第2章毫米波传输线20140222-平面传输线

1、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

2、）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平面传输线材料名称表面粗糙度（um）10GHz时的损耗正切（10-4）介电常数导热率（W/cm）应用与特点聚四氟乙烯纤维加强板10152.52.8厘米波段MIC价格低，加工容易氧化铝99%2152599.50.3厘米至毫米波段蓝宝石0.51199.50.4毫米波MIC高介陶瓷1220800.010.05用于小尺寸电路Duroid2.24.0毫米波MIC石英0.10.513.

3、80.01毫米波MIC，但易碎氧化铍21016.62.5导热好，用于功率器件硅110100121.5MMIC砷化镓1612.90.46MMIC磷化铟140.68MMIC碳化硅103.3MMIC2.2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平面传输线薄膜工艺厚膜工艺精度高，1%较低，10%镀层材料材料稳定度高易受浆料影响镀层表面表面平整度高，误差0.3m较差，误差3m设备成本高成本低镀层附着性无需高温烧结，不含氧化物、附

4、着性好易受基板材质影响电路对准使用曝光显影，对准性高易受丝网张力及使用次数影响，对准性较差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平面传输线材料 表面电阻率(f单位:Hz)趋肤深度2GHz（m）热膨胀系数（10-8/）与介质附着力工艺方法银（Ag）2.51.421差蒸发铜（Cu）2.61.518差电镀/蒸发/淀积金（Au）3.01.715差电镀/蒸发铝（Al）3.31.926差蒸发铬（Cr）4.72.79好蒸发钯（pd）3.611中蒸发/电镀/溅射钽(Ta)7.24.06.6好溅时2.2平面

5、传输线2.2平面传输线薄膜工艺制备过程：基片处理研磨抛光镀膜金属层减薄版图制作图形放大照相制版光刻腐蚀甩胶曝光腐蚀接地/电镀接地金属化电镀防护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， Grieg and Engelmann，首次发表关于微带线的报道，“Microstrip-A New Transmission Technique for the Klilomegacycle Rang

6、e”，IRE proceeding。1955年， ITT Ferearl Telecommunications Laboratories（New Jersey）, 报道了多篇关于微带线的报道，IEEE transactions on Microwave Theory and Technique.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， Grieg and Engelmann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；19

7、71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

8、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fre,Zc23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

9、合)2.2.1 微带线24Bahl 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,hre,Zc2.2.1 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

10、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2 r 6、w/h1.25和0.1t/w5h，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ffd时，色散效应可以忽略。例 采用相对介电常数为2.2

11、，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Rogers RT/duroid 5880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

12、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

13、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

14、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j1E。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R0c趋肤深度c表面不平度c要求：1.表面粗糙度5趋附深度

15、。总损耗随基片厚度的变化情况f,r,hT2.2.1 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,rhopt（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

16、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(36)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)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导的场强示意图准TEM模传输截止频率