第三章微带线不连续性

1、电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义第三章 微波无源集成电路电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义目录3.1 3.1 概述概述3.2 3.2 微带集成电路中的不连续性微带集成电路中的不连续性3.33.3耦合微带线定向耦合器耦合微带线定向耦合器3.43.4微带线三端口功率分配器微带线三端口功率分配器3.53.5微带分支线定向耦合器和微带环形电桥微带分支线定向耦合器和微带环形电桥3.63.6微波集成滤波器微波集成滤波器电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义u微波集成电路发展微波集成电路发展小型化、低电压、高可靠性，低成本小型化、低电压、高可靠性，低成本波导立体电路平面混合集成电路MMICM

2、CMSOC第一代(1940s起）第二代(1960s起)(1970s起)第四代21世纪 (1990s起)第三代3.1 3.1 概述概述 二次世界大战期间，主要采用波导立体电路；二次世界大战期间，主要采用波导立体电路； 1950s,1950s,平面传输线概念平面传输线概念被提出；被提出； 1960s, 1960s, 带状线、微带线问题解决，带状线、微带线问题解决，微波集成电路（微波集成电路（MICMIC）开始发展）开始发展; ; 1970s,1970s,氧化铝基片和薄膜工艺发展，使得氧化铝基片和薄膜工艺发展，使得MICMIC进入高速发展期进入高速发展期； 1980s, 1980s, MICMIC基

3、本成熟基本成熟。电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义p 微波混合集成电路微波混合集成电路定义：定义： 3.1概述p 微带电路已成为微波混合集成电路的主要形式微带电路已成为微波混合集成电路的主要形式u 微带传输线半开放结构微带传输线半开放结构便于集成固态器件和调试便于集成固态器件和调试u 微带线微带线良好传输特性良好传输特性 (1) (1)工作频率最低上限频率，可实现单模传输工作频率最低上限频率，可实现单模传输 (2) (2)弱色散特性弱色散特性 (3) (3)准确地设计分析方法准确地设计分析方法 (4) (4)精确的加工工艺精确的加工工艺u 低成本，批量化低成本，批量化在氧化铝陶瓷、蓝宝石

4、、铁氧体以及复合介质等绝缘介质衬底上，采用在氧化铝陶瓷、蓝宝石、铁氧体以及复合介质等绝缘介质衬底上，采用薄膜或厚膜技术制作出微波集成传输线薄膜或厚膜技术制作出微波集成传输线和和分布参数电路，并与带封装的分布参数电路，并与带封装的或裸芯片固态器件、片式元件（电阻、电容或电感）组合在一起，构成或裸芯片固态器件、片式元件（电阻、电容或电感）组合在一起，构成具有完整电路或系统功能的集成电路具有完整电路或系统功能的集成电路电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义u直流、低频电路由直流、低频电路由R R、L L、C C等集总元件构成，由等集总元件构成，由集总参数集总参数方法方法分析和设计分析和设计3.2微

5、带带集成路中的不连续连续性p微波电路及不连续性微波电路及不连续性u微波电路由微波电路由分布参数分布参数方法分析和设计方法分析和设计电路不能明确区分出电路不能明确区分出R R、L L、C C；电路严格地分析实际上是求解电磁场边；电路严格地分析实际上是求解电磁场边值问题；值问题；需考虑传输线传播特性：需考虑传输线传播特性： （1 1）传播模式；（）传播模式；（2 2）阻抗；（）阻抗；（3 3）相移）相移电路中可明确区分出电路中可明确区分出R R、L L、C C；电路为由；电路为由R R、L L、C C元件构成的网络；元件构成的网络；不用过多考虑传输线不用过多考虑传输线导线导线形状尺寸和信号通过的损

