 带状线 悬置微带和倒置微带 槽线与共面波导 相速和波长 特性阻抗 衰减常数 功率容量 设计原则 2 2 1微带线 微带线目前是混合微波毫米波集成电路和单片微波毫米波集成电路使用最多的一种平面型传输线 微带线结构及内部场结构 1952年 GriegandEngelmann 首次发表关于微带线的报道 Microstrip ANewTransmissionTechniquefortheKlilomegacycleRange IREproceeding 1955年 ITTFerearlTelecommunicationsLaboratories NewJersey 报道了多篇关于微带线的报道 IEEEtransactionsonMicrowaveTheoryandTechnique 1960年 薄基片厚度的微带线流行 2 2 1微带线 微带线由介质基片 介质基片上的导带与金属接地层组成 微带线的构成 2 2 1微带线 微带线的分析方法1952年时 GriegandEngelmann采用分析方法基于平行双线的准静态分析 20世纪60年代 保角变换 格林函数 有限差分法等发展 1971年时 严格的场解方法已经能够计算色散特性 2 2 1微带线 微带线特性分析 微带线分析方法有两种 1 准静态法 2 全波分析法把微带线的工作模式当作TEM模来分析 这种分析方法称为 准静态分析法 全波分析法是利用高等电磁理论 求满足完整Maxwell方程式及边界条件的电磁场之解 2 2 1微带线 20 准静态分析 步骤1 假设介质不存在 金属导体之外到处都是空气 算出其每单位长电容及电感分別为C0及L0 此时 特性阻抗为相位传播常数为 2 2 1微带线 21 准静态分析 步骤2 放入介质 利用数值方法 如 保角变换 有限差分 积分方程和变分法 求出其单位长电容C 每单位长电感仍为L0 于是微带线的特性阻抗与相位传播常数分别为 2 2 1微带线 两种情况下 上述准静态法将不适用 介质厚度和波长相比拟 频率较高时 例如毫米波频段的高端 原因 存在高阶模式 利用全波法求解 可获得更为准确的微带线特性阻抗和有效介电常数 2 2 1微带线 f re Zc 23 不论准静态分析或全波分析都很难找到简单的公式解 而必需利用数值方法 以电脑计算数值解 市面上有许多商用软件可作微带线的准静态分析及全波分析 优缺点 精度高 但计算效率太低 无法满足工程需要 半经验解析公式利用近似物理模型或纯经验表达式与测量結果 导出传播常數与特性阻抗的公式 例 Bahl与Garg的准静态公式 与实验结果結果相当吻合 2 2 1微带线 24 Bahl与Garg准静态公式计算结果 介质基板厚度100mm 金属带条厚度3mm 相同的频率 基板厚度 及金属带条厚度之下 微带线的特性阻抗与传播特性只与金属带条宽度有关 其他条件固定时 金属带条越宽 其特性阻抗越小 而相对介电常数越大 可轻易在同一块电路板作出不同特性阻抗传输线 2 2 1微带线 r w h re Zc 2 2 1微带线 26 色散 Dispersion 色散 电磁波的传播速度随其频率变化而变化的现象 微带线不传播TEM波全波分析显示其有效相对介点常数 re 和特性阻抗都会随频率变化 称为色散 有效相对介电常数 re下相位传播常数为 也有研究人员提出色散模型的半经验公式例 Hammerstad与Jensen的特性阻抗公式 例 M Kobayashi的有效相对介电常数公式 均不必记 可写成函数 使用时调用就可 2 2 1微带线 Hammerstad特性阻抗公式 误差范围 1 2 2 1微带线 主要考虑因素 金属带条厚度影响如果考虑金属带条的厚度t 0 则需要对前式中带条宽度w以有效宽度we进行修正 即 we w w 在介电常数25h 侧壁与微带间距 5w时 可以忽略 2 2 1微带线 29 色散效应影响特性阻抗和有效介电常数随频率变化很小 我们可以引用一经验公式 2 2 1微带线 其中fd的单位为GHz h的单位为cm 当f fd时 色散效应可以忽略 例 采用相对介电常数为2 2 厚度为0 254mm的介质基片作为微带线的衬底时 对于50欧姆阻抗线而言 色散效应可以忽略的最高频率是多少 2 2 1微带线 RogersRT duroid5880高频层压板使用在 商用航空电话电路微带线和带状线电路毫米波应用军用雷达系统导弹制导系统点对点数字无线电天线 2 2 1微带线 微带线中传输模式 空气介质的微带线存在无色散的TEM模 实际微带线是制作在介质基片上的 是TE模和TM模的混合模 微带线中的传输模式类似于TEM模 故称为准TEM模 2 2 1微带线 33 微带线无法传播TEM波说明 空气与介质的交界面上电场的切线方向分量连续 因此 2 2 1微带线 下标d和a分別表示交界面的介质侧及空气侧 34 微带线无法传播TEM波说明 利用Maxwell方程式可得在直角坐标系展开 且利用交界面两侧磁场强度法线方向分量连续的条件 假定介质的 r 1 2 2 1微带线 微带线无法传播TEM波说明 由于大于1 而且界面上的Hy不为零 它对z的变化也不为零 因此式右边的项不会是零 依据上面的公式 其左方的项因此不能为零 所以Hz也就不可以是 2 2 1微带线 无法满足TEM波Hz 0 TE10模截止波长为 TM01模截止波长为 波导模 2 2 1微带线 微带线中的高次模 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 