微波技术基础第10次课.ppt

1、微波技术基础,徐锐敏 教授 电子科技大学电子工程学院 地点：清水河校区科研楼C309 电话：61830173 电邮：,微波集成传输线 一方面要求不断拓宽频谱范围，向毫米波和亚毫米波波段发展；另一方面随着空间电子技术的发展，对微波设备的小型化、可靠性等提出了新的要求微波集成电路电子电路发展趋势（电子电路集成电路） 微波集成电路首先需解决微波集成传输线 常见的微波集成传输线如带状线、耦合带状线、微带线、耦合微带线、槽线、共面线和鳍线 。,其它微波传输线简介,微波集成传输线带状线,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

2、介质或填充其它介质。故又称为三板线或夹心线。,微波集成传输线带状线,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。,主模及单模工作条件,带状线的主模为TEM模，第一高次模TE11模或TM10 模。,微波集成传输线带状线,标准场解可用复变函数中的保角变换，将同轴线变换为带状线。,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(36)W 和,带状线的最高工作频率取,微波集

3、成传输线带状线,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%。,微波集成传输线带状线,惠勒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%,式中,微波集成传输线带状线,2. 相速度和波导波长,为TEM波，与无界媒质中的电磁场相同,微波集成传输线带状线,3. 带状线功率容量,4. 衰减常数,微波集成传输线带状线,3.2 微带线 微带线可以看作由双线传输线演变而来。在两根导线之间插入极薄的理想导体平板，它并不影响原来的场分布，而后去掉板下的一根导线，并将留下的一根“压扁”，即构成了微带线。微

4、带线中的主模是准TEM模,微波集成传输线微带线,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。,微波集成传输线微带线,标准场解可用复变函数中的保角变换（许瓦之变换），将双线变换为微带线。,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,边缘修正,和,微波集成传输线微带线,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

5、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,微波集成传输线微带线,最后，抑制波导模和表面波，保证单模传输为,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,波导波长,re相对有效介电常数,微波集成传输线微带线,有效相对介电常数准TEM波引入的,或者,微波集成传输线微带线,特性阻抗,W/h2的宽微带线,W/h2的窄微带线,微波集成传输线微带线,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，线中损耗大大减小，具有比微带线更高的Q值，接近于无色

6、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。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,3.4 悬置微带线和倒置微带线,悬置微带线,倒置微带线,在和0.2 a / b 1，式（3-68）的精度在时优于1%；在时，精度优于2%,3.4 悬置微带线和倒置微带线,3.3 耦合带状线和耦合微带线,奇偶模方法采用奇模激励和偶模激励两种状态对它进行分析，其它的激励状态可看作是这两种状态的叠加。,奇模激励在耦合线的两个中心导体带上加的电压幅度相等，而相位相反 中心对称面为电壁 偶模激励在耦合线的两个中心导体带上加的电压

7、幅度相等，相位相同 中心对称面为磁壁,3.3 耦合带状线和耦合微带线,槽线属于分区填充介质的导波系统，非TEM模，即Ez和Hz都不为零，属于一种波导模 。便于安置固体器件 ，但难以得到低于60的特性阻抗 。,3.5槽线, re= ( r + 1) / 2,3.5槽线,微波集成传输线微带线,3.6 共面传输线,共面传输线分共面波导（CPW）、共面带线（CPS）。 明显优点是与有源器件和无源元件连接十分方便 。 工作模式非TEM模传播 便于MMIC,共面波导,微波集成传输线微带线,1、共面波导,3.6 共面传输线,共面带线,第一类完全椭圆函数、余函数,微波集成传输线微带线,3.6 共面传输线,2.

8、共面带线,式中,微波集成传输线微带线,3.7 鳍线,微波集成传输线微带线,安装在金属矩形波导E面上的平面电路，金属鳍印刷在介质基片上应用于毫米波频段。 工作模式为混合模，特性参量计算较为复杂，采用谱域法等数值方法。,3.7 鳍线,微波集成传输线微带线,集成传输线总结,微波集成传输线分析方法,分析方法有两类：解析方法和数值解法 目标，传输线的色散特性、特性阻抗和传播常数。 1、解析方法准静态法 把主模当成纯TEM分析，通过计算结构的静电容得出结果。包括：保角变换、变分法、有限差分和积分方程。准静态法在低频情况下完全能满足工程设计的需求。 2、数值方法全波分析法 考虑所有混合模式。积分方程方法，谱

9、域法，以及时域有限差分法（FDTD） 等，有限元法等。 全波分析方法更严格，可精确计算出与频率相关的参数。,微波集成传输线微带线,介质波导和光波导,当毫米波波段亚毫米波段太赫兹波段时 普通的微带线将出现一系列新问题 1）高次模的出现使微带的设计和使用复杂 2）金属波导的单模工作条件限制了其横向尺寸不能超过大约一个波长的范围。 这在厘米波段和毫米波低频段不成问题。但到毫米波高频段，单模波导的尺寸就显得太小，不仅制造工艺困难，而且随着工作频率的提高，功率容量越来越小，壁上损耗越来越大，衰减大到不能容忍的地步。因此，对毫米波段的高端及来说，封闭的金属波导已不再适用。于是，适合于毫米波高频段、亚毫米波

10、的传输线 介质波导等非封闭式的传输线（或称开波导）便应运而生,微波集成传输线微带线,矩形介质波导,介质镜像波导,隔离介质波导,倒置带状介质波导,圆柱介质波导,光纤,介质波导和光波导,微波集成传输线微带线,圆柱介质波导 要求,传输的电磁波为表面波，是混合模，Hz0和Ez0,分析方法与金属园波导一样，采用圆柱坐标系、纵向场法,介质波导和光波导,微波集成传输线微带线,在不同介质kc中取不同值,在介质柱内 ，区 在介质柱外 ，区 且,（沿r 方向为衰减场）,介质区中，场沿r 呈驻波分布 介质区中，场沿r 为指数衰减,圆柱介质波导内：和 圆柱介质波导外：和,介质波导和光波导,微波集成传输线微带线,通解,

11、第一、二类变形贝塞尔函数,将上述通解应用于讨论的实际情况，则有 （1）圆柱介质内部因中心轴处场应为有限值，故B10； （2）圆柱介质外部因无穷远处场应为0，故A20； （3）圆柱介质圆周方向上，场应为单值，故m为整数。 圆柱介质内部通常取B30的圆极化解（当然也可取cosm和sinn的线极化解）,介质波导和光波导,微波集成传输线微带线,圆柱介质内部（区） 圆柱介质外部 （区）,由横纵场关系，可对应求出圆柱介质内、外横向场分量,边界条件在ra 处 E0z1E0z2，E01E02，H0z1H0z2，H01H02,介质波导和光波导,微波集成传输线微带线,最后得圆柱介质波导导模的本征值方程 ，可确定各模式的横向场分布,四个齐次方程有解是系数行列式为零，得本征方程,介质波导和光波导,微波集成传输线微带线,圆柱介质波导可能存在得四种导模及本征方程,介质波导和光波导,微波集成传输线微带线,介质波导和光波导,得圆柱介质波导主模HE11得单模工作的频率范围为,主模HE11模，fc0。第一高次模为TM01和TE01模,微波集成传输线微带线,光波导 介质波导工作于光频范围时，通常称其为光波导 光纤 光纤典型的工作波长是0.751.6m，当波长为1.3m和1.55m时，光纤的衰减和色散都