6、耗和相移；形状尺寸和信号通过的损耗和相移；相对于工作波长，电路尺寸小，信号通过相对于工作波长，电路尺寸小，信号通过附加路劲相移附加路劲相移可忽略可忽略传输线的材料、结构、尺寸传输线的材料、结构、尺寸3.2.13.2.1概述概述电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义3.2.1 概述u微波电路由微波电路由分布参数分布参数方法分析和设计方法分析和设计微波电路可等效为分布参数电路网络微波电路可等效为分布参数电路网络u由微波传输线段构成的、体现由微波传输线段构成的、体现“电抗电抗集中集中效应效应”的微波电的微波电路路网络网络通常被称作微波通常被称作微波电路的电路的“不连续性不连续性” 分布参数元件分布

7、参数元件L L、C C由不同传输线段实现由不同传输线段实现 微波频率高，电路所需微波频率高，电路所需L L、元件值小、元件值小 不同传输线段具有不同的不同传输线段具有不同的“电抗集中效应电抗集中效应”（电场、磁场集中），（电场、磁场集中），可实现可实现L L、C C功能功能 ( (不是简单、独立的不是简单、独立的L L、C C ) )“不连续性不连续性”概念和传输线行波传输状态相对；概念和传输线行波传输状态相对；不连续性区域将产生反射；不连续性区域将产生反射；不连续性区域将发生能量的存储；不连续性区域将发生能量的存储；不连续性区域将产生相移不连续性区域将产生相移确定不连续性性质确定不连续性性质

8、电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义3.2.1 概述u 微微波波电路电路实际上是由多个不连续性构成而实现特实际上是由多个不连续性构成而实现特定功能的电路；定功能的电路； 严格的场方法严格的场方法(数值方法数值方法) ) 分布参数等效电路法分布参数等效电路法(TEM(TEM波传输线波传输线) )u 微波微波“不连续性不连续性”的分析方法：的分析方法：电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义3.2.1 概述p 微带不连续性是构成微带电路的基本单元微带不连续性是构成微带电路的基本单元u微带不连续性是实现微带线路功能的基本单元，微带电路微带不连续性是实现微带线路功能的基本单元，微带电路实际上是由多

9、个不连续性级联构成的实际上是由多个不连续性级联构成的（1 1）不连续性的性质可由分布参数等效电路方法确定）不连续性的性质可由分布参数等效电路方法确定（2 2）分布参数元件值由准静态分析方法确定）分布参数元件值由准静态分析方法确定（3 3）现代数值计算方法可准确确定不连续性特性）现代数值计算方法可准确确定不连续性特性u微带电路不连续性采用微带电路不连续性采用“场场”、“路路”结合的方法分析结合的方法分析 电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义 微带开路端微带开路端/ /端节线；端节线； 微带线的阶梯跳变；微带线的阶梯跳变； 微带间隙；微带间隙； 微带线的拐角；微带线的拐角； 微带线微带线T T

10、接头；接头； 微带线十字接头微带线十字接头; ;3.2.1 概述p微带集成电路中不连续性种类微带集成电路中不连续性种类电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义3.2.2微带线带线的开开路端/截断断端 /4/4开路线开路线; ;微带到波导探针过渡微带到波导探针过渡; ;微带线匹配枝节微带线匹配枝节; ;u微微带线开带线开路端路端/ /截截断断端的端的应应用用电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义3.2.2微带线带线的开开路端/截断断端微带开路端实际等效为微带开路端实际等效为RLCRLC终端终端u微微带线开带线开路端路端/ /截截断断端的等效端的等效电电路路开路端末将出现过剩电荷，过剩电流，辐射

11、能量；开路端末将出现过剩电荷，过剩电流，辐射能量；过剩电荷是主要的过剩电荷是主要的通常，微带开路端可由一个可等效电容或一段通常，微带开路端可由一个可等效电容或一段理想开路线理想开路线jcot()CZl =0cjtan()1|j Cjtan()LLCCZCLZZlZZZl01tan()cCClClZZ电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义3.2.2微带线带线的开开路端/截断断端u微微带线开带线开路端路端/ /截截断断端的等效端的等效电电路路测量法确定微带开路端等效理想开路线长度测量法确定微带开路端等效理想开路线长度测量出测量出一段长为一段长为l 、两端开路微带线谐振频率和谐振波长、两端开路微带

