微波技术基础_3_微波集成传输线

1、北京交通大学Beijing Jiaotong University微波技术基础微波技术基础 微波集成传输线微波集成传输线1北京交通大学Beijing Jiaotong University内容：介绍带状线、耦合带状线、微带、耦合微带线的主要特性，理解微带传输线的基本概念和性质，了解微带传输线设计方法。重点：微带线的传输模式和色散特性。难点：耦合带状线的主要特性。教学大纲2北京交通大学Beijing Jiaotong University3.1 带状传输线3.2 微带线3.3 耦合微带线3.4 共面波导内容提要3微波集成传输线北京交通大学Beijing Jiaotong University3.

2、1 带状传输线3.2 微带线3.3 耦合微带线3.4 共面波导微波集成传输线内容提要4北京交通大学Beijing Jiaotong University带状线的结构是由一条厚度为r，宽度为w的矩形截面的中心导带和上、下两块接地板构成。两接地板的距离为b。中心导带的周围媒质可以是空气或其它介质。带状线带状线结构图主模场结构5北京交通大学Beijing Jiaotong Universityn带状线(Stripline) 可以看作是同轴线的变形。把同轴线外导体分别向上下左右方向展平，再把内导体变成扁平带状，当中心导带距离左右两侧边距离足够远时，可去掉两侧边，即构成了带状线。在演变过程中场矢量分布在

3、其横截面而无纵向分量，因此带状线传输的主模仍是TEM模。带状线6北京交通大学Beijing Jiaotong University一、特性阻抗假设导体为理想导体，填充均匀、无耗、各向同性介质，带状线结构沿纵向均匀，横截面尺寸与工作波长相比很小，可采用静态场的分析方法求特性阻抗。CvZCLZpcc1或1pprcvvLC或L：带状线单位长度上的分布电感C：带状线单位长度上的分布电容vp：带状线中TEM模的传播速度。带状线7北京交通大学Beijing Jiaotong University 中心导带厚度为零时的特性阻抗导带的厚度 ，利用保角变换法可求得特性阻抗的精确表达式为：t 0 kKkKZrr3

4、00K()为第一类完全椭圆积分，k为模数，k为补模数。k与带状线的尺寸w和b有关。bwk2sech带状线21 kk8北京交通大学Beijing Jiaotong University二、相速度和波导波长带状线的主模为TEM模prcv波导波长为:rg00为自由空间中的波长带状线传播速度为:9北京交通大学Beijing Jiaotong University三、带状线的损耗和衰减带状线的辐射损耗忽略不计，损耗主要取决于导体（包括接地板）损耗和介质损耗。cd带状线导体的衰减常数cZR21c带状线介质的衰减常数cGZ21d：带状线的衰减常数带状线10北京交通大学Beijing Jiaotong Uni

5、versity四、带状线的功率容量带状线的传输功率受两个因素制约：介质本身的击穿强度（与峰值功率相对应）1. 介质本身所能承受的最高温升（与平均功率相对应）带状线难以传输较大功率，尤其在中心导带的棱角处最易发生电击穿。把棱角改为光滑的圆角以提高功率容量。带状线11北京交通大学Beijing Jiaotong University3.1 带状传输线3.2 微带线3.3 耦合微带线3.4 共面波导内容提要12微波集成传输线北京交通大学Beijing Jiaotong University带状线可以看成是由同轴线演变而成的，那么微带线则可看作是由平行双线演变而来的。13微带线北京交通大学Beijin

6、g Jiaotong University一、微带线中的模式微带线的介质中的场、空气中的场、1rHEHE介质与空气分界面处，电场强度、磁场强度的切向分量应该连续，即：xxzzEEEExxzzHHHH电位移矢量、磁感应强度的法向分量应该连续：yryyyEEHH14北京交通大学Beijing Jiaotong University得：yrzrzHjyHyH) 1(因为 Hy0，所以当 r1 时，等式右边不为零，因此左边也不等于零，即磁场纵向分量不为零。同理可知，电场纵向分量也不为零。利用边界条件求解方程组：EHEHrjj0015微带线北京交通大学Beijing Jiaotong Universit

7、y因此： 若导体带和接地板之间没有填充介质基片（即填充空气）或者整个微带线被一种均匀的介质全部包围，则TEM模为主模。 但实际上的微带线是制作在介质基片上的，虽然仍然是双导体系统，但由于存在空气和介质的分界面，而只能存在具有纵向场分量的TE模和TM模的混合模。0r16微带线北京交通大学Beijing Jiaotong University 在微波波段的低频端，这种混合模的纵向场分量很小，色散现象很弱，传输模式类似于TEM模，故称为准TEM模。 当工作频率提高后，微带线中除了传输TEM主模以外，还会出现高次模。随着频率的升高，准TEM模和纯TEM模之间的差别越大。微带线17北京交通大学Beiji

