chap2 17微波集成电路

1、10月月29日考试日考试填空、简答、绘图及论述题、计算题填空、简答、绘图及论述题、计算题1.矩形波导的主模、主模的截止波长及单模传输条件？矩形波导的主模、主模的截止波长及单模传输条件？ 2.圆波导的主模、主模的截止波长及单模传输条件？圆波导的主模、主模的截止波长及单模传输条件？3.同轴线的主模、主模的截止波长及单模传输条件？同轴线的主模、主模的截止波长及单模传输条件？复习复习Ka频段频段微带检波器实物图微带检波器实物图 波导波导- -对极鳍线对极鳍线- -微带过渡器微带过渡器 对极鳍线示意图对极鳍线示意图 高、低阻抗低通滤波器高、低阻抗低通滤波器 11sinsin22gHCHgHckcLkkC

2、HLZlgZZKa频段微带检波器系统电路仿真拓扑图频段微带检波器系统电路仿真拓扑图 35GHz微带检波器实物图微带检波器实物图 探针过渡探针过渡 35GHz微带检波器实物图微带检波器实物图 四四. 槽线槽线 2.5 微波集成电路用的导波系统微波集成电路用的导波系统 一一. .带状线带状线 二二. 微带线微带线 五五. 鳍线鳍线 六六. .介质带线介质带线( (或称为带状介质波导或称为带状介质波导) ) 三三. .共面传输线共面传输线 2.5 微波集成电路用的导波系统微波集成电路用的导波系统 图图2.442.5 微波集成电路用的导波系统微波集成电路用的导波系统 一一 带状线带状线 图图2.45一

3、一 带状线带状线 (一一)主模及单模主模及单模工作条件工作条件 11TE24crbW(2.179)图图2.46一一 带状线带状线 (2.181)10TM221 20rcrbbmin242rrWbb 从而得带状线只传输从而得带状线只传输TEM模的条件为模的条件为(2.180)一一 带状线带状线 另一方面，当另一方面，当b较大时，带状线中将出现径向线模。较大时，带状线中将出现径向线模。其最低轴向磁波为其最低轴向磁波为TM10波，截止波长为波，截止波长为(二二) 带状线的主要特性参量带状线的主要特性参量prcvv0gr一一 带状线带状线 1pdzvvdtk(1.41)pgpvv Tf(1.42)由式

4、由式(2.18)得带状线的特性阻抗为得带状线的特性阻抗为式中式中C1 1为单位长带状线的静电电容。为单位长带状线的静电电容。111rcpZv CcC(2.183)一一 带状线带状线 1cLLCZCCvC宽条带宽条带 0.35Wbt故单位长总电容为故单位长总电容为 24pfCC图图2.46一一 带状线带状线 图图2.47CfCfCpCpWCfCf111rcpZv CcC(2.183)1cLZvCCC(2.184)(2.185)0424rpWWCbtbt 021ln111rfCt bt b 22111 ln111t bt b一一 带状线带状线 图图2.46图图2.47CfCfCpCpWCfCf01

5、4rfWCCbt (2.186)图图2.48从而带状线的特性阻抗为从而带状线的特性阻抗为0014crfrZCcWbt (2.187)一一 带状线带状线 0frC 窄条带窄条带 0.35Wbt图图2.490604ln( )crbZd一一 带状线带状线 (2.188)二者的等效关系，由二者的等效关系，由保角变换法保角变换法求出如图求出如图2.50所示。所示。(2.189)当当 时，也可用下面的近似公式计算时，也可用下面的近似公式计算图图2.500.11t W 201411 ln0.512dtWtWWtW一一 带状线带状线 (2.190)608ln( )crbZW 若若t=0，则得，则得d0=W/2

6、。于是。于是零厚度零厚度窄条带带状线的特性窄条带带状线的特性阻抗近似为阻抗近似为 带状线的衰减一般包括三部分：导体衰减、介质衰减带状线的衰减一般包括三部分：导体衰减、介质衰减和和辐射辐射引起的衰减引起的衰减。详见课本。详见课本。带状线传输中等功率，设计合理时也可传输较大功带状线传输中等功率，设计合理时也可传输较大功率。率。一一 带状线带状线 二二 微带线微带线 图图2.52(1)种类和结构种类和结构 二二 微带线微带线 优点：体积小、重量轻、频带宽、可集成化；优点：体积小、重量轻、频带宽、可集成化；缺点：损耗大，效率低，功率容量低。缺点：损耗大，效率低，功率容量低。二二 微带线微带线 二二 微

