第一章+传输线和集总参数元件

1、传输线和集总参数元件传输线和集总参数元件金属导线的射频特性金属导线的射频特性在射频在射频/ /微波范围内微波范围内, , 金属导线不仅具有自金属导线不仅具有自身的电阻和电感或电容身的电阻和电感或电容, ,而且还是频率的函数。而且还是频率的函数。寄生参数对电路工作性能的影响十分明显。寄生参数对电路工作性能的影响十分明显。直流电阻直流电阻及其电流密度及其电流密度2alRdc（1-1）20aIJz（1-2）传输线和集总参数元件传输线和集总参数元件在交流状态下在交流状态下, ,有有“集肤效应集肤效应”；在射频；在射频（f500MHzf500MHz）范围此导线相对于直流状态的电阻）范围此导线相对于直流状

2、态的电阻和电感可分别表示为和电感可分别表示为22aRLaRRdcdc（1-3a）（1-3b）一般在一般在a条件下成立条件下成立传输线和集总参数元件传输线和集总参数元件 =(f)-1/2（1-4）定义为定义为“集肤深度集肤深度”。 集肤深度与频率之间满足平方反比关系集肤深度与频率之间满足平方反比关系, ,随着随着频率的升高频率的升高, ,集肤深度按平方率减小。集肤深度按平方率减小。电流密度为电流密度为)()(210paJprJapIJz（1-5）p2=-j。传输线和集总参数元件传输线和集总参数元件图图1-1交流状态下铜导线横截面电流密度对直流情况的交流状态下铜导线横截面电流密度对直流情况的归一化

3、值归一化值传输线和集总参数元件传输线和集总参数元件 金属导线本身有一定的电感量金属导线本身有一定的电感量, ,这个电感在射频这个电感在射频/ /微微波电路中波电路中, ,会影响电路的工作性能。电感值与导线的长会影响电路的工作性能。电感值与导线的长度、形状和工作频率有关。度、形状和工作频率有关。金属导线还可以看作一个电极金属导线还可以看作一个电极, ,它与地线或其他电它与地线或其他电子元件之间存在一定的电容量子元件之间存在一定的电容量, ,这个电容对射频这个电容对射频/ /微波微波电路的工作性能也有较大的影响。电路的工作性能也有较大的影响。传输线和集总参数元件传输线和集总参数元件 集中参数元件尺

4、寸小、价格低，可实现宽带，这些集中参数元件尺寸小、价格低，可实现宽带，这些优点特适合优点特适合HMICHMIC和和MMICMMIC，目前应用可达，目前应用可达60GHz60GHz以上。以上。集总参数元件的射频特性集总参数元件的射频特性 在微波频段，集中参数元件可看作一段很小的在微波频段，集中参数元件可看作一段很小的TEMTEM传传输线来设计，设计时需要考虑综合一些数学模型，建立输线来设计，设计时需要考虑综合一些数学模型，建立模型时需考虑接地面的存在、邻近效应、边缘场、寄生模型时需考虑接地面的存在、邻近效应、边缘场、寄生参数等。参数等。传输线和集总参数元件传输线和集总参数元件电阻电阻基本功能是将

5、电能转换成热产生电压降。基本功能是将电能转换成热产生电压降。电子电路中电子电路中, ,一个或多个电阻可构成降压或分压一个或多个电阻可构成降压或分压电路用于器件的直流偏置电路用于器件的直流偏置, ,也可用作直流或射频电也可用作直流或射频电路的负载电阻完成某些特定功能。通常有：路的负载电阻完成某些特定功能。通常有： 高密度碳介质合成电阻、镍或其他材料的线绕高密度碳介质合成电阻、镍或其他材料的线绕电阻、温度稳定材料的金属膜电阻和铝或铍基材料电阻、温度稳定材料的金属膜电阻和铝或铍基材料薄膜片电阻。薄膜片电阻。在射频在射频/ /微波电子电路中使用最多的是薄膜片电微波电子电路中使用最多的是薄膜片电阻阻,

6、,一般使用表面贴装元件（一般使用表面贴装元件（SMDSMD）。）。传输线和集总参数元件传输线和集总参数元件所希望使用的薄膜电阻特性是：所希望使用的薄膜电阻特性是：稳定性好的电阻值，不随时间变化；稳定性好的电阻值，不随时间变化； 低的电阻温度系数（低的电阻温度系数（TCRTCR）；）； 足够的散热能力；足够的散热能力； 寄生参量足够小；寄生参量足够小； 最大长度小于最大长度小于0.10.1，使得传输线效应可以忽略。，使得传输线效应可以忽略。 传输线和集总参数元件传输线和集总参数元件物质的电阻的大小与物质内部电子和空穴物质的电阻的大小与物质内部电子和空穴的迁移率有关。从外部看的迁移率有关。从外部看