微带线中的主模和高次模 2 2 1微带线 表面波模TE1模截止波长 表面波TM0模截止波长 表面波模 微带线的单模工作条件 例 对于石英基片 相对介电常数为3 8 工作在100GHz时 要求最低表面模与准TEM模之间耦合可以忽略下 石英基片的厚度不能超过多少 微带线的损耗 微带线的损耗主要分为三部分 1 介质损耗 当电流通过介质时 由于介质分子交替着极化和晶格来回碰撞 而产生的损耗 2 导体损耗 微带线的导体带条和接地板均具有有限的电导率 电流通过时必然引起损耗 是微带线损耗的主要部分 3 辐射损耗 由微带线场结构的半开放性所引起 为避免辐射 减小损耗 并防止有其他电路的影响 一般的微带电路均装在金属屏蔽盒中 h 时 r很小 可近似忽略 2 2 1微带线 2 2 1微带线 p为单位长度传输线的功率损耗 介质损耗 2 2 1微带线 令所有电场均浸入介质中 介质的介电常数为 1 导磁率为 0 并把存在的介质损耗用一个等效损耗电导 1来表示 当有介质损耗时 其有功电流密度和无功电流密度各为 1E和j 1E 两者大小比值的正切是衡量介质损耗的一个基本参量 称为损耗角正切 实际上与导体损耗相比往往可以忽略不计 但在介质吸水或含有其他杂质时 介质损耗将会增大 导体损耗 2 2 1微带线 表面电阻系数R0 c 趋肤深度 c 表面不平度 c 要求 1 表面粗糙度5趋附深度 总损耗随基片厚度的变化情况 f r h T 2 2 1微带线 品质因数Q值的定义 由于传输线上损耗的能量分成介质和导体损耗两部分 因此也有相应的Qc 导体损耗对应Q值 Qd 介质损耗对应Q值 和辐射损耗Qr 辐射损耗对应的Q值 它们的关系是 微带线的品质因素 2 2 1微带线 与波导 同轴线相比 微带的Q值通常要低一至二个数量级 2 2 1微带线 品质因数随基片厚度的变化情况 对一个给定频率 存在一个使Q值最大的最佳基片厚度hoptf r hopt 原因 辐射损耗 毫米波电路尺寸小 制造公差问题比较突出 公差的影响 2 2 1微带线 低介电常数的薄基片允许的公差相对大一些 最高工作频率受限于寄生模的激励过高的损耗色散严重的不连续效应辐射引起的Q值降低严格的制造公差加工安装损坏制造工艺的限制 频率上限 2 2 1微带线 目前理论表明 普通微带线结构最高工作频率 110GHz 2 2 1微带线 功率容量峰值功率容量主要受限于基片介质击穿效应 如果微带线能够承受的最大电压为Vm Em h 则可承受的峰值功率为Pp Vm2 2Z0 由于导带很薄 由于边缘效应 首先击穿的是边缘部位 不同材料的击穿电压不同 氧化铝7 9KV mm 石英100KV mm 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 2 2 1微带线 其中 c和 d单位是dB m Tmax是基片的最高工作温度 Tamb为环境温度 Za为空气介质时微带线的特性阻抗 0为自由空间的磁导率 K是介质基片的导热率 带状线传输TEM波 主要由三导体构成 故又称为三板线或夹心线 带状线的结构及其主模的场结构 2 2 2带状线 同轴线到带状线演变过程 表征带状线的特性参数主要是特性阻抗 相速度 波导波长 衰减和功率容量 2 2 2带状线 优点 1 辐射损耗小 适合制作各种高Q值 2 结构对称 易与同轴线相连接 缺点 1 不利于安装有源器件 2 如果带状线中引入不均匀性时会激起高次模 故带状线不大适合制作有源部件 2 2 2带状线 虽然带状线不便外接固体微波器件 但是由于LTCC电路为多层结构 带状线在射频及微波的信号互连及传输中经常要用到 2 2 2带状线 带状线的主模为TEM模 带状线只传输TEM模的条件 单模传输条件 为 带状线的最高工作频率为 式中W和b的单位取cm 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和 2 2 2带状线 特性阻抗 惠勒 Wheeler H A 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t为导体带的厚度 当W b t 10时 精度优于0 5 2 2 2带状线 带状线功率容量 经倒圆角的空气带状线的最大峰值击穿功率可表示为 式中 Pmax为最大峰值击穿功率 单位为kW P为大气压力 单位为atm b的单位为cm 制约因素 介质本身的击穿场强 与峰值功率相对应 介质自身所能承受的最高温升 与平均功率相对应 2 2 2带状线 衰减常数 在时 r可以忽略不计 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 2 2 2带状线 电磁介质影响不大 其有效相对介电常数 e接近于1具有比微带线更高的Q值 500 1000 接近于无色散 悬置和倒置微带传输准TEM波 缺点 与标准微带线相比 结构不紧凑 2 2 3悬置微带和倒置微带 a 悬置微带 b 倒置微带 2 2 3悬置微带和倒置微带 带有屏蔽壳的悬置微带线 在W h 即边缘场的作用不大 时可用下列近似公式计算其特性阻抗和等效介电常数 2 2 4槽线 槽线的场结构和电流分布 槽线结构示意图 TE波 槽线的介质基片必须用高介电常数材料 共面波导有一个独特的性质 即其特性阻抗与基片的厚度几乎无关 因此 可以利用低损耗高介电常数的材料作为基片来减小纵向电路尺寸 这对于低频段的微波集成电路来说是特别重要的 2 2 5共面波导 共面波导的结构示意图 共面波