7、带线微带线 图图2.53 微带线的演变过程微带线的演变过程二二 微带线微带线 图图2.53 微带线微带线 为了减少辐射损耗，通常还将微带线装入金属屏蔽盒为了减少辐射损耗，通常还将微带线装入金属屏蔽盒中，这样就可以使微带线的辐射损耗进一步减少。中，这样就可以使微带线的辐射损耗进一步减少。 微带线是由沉积在介质基片上的金属导体带条和接地微带线是由沉积在介质基片上的金属导体带条和接地板构成。板构成。 常用的介质基片材料是常用的介质基片材料是 99% Al2O3 瓷、石英蓝宝石或瓷、石英蓝宝石或聚四氟乙烯、玻璃纤维等低损耗介质，接地板和导体带条聚四氟乙烯、玻璃纤维等低损耗介质，接地板和导体带条常用铜等

8、良导体做成。常用铜等良导体做成。微带线的主要特性微带线的主要特性二二 微带线微带线 微带线虽是双导体传输线，又可视为双线演变而来。微带线虽是双导体传输线，又可视为双线演变而来。但它的主模并不是但它的主模并不是TEM模，这是由于微带线中填充有两模，这是由于微带线中填充有两种介质种介质(基片与空气介质基片与空气介质)，属于分区填充介质的导波系统。，属于分区填充介质的导波系统。TEM波不能满足介质基片与空气分界面上的波不能满足介质基片与空气分界面上的边界条件边界条件。要满足微带线的边界条件，要满足微带线的边界条件，场必须有纵向分量场必须有纵向分量。即。即Ez、Hz不全为零或都不为零不全为零或都不为零

9、(证明见附录证明见附录VIII)。但是由于实际。但是由于实际微带线的场主要集中在介质中，空气中的场较弱，因此微带线的场主要集中在介质中，空气中的场较弱，因此电磁场纵向分量很小。对于这种具有很小纵向分量的波，电磁场纵向分量很小。对于这种具有很小纵向分量的波，因与因与TEM波差别甚小而称为准波差别甚小而称为准TEM波。微带线的主模就波。微带线的主模就是是准准TEM模模。试证明在均匀各向同性无耗微带电路中，其试证明在均匀各向同性无耗微带电路中，其传输主模式为准传输主模式为准TEM模模证明：设微带电路的传播方向为证明：设微带电路的传播方向为z向，在空气和介向，在空气和介质贩交界面上有：质贩交界面上有：

10、切向电场切向电场 ， (a)法向电场法向电场 (b)切向磁场切向磁场 , (c)法向磁场法向磁场 (d)其中带撇的表示界面的介质一侧的场量，不带撇其中带撇的表示界面的介质一侧的场量，不带撇的表示界面两侧的空气一侧的场量。界面两侧的的表示界面两侧的空气一侧的场量。界面两侧的电磁场当然满足麦克斯韦方程，电磁场当然满足麦克斯韦方程，zzEExxEEryyEExxHHzzHH) 1(rYyHH 介质中介质中 空气中空气中 分别对以上两边取分别对以上两边取x分量，则得到分量，则得到 在界面上利用边界条件在界面上利用边界条件(a),于是有于是有 (e)0EjHrEjH0XryZEjzHyH)()(0 xy

11、ZEjzHyH0)()()()()()(zHyHzHyHyZryZ 再利用边界条件再利用边界条件(d),并注意到对于相位常数并注意到对于相位常数为为 的单模导行波有的单模导行波有 把这些关系代入式把这些关系代入式(e),整理后可得整理后可得 (f)这是介质界面两侧的磁场所必须满足的关系。由这是介质界面两侧的磁场所必须满足的关系。由于在介质于在介质-空气交界面上，垂直于界面的磁场分量空气交界面上，垂直于界面的磁场分量Hy不可能处处为零，而且介质片的不可能处处为零，而且介质片的 ，故式，故式(f)的右边不等于零；由此推出其左边也一定不等于的右边不等于零；由此推出其左边也一定不等于零，这就证明了必定