7、, , 定义薄片电阻定义薄片电阻 , ,则则 WHLR(1-6a)HRh1WLRRh(1-6b)传输线和集总参数元件传输线和集总参数元件LWH图图1-3物质的体电阻物质的体电阻图图1-4电阻的等效电路电阻的等效电路RCaLLCb图图1-5线绕电阻的等效电路线绕电阻的等效电路RC1L2L2C2L1传输线和集总参数元件传输线和集总参数元件图图1-6 1-6 电阻的阻抗绝对值与频率的关系电阻的阻抗绝对值与频率的关系103102101100101102103106107108109101010111012理想电阻电容效应电感效应f / Hz| Z | /电阻及其寄生电容和电感在高频上随频率变化，是所有

8、电阻及其寄生电容和电感在高频上随频率变化，是所有电阻器的一个共同问题电阻器的一个共同问题传输线和集总参数元件传输线和集总参数元件电容电容在低频率下在低频率下, ,电容器的电容量定义为电容器的电容量定义为在射频在射频/ /微波频率下微波频率下, ,实际的介质内部存在传导电实际的介质内部存在传导电流流, ,也就存在相应的损耗也就存在相应的损耗, , 介质中的带电粒子还有一介质中的带电粒子还有一定的质量和惯性定的质量和惯性, ,在电磁场的作用下在电磁场的作用下, ,很难随之同步很难随之同步振荡振荡, ,在时间上有滞后现象在时间上有滞后现象, ,也会引起能量的损耗也会引起能量的损耗。dAdACr0传输

9、线和集总参数元件传输线和集总参数元件所以所以在射频在射频/ /微波应用中微波应用中, ,还要考虑引线电感还要考虑引线电感L L以及引以及引线导体损耗的串联电阻线导体损耗的串联电阻R Rg g和介质损耗电阻和介质损耗电阻Re。CjGZe1（1-8）dAGde（1-9）传输线和集总参数元件传输线和集总参数元件平面式电容器由金属平面式电容器由金属-绝缘体绝缘体-金属结构组成，氮化金属结构组成，氮化硅、氧化硅和聚酰亚胺是其经常使用的绝缘体。硅、氧化硅和聚酰亚胺是其经常使用的绝缘体。传输线和集总参数元件传输线和集总参数元件交指型电容器交指型电容器r121(pF)(3)Cl NAAw图图1-7射频电容的等

10、效电路射频电容的等效电路CLReRg传输线和集总参数元件传输线和集总参数元件交指型电容器交指型电容器交指型电容器的最大电容值受限于物理尺寸，其最交指型电容器的最大电容值受限于物理尺寸，其最大可工作的频率受限于指间的分布特性。大可工作的频率受限于指间的分布特性。交指型电容器特别适合于用做调谐、耦合和匹配元交指型电容器特别适合于用做调谐、耦合和匹配元件，这些场合要求电容量小、量值精确的电容器。件，这些场合要求电容量小、量值精确的电容器。交指型电容器和平面式电容器（金属交指型电容器和平面式电容器（金属-绝缘体绝缘体-金属金属（MIM）电容器）两者都能用于射频集成电路中。）电容器）两者都能用于射频集成

11、电路中。平面式电容器在实现大容量值的隔直流模块和去耦电平面式电容器在实现大容量值的隔直流模块和去耦电路时需特别注意功率容量路时需特别注意功率容量。传输线和集总参数元件传输线和集总参数元件图图1-8 1-8 电容阻抗的绝对值与频率的关系电容阻抗的绝对值与频率的关系1021011f / Hz| Z | /1011001011021091010108理想电容实际电容注：也可用一段很短的开路传输线来模拟电容器注：也可用一段很短的开路传输线来模拟电容器传输线和集总参数元件传输线和集总参数元件电感电感常用的电感器一般是线圈结构常用的电感器一般是线圈结构, ,在高频率也称为高频在高频率也称为高频扼流圈，其结