8、ng Jiaotong University引入一个相对的等效介电常数为 re ,其值介于1和 r 之间，用它来均匀填充微带线，构成等效微带线，并保持它的尺寸和特性阻抗与原来的实际微带线相同。01CCre实际微带线电容纯空气介质微带线电容reccZZ0同尺寸空气介质微带线特性阻抗二、微带线的特性阻抗18微带线北京交通大学Beijing Jiaotong University（一）导体厚度为零时 微带线特性阻抗当w/h1时，60)-(10.44-2.42120whwhhwZc当w/h1时，0860ln4chwZwh0rreccZZ011rerq q：填充因子19微带线北京交通大学Beijing

9、Jiaotong University（二）导体厚度不为零时微带线特性阻抗实际微带线导体厚度不为零，此时导体带的边缘电容增加，当这种增加效应不能忽略时，不能用前面的公式直接计算Zc。如果将t0时边缘电容增加的影响等效为导体带宽度增加w，就可以利用前面的公式进行计算了。）时及（当21,/t/221/hwhhw) 14(lntwtw时当21/hw) 12(lnthtw20微带线0r北京交通大学Beijing Jiaotong University三、相速度和波导波长微带传输线是具有混合介质系统的传输线：precvreg0四、微带线的损耗微带线的损耗包括导体损耗、介质损耗和辐射损耗。（频率较低时，辐

10、射损耗一般可忽略）cdr为介质的衰减常数为导体的衰减常数，dc21微带线北京交通大学Beijing Jiaotong University五、微带线的色散特性与尺寸选择（一）微带线的色散特性当频率较高时，色散的影响不能忽略，在计算Zc，vp，g，re 时要考虑色散的影响。f为工作频率， f0为某一固定频率，当f f0时，色散影响可忽略不计。hZfc41r0) 1(95. 022微带线北京交通大学Beijing Jiaotong University（二）微带线尺寸的选择当频率升高后，微带线尺寸与波长可比拟时，可能出现高次模：波导模和表面波模。波导模存在于导带和地板之间，包括TE和TM两种。 微

11、带线中的波导模 (a)TE10 (b)TM0123微带线北京交通大学Beijing Jiaotong University表面波是大部分能量集中在微带线接地板表面附近的介质中、并沿接地板表面传播的一种电磁波。有TE模和TM模。TM0模的场结构假定它们的场量在x方向不变化，只在y方向变化，模式的下标只有一个数字，即TEm或TMm（m=0,1,2,）。当表面波相速度与准TEM模相速度相同时，这两类模之间才会产生强耦合，从而有可能使微带线不再工作于准TEM模。应尽量避免这种情况。24微带线北京交通大学Beijing Jiaotong University20015025北京交通大学Beijing J

12、iaotong University2625100 50 25100 50 50 北京交通大学Beijing Jiaotong University3.1 带状传输线3.2 微带线3.3 耦合微带线3.4 共面波导内容提要27微波集成传输线北京交通大学Beijing Jiaotong University耦合微带线结构 耦合微带线广泛应用于定向耦合器、滤波器及阻抗匹配网络中。对称耦合微带线指相耦合的两个微带具有相同的结构和填充介质。 耦合微带线：由一对或多对相互靠近的微带线组成，微带线之间有电磁耦合现象。28耦合微带线微带耦合器北京交通大学Beijing Jiaotong University

13、耦合微带线一、基模与偶模令A和B分别与地构成两对传输线，其激励电压分别为U1和U2，分解成一对等幅反相的奇模电压Uo和一对等幅同相的偶模电压Ue 2,2,212121UUUUUUUUUUUUoeoeoe29奇模偶模北京交通大学Beijing Jiaotong University耦合微带线奇偶模场结构准静态+奇偶模分析法：求出奇、偶模电容，以及奇、偶模相速度，进而求出奇、偶模特性阻抗和奇、偶模对应的波导波长。eocoopoco11）（）（ZCvZreecepece11）（）（ZCvZre完全是空气填充时的奇模特性阻抗30耦合微带线北京交通大学Beijing Jiaotong Universit

14、y二、相速度与波导波长在空气介质中，奇模电场比偶模电场强，因此eo vpe。耦合线之间的耦合越紧，这两种速度的差别也越大，这对于耦合微带线构成的某些微波元件的性能产生不利影响。o0oegee0geoopecvepeecv31耦合微带线因此有时采用eo和ee的平均值来计算微带线的特性参数。北京交通大学Beijing Jiaotong University3.1 带状传输线3.2 微带线3.3 耦合微带线3.4 共面波导内容提要32微波集成传输线北京交通大学Beijing Jiaotong University在介质基片的一面上制作出中心导带，并在紧邻中心导带的两侧制作出地板，而介质基片另一面没有

15、导体层覆盖。 rr为了使电磁场更集中于中心导体带和接地板所在面的空气和介质的交界处，应采用高介电常数的材料作为介质基片。33共面波导北京交通大学Beijing Jiaotong University共面波导中心导体与接地板位于同一平面内，对于需要并联安置的元器件很方便。共面波导传输的是准TEM模。34共面波导 rr北京交通大学Beijing Jiaotong University246810121416-40-30-20-100Return Loss (dB)Frequency (GHz) measured simulatedSize: 30 33mm2 , bandwidth: 3-14 GHz, gain: 3-7 dBiMiniaturized UW