12、有磁场的纵向分量存在。零，这就证明了必定有磁场的纵向分量存在。yyHjzHyyyHjHjzH()()(1)ZZrryHHjHyy 1r 同理可得到同理可得到 (g)因此只要垂直于界面的电场分量不处处为零，则必然因此只要垂直于界面的电场分量不处处为零，则必然存在电场的纵向分量。存在电场的纵向分量。 这样我们就一般地证明了微带中的任何导行波必这样我们就一般地证明了微带中的任何导行波必定有纵向场分量。换句话说，纯的定有纵向场分量。换句话说，纯的TEM波是不可能在波是不可能在微带中单独存在的。这个结论是严格推理的结果，是微带中单独存在的。这个结论是严格推理的结果，是无可怀疑的。由以上分析可以看出，微带

13、中的模式非无可怀疑的。由以上分析可以看出，微带中的模式非TEM波，是由空气介质面处的边缘分量波，是由空气介质面处的边缘分量Ez和和Hz引起的，引起的，与导体下的横向场分量相比，纵向场分量很小，所以与导体下的横向场分量相比，纵向场分量很小，所以微带中的主模式称为准微带中的主模式称为准TEM模。这种模式实际上是一模。这种模式实际上是一种混合模式种混合模式 。yrZZEjyEyE)11 ()()(微带线的主要特性微带线的主要特性微带线的主模：微带线的主模：准准TEM模模。二二 微带线微带线 微带线中的高次模有两种：微带线中的高次模有两种：波导模和表面波模波导模和表面波模。 波导模是指在波导模是指在金

14、属导带与接地板之间金属导带与接地板之间构成有限宽度构成有限宽度的平板波导中存在的的平板波导中存在的TE、TM模。平板波导的最低模。平板波导的最低TE模模和和TM模是模是TE10模、模、TM01模模。10TE2crW(2.201a)图图2.54 考虑到导带两边的边缘效应，上式修正为考虑到导带两边的边缘效应，上式修正为10TE20.8crWh(2.201b)二二 微带线微带线 (2.202)01TM2crh二二 微带线微带线 图图2.55由此可见，要抑制微带线中的波导模，需满足条件由此可见，要抑制微带线中的波导模，需满足条件min20.82rrWhh(2.205) 表面波模表面波模0TMc 1TE

15、41crh(2.203)(2.204)二二 微带线微带线 min41rh(2.206)(2.207)故微带线的单模工作条件常取为故微带线的单模工作条件常取为min20.841rrWhh微带线的主要特性参量微带线的主要特性参量1.微带线上导波的相速微带线上导波的相速 vpprcvc(2.207)二二 微带线微带线 111pvLC(2.211)00111cL C(2.212)011LL1 21 21110122110111112rrerrhWhqW 1 2110112hqW101eCC于是于是有效介电常数有效介电常数可以通过可以通过C1和和 来求得来求得01C式中式中二二 微带线微带线 00rAA

16、qqACdd 0011erAAqdd(2.216)二二 微带线微带线 图图2.56e图图2.57(a)11erq 从而从而(1) (1)erq 二二 微带线微带线 WWW1 2W h时21lnhWtt1 2W h时41lntWWt二二 微带线微带线 (2.217)2.微带线的波导波长和特性抗微带线的波导波长和特性抗(2.219)0ge011ccpeZZv C(2.218)0011cZcC(2.220)二二 微带线微带线 惠勒惠勒导出的导出的零厚度零厚度真实微带线特性阻抗近似公式为真实微带线特性阻抗近似公式为2W h 的的窄窄微带线微带线2W h 211600.4410.08222rrcrrrW

17、Zh 11.45ln0.942Wh2128111460lnlnln132212rcrrrhWZWh上式的误差约上式的误差约1 1。当。当 时，将式中时，将式中W改用改用 代入。其中代入。其中W由式由式(2.217)计算。计算。0t WWW(2.221a)(2.221b)二二 微带线微带线 的宽微带线的宽微带线(2.221c)惠勒还给出了惠勒还给出了宽、窄宽、窄微带线通用的近似式为微带线通用的近似式为式中式中此式误差小于此式误差小于2。 2242.44ln 11crhZAABW148411rhAWWWB W112rB2241 ln11.1tWt hW t二二 微带线微带线 3.微带线的衰减微带线