12、构一般是用直导线沿柱状结构缠绕而成。扼流圈，其结构一般是用直导线沿柱状结构缠绕而成。图图1-9 1-9 在电感线圈中的分布电容和串联电阻在电感线圈中的分布电容和串联电阻RdCdRd注：一段很短的短路传输线也可用来模拟电感器注：一段很短的短路传输线也可用来模拟电感器传输线和集总参数元件传输线和集总参数元件导线的缠绕构成电感的主要部分导线的缠绕构成电感的主要部分,而导线本身的电感可而导线本身的电感可以忽略不计，细长螺线管的电感量为以忽略不计，细长螺线管的电感量为（1-10）在考虑了寄生旁路电容在考虑了寄生旁路电容Cs以及引线导体损耗的串联电以及引线导体损耗的串联电阻阻Rs后，电感的等效电路如图后，

13、电感的等效电路如图1-10所示。所示。lNrL202图图1-10 1-10 高频电感的等效电路高频电感的等效电路LRsCs传输线和集总参数元件传输线和集总参数元件图图1-11 1-11 电感阻抗的绝对值与频率的关系电感阻抗的绝对值与频率的关系f / Hz| Z | /1051010理想电感1041031021011081091011实际电感铜电感线圈的高频特铜电感线圈的高频特性：在谐振点之前阻抗升性：在谐振点之前阻抗升高很快高很快,而在谐振点之后而在谐振点之后,由于寄生电容由于寄生电容Cs的影响已的影响已经逐步处于优势地位而逐经逐步处于优势地位而逐渐减小。渐减小。传输线和集总参数元件传输线和集

14、总参数元件射频射频/微波集成电路电感器可分为：微波集成电路电感器可分为：（1）带状电感器）带状电感器（2）单圈环形电感器）单圈环形电感器（3）多匝螺旋电感器）多匝螺旋电感器传输线和集总参数元件传输线和集总参数元件知识回顾知识回顾 传输线基本理论传输线基本理论 zzz zZ1ZgEg0lzu(z z,t)i(z z,t)RzL zC zG zu(z,t)zi(z,t)(a)(b)(c)(d )传输线和集总参数元件传输线和集总参数元件jCjGLjR)(1-13)当当R=G=0时时,传输线没有损耗传输线没有损耗,无耗传输线的传输常无耗传输线的传输常数数及特性阻抗及特性阻抗Z0分别为分别为CjGLjR

15、CjGIUIUZ0CLZLCjj0传输线和集总参数元件传输线和集总参数元件定义为传输线的衰减常数定义为传输线的衰减常数: :)(21)(200GZRYCGLRLC定义为相移常数：定义为相移常数：LCpv波长波长02prvf相速度相速度10001tan()( )tan()inZjZzZzZZjZz输入阻抗输入阻抗传输线和集总参数元件传输线和集总参数元件 20 0,1,2,2( ) 21 0,1,2,4inLinLZzZznnZZzznnZ1.1.传输线上距负载为半波长整数倍的各点的输传输线上距负载为半波长整数倍的各点的输入阻抗等于负载阻抗；入阻抗等于负载阻抗；2.2.距负载为四分之一波长奇数倍的

16、各点的输入距负载为四分之一波长奇数倍的各点的输入阻抗等于特性阻抗的平方与负载阻抗的比值；阻抗等于特性阻抗的平方与负载阻抗的比值；传输线和集总参数元件传输线和集总参数元件反射系数反射系数221010( )jzjzlZZzeeZZ 为终端反射系数为终端反射系数1010ljllZZeZZ 输入阻抗与反射系数的关系输入阻抗与反射系数的关系00( )( )( )ininZzZzZzZ驻波比驻波比maxminUU1111 驻波比与反射系数的关系驻波比与反射系数的关系传输线和集总参数元件传输线和集总参数元件史密斯圆图史密斯圆图 史密斯圆图是将归一化阻抗（史密斯圆图是将归一化阻抗（Z=r+jxZ=r+jx）的

17、复数）的复数半平面（半平面（r0r0）变换到反射系数复数平面上。）变换到反射系数复数平面上。 将等电阻圆和等电抗圆两组圆图重叠起来就是阻将等电阻圆和等电抗圆两组圆图重叠起来就是阻抗圆图。阻抗圆图内任一点的阻抗值及其对应的反射抗圆图。阻抗圆图内任一点的阻抗值及其对应的反射系数可以读出。依同样的方法系数可以读出。依同样的方法, ,也可得出导纳圆图。也可得出导纳圆图。传输线和集总参数元件传输线和集总参数元件传输线和集总参数元件传输线和集总参数元件特点特点特殊点特殊点位置位置| |VSWRrx l匹配点匹配点中心（中心（0,0）0110开路点开路点（1,0）1 0短路点短路点（-1,0）1 00 传输

18、线和集总参数元件传输线和集总参数元件特点特点圆图上有三条特殊轨迹圆图上有三条特殊轨迹实轴对应纯电阻轨迹，即实轴对应纯电阻轨迹，即x0。正实轴正实轴OD直线为电压波腹点（电流波节点）直线为电压波腹点（电流波节点）的轨迹，且归一化电阻等于驻波系数；的轨迹，且归一化电阻等于驻波系数；负实轴负实轴OC直线为电压波节点（电流波腹点）直线为电压波节点（电流波腹点）的轨迹，且归一化电阻等于行波系数；的轨迹，且归一化电阻等于行波系数；最外圆为纯电抗圆，即最外圆为纯电抗圆，即| |=1的全反射圆的全反射圆传输线和集总参数元件传输线和集总参数元件阻抗圆图阻抗圆图-特点特点圆图上有两个特殊的面圆图上有两个特殊的面圆

19、图的上半平面圆图的上半平面x0，感性电抗的轨迹，感性电抗的轨迹圆图的下半平面圆图的下半平面x0，容性电抗的轨迹，容性电抗的轨迹两个旋转方向两个旋转方向顺时针向波源顺时针向波源逆时针向负载逆时针向负载传输线和集总参数元件传输线和集总参数元件阻抗圆图阻抗圆图-特点特点Smith圆图可以直接提供如下信息圆图可以直接提供如下信息直接给出归一化输入阻抗值直接给出归一化输入阻抗值zin，乘以特性阻，乘以特性阻抗即为实际值；抗即为实际值；直接给出反射系数的模值直接给出反射系数的模值| |及其相位；及其相位；根据反射系数模值计算出驻波系数的值根据反射系数模值计算出驻波系数的值传输线和集总参数元件传输线和集总参

20、数元件平面传输线的特性平面传输线的特性 对于适合在微波集成电路中作为电路元件的传输线对于适合在微波集成电路中作为电路元件的传输线结构，主要要求之一是这种结构应是结构，主要要求之一是这种结构应是“平面平面”的，即电的，即电路的特性可以由单一平面内的结构和尺寸来决定。可在路的特性可以由单一平面内的结构和尺寸来决定。可在MICMIC中使用的各种形式的平面传输线中，带状线、微带中使用的各种形式的平面传输线中，带状线、微带线、悬置（倒置）微带线、槽线、共面波导和共面带状线、悬置（倒置）微带线、槽线、共面波导和共面带状线是有代表性的几种。线是有代表性的几种。传输线和集总参数元件传输线和集总参数元件常用射频

21、常用射频/ /微波传输线微波传输线同 轴 线微 带 线带 状 线共 面 波 导缝 隙 线悬 置 微 带 线矩 形 波 导圆 波 导鳍 线介 质 波 导传输线和集总参数元件传输线和集总参数元件微带线微带线微带线是一种准微带线是一种准TEMTEM波传输线，结构简单波传输线，结构简单, , 工程效果佳工程效果佳, ,便于器件的安装和电路调试便于器件的安装和电路调试, ,产品化程度高产品化程度高, , 已成为射频已成为射频/ /微微波电路中首选的电路结构。波电路中首选的电路结构。1.微带线基本设计参数微带线基本设计参数（1）基板参数）基板参数:基板介电常数基板介电常数r、基板介质损耗角正切、基板介质损

22、耗角正切tan、基板高度基板高度h和导线厚度和导线厚度t。导带和底板（接地板）金属通常为。导带和底板（接地板）金属通常为铜、铜、金、金、银、银、锡或铝。锡或铝。（2）电特性参数）电特性参数:特性阻抗特性阻抗Z0、工作频率、工作频率f0、工作波长、工作波长0、波导、波导波长波长g和电长度（角度）和电长度（角度）。（3）微带线参数：宽度）微带线参数：宽度W、长度长度L和单位长度衰减量和单位长度衰减量AdB。传输线和集总参数元件传输线和集总参数元件xyrr导 体 1Wht介 质 材 料导 体 2O x y hzEH接地导体介质带状导体传输线和集总参数元件传输线和集总参数元件2. 2. 微带线的设计方