18、的衰减 一般情况下，微带线的衰减包括导体、介质和辐射一般情况下，微带线的衰减包括导体、介质和辐射引起的衰减三部分。即引起的衰减三部分。即cdr二二 微带线微带线 微带线是开放性结构，容易产生辐射。但实际上因微带线是开放性结构，容易产生辐射。但实际上因介质基片很大，只要选择尺寸合适，辐射仍是很小的，介质基片很大，只要选择尺寸合适，辐射仍是很小的，仍可略去不计，故只考虑导体和介质衰减。仍可略去不计，故只考虑导体和介质衰减。 微带线因是部分填充介质，故介质衰减应比全填充微带线因是部分填充介质，故介质衰减应比全填充介质情况的小。介质情况的小。 高、低阻抗低通滤波器高、低阻抗低通滤波器 11sinsin

19、22gHCHgHckcLkkCHLZlgZZ二二 微带线微带线 4.平行耦合微带线平行耦合微带线(补充补充)图图 耦合微带线结构示意图耦合微带线结构示意图准准TEM模模耦合微带线主要用于耦合器和滤波器耦合微带线主要用于耦合器和滤波器二二 微带线微带线 微带滤波器的设计微带滤波器的设计(补充补充)平行耦合线平行耦合线带通滤波器的设计带通滤波器的设计下图是一个微带带通滤波器及其等效电路，它由平行的耦下图是一个微带带通滤波器及其等效电路，它由平行的耦合线节相连组成，并且是左右对称的，每一个耦合线节长合线节相连组成，并且是左右对称的，每一个耦合线节长度约为度约为四分之一波长四分之一波长(对中心频率而言

20、对中心频率而言)，构成谐振电路。，构成谐振电路。等效电路等效电路三三 共面传输线共面传输线( (共面波导共面波导) )介质基片采用介质基片采用高介电常数高介电常数介质以保证波导波长介质以保证波导波长g小于小于自由空间电磁波的波长自由空间电磁波的波长0，从而使场集中在介质与空气的，从而使场集中在介质与空气的分界面附近。分界面附近。三三 共面传输线共面传输线图图2.59(一一)工作模式工作模式工作模式是工作模式是准准TEM模模。三三 共面传输线共面传输线图图2.59极化极化(2.224)1.相速相速vp (2.225)从而从而pevc1 2er211 2prrccv三三 共面传输线共面传输线(二二

21、)主要特性参量主要特性参量(2.224)2.波导波长波导波长g (2.227)0ge3.特性阻抗特性阻抗Zc11cpZv C 1021rK kCK k 02 21crK kZcK k(2.226)三三 共面传输线共面传输线k是是a、b的函数。的函数。图图2.60三三 共面传输线共面传输线四四 槽线槽线图图2.61四四 槽线槽线(一一)槽线的槽线的工作模式工作模式槽线工作在槽线工作在非非TEM波波。四四 槽线槽线 槽线中传输的不是槽线中传输的不是TEM模，也不是准模，也不是准TEM模，而是一模，而是一种种波导模波导模，该波导模无截止频率，但具有色散特性。，该波导模无截止频率，但具有色散特性。(二二)槽线的槽线的特性参量特性参量四四 槽线槽线(2.228)1.槽线波长槽线波长 式中式中 为等效介电常数，为等效介电常数，r为介质基片的相对为介质基片的相对介电常数。介电常数。0ge1 2er2.槽线特性阻抗槽线特性阻抗0cceZZ(2.229)00201120ln 2188.5130ln 21.885cccA WZA WZA WZ(2.230)式中式中A为槽线总宽度，为槽线总宽度，W为槽宽。为槽宽。四四 槽线槽线图图2.62槽线特性阻抗槽线特性阻抗Zc与与W/A的关系曲线如图的关系曲线如图2.62所示。所示。四四 槽线槽线共面传