23、法微带线的设计方法微带线设计的实质就是求给定介质基板情况下阻抗与导微带线设计的实质就是求给定介质基板情况下阻抗与导带宽度的对应关系。目前使用的方法主要有：带宽度的对应关系。目前使用的方法主要有：（1 1）查表格。）查表格。用法步骤是：用法步骤是： 按相对介电常数选表格；按相对介电常数选表格； 查阻抗查阻抗值、宽高比值、宽高比W/hW/h、有效介电常数、有效介电常数e e三者的对应关系；三者的对应关系； 计计算算, ,通常通常h h已知已知, ,则则W W可得可得, ,由由e e求出波导波长求出波导波长, ,进而求出微带进而求出微带线长度。线长度。（2 2）用软件。）用软件。 仿真软件仿真软件A

24、WRAWR的的Microwave OfficeMicrowave Office，Agilent ADSAgilent ADS，CSTCST，HFSSHFSS，Ansot DesignerAnsot Designer 数学计算软件数学计算软件matlab传输线和集总参数元件传输线和集总参数元件3. 3. 微带线常用材料微带线常用材料1 1） 介质材料介质材料高速传送信号的基板材料一般有陶瓷材料、玻纤布、高速传送信号的基板材料一般有陶瓷材料、玻纤布、 聚四氟乙烯、其他热固性树脂等。聚四氟乙烯、其他热固性树脂等。2 2） 铜箔种类及厚度选择铜箔种类及厚度选择3 3） 环境适应性选择环境适应性选择与电

25、解铜箔相比，压延铜箔更适合于制造高精密图形与电解铜箔相比，压延铜箔更适合于制造高精密图形湿度和通孔对基板选择的影响湿度和通孔对基板选择的影响传输线和集总参数元件传输线和集总参数元件表表1-2覆铜板基材的国内外主要生产厂家覆铜板基材的国内外主要生产厂家传输线和集总参数元件传输线和集总参数元件3. 3. 微带线的局限微带线的局限最高工作频率受许多因素限制，譬如寄生模的激励、较最高工作频率受许多因素限制，譬如寄生模的激励、较高的损耗、严格的制造公差、处理过程中的脆性、显著的高的损耗、严格的制造公差、处理过程中的脆性、显著的不连续效应、不连续处的辐射引起低的不连续效应、不连续处的辐射引起低的Q Q值。

26、值。 基板最大厚度受微带线不连续处高辐射损耗的限制，譬基板最大厚度受微带线不连续处高辐射损耗的限制，譬如开路端、间隙、裂缝、宽度裂变、拐弯等不连续点。如开路端、间隙、裂缝、宽度裂变、拐弯等不连续点。传输线和集总参数元件传输线和集总参数元件悬置微带线与倒置微带线悬置微带线与倒置微带线比微带线有更高的比微带线有更高的Q Q值，可以实现很宽范围内的阻抗值，值，可以实现很宽范围内的阻抗值，特别适用于滤波器。特别适用于滤波器。传输线和集总参数元件传输线和集总参数元件共面波导（共面波导（CPW）和共面带状线（）和共面带状线（CPS）两种结构互补，无论安装并联还是串联的有源或无两种结构互补，无论安装并联还是

27、串联的有源或无源元件都很方便，无需开孔和开槽。源元件都很方便，无需开孔和开槽。传输线和集总参数元件传输线和集总参数元件带状线带状线TEMTEM波为其主模波为其主模, ,性能更好，结构稍为复杂。性能更好，结构稍为复杂。槽线槽线传播模式基本是横电波（传播模式基本是横电波（TE），适用于高阻），适用于高阻抗线、串联短线、短路电路。抗线、串联短线、短路电路。传输线和集总参数元件传输线和集总参数元件耦合线耦合线由彼此平行放得由彼此平行放得非常近的两根传输线非常近的两根传输线构成，在定向耦合器、构成，在定向耦合器、滤波器、移相器、对滤波器、移相器、对称称不对称变换器等不对称变换器等多种电路中广泛用作多种电路中广泛用作基本元件。基本元件。宽边耦合带状线宽边耦合带状线广泛应用于紧耦合的广泛应用于紧耦合的场合。场合。传输线和集总参数元件传输线和集总参数元件不连续性不连续性传输线和集总参数元件传输线和集总参数元件不连续性对电路的影响不连续性对电路的影响窄带电路中频率偏移窄带电路中频率偏移输入输出电压驻波比变差输入输出电压驻波比变差宽带电路指标较大起伏宽带电路指标较大起伏多功能电路中接口问题多功能电路中接口问题由于电路性能变坏使成品率降低由于电路性能