12、线谐振频率和谐振波长（半波长谐振器）（半波长谐振器）llg2242gll 所测得的谐振波长所测得的谐振波长 g和微带和微带TEMTEM波波长波波长 gTEM不同不同, ,两者关系可表示为：两者关系可表示为：2111 ()ggTEMgTEMh 是介于是介于0.7-1.070.7-1.07之间之间的的常数常数，h是基片厚度是基片厚度电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义3.2.3微带间带间隙u微带间隙及其等效电路微带间隙及其等效电路特性：特性： - -型电容网络型电容网络 由于两条微带截断端相互影响，由于两条微带截断端相互影响，C C1 1C COCOC ； 间距间距s s越大，越大， C C1

13、212越小，越小， C C1 1就越接近就越接近C COCOC； 间距间距s s越小，越小， C C1212越大，越大， C C1 1就越小；就越小； s : 0s : 0， C C1 1：0 0 C COCOC ， C C1212 ： 0 0电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义3.2.3微带间带间隙u奇偶模法分析微带间隙奇偶模法分析微带间隙12eCC 偶模激励：偶模激励：1122oCCC 奇模激励：奇模激励：电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义阶梯阻抗变换；阶梯阻抗变换；高低阻抗低通滤波器高低阻抗低通滤波器; ;u微微带线阶带线阶梯梯阶阶梯跳梯跳变应变应用用3.2.4微带线带线的阶阶

14、梯跳变变电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义3.2.4微带线带线的阶阶梯跳变变微带阶梯跳变处，电能减少，磁能增加；微带阶梯跳变处，电能减少，磁能增加；阶梯跳变呈阶梯跳变呈感性，可由电感等效感性，可由电感等效u微微带线阶带线阶梯跳梯跳变变等效等效电电路路两条不同导带宽度微带线的连接处，两条不同导带宽度微带线的连接处，较宽微带线局部被截断较宽微带线局部被截断在连接处宽条带电流线连续地向窄条在连接处宽条带电流线连续地向窄条带聚集，宽条带截断区面电流密度变小，带聚集，宽条带截断区面电流密度变小，面电荷密度减小，低特性阻抗线的电流面电荷密度减小，低特性阻抗线的电流密度变小。密度变小。微带阶梯跳变处，

15、电界面和几何界面不微带阶梯跳变处，电界面和几何界面不一致。电界面向宽条带偏移一致。电界面向宽条带偏移电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义3.2.4微带线带线的阶阶梯跳变变u波波导导模模拟拟法法定性定性分析分析微微带线阶带线阶梯跳梯跳变变等效等效（1 1）将将微微带线带线用平板波用平板波导导等效等效 特性阻抗相同特性阻抗相同: :Zc 相位相位常常数数相同相同: : 基片厚度等于板基片厚度等于板间间距距: :h00e 0000111.CpeeZDvCh 001.CehDZ对偶对偶（2 2）应应用用对对偶定理，偶定理，将将平板波平板波导变换为对导变换为对偶波偶波导导；(3)(3)再再由由波波导

16、导等效等效电电路路对对偶偶变换为变换为平板波平板波导导等效等效电电路路微微带带等效等效电电路路电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义3.2.4微带线带线的阶阶梯跳变变u波波导导模模拟拟法法定性定性分析分析微微带线阶带线阶梯跳梯跳变变等效等效等效等效对偶对偶对偶对偶电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义3.2.5微带线带线拐角u微带线拐角微带线拐角 拐角区域等效为并联电容拐角区域等效为并联电容; ; 路路劲加长等效为两段传输线劲加长等效为两段传输线或电感或电感; ; 也可用对偶波导模拟法分析也可用对偶波导模拟法分析：微带拐角电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义3.2.5微带线带线拐角u微

17、带线微带线修正修正拐角拐角 采用切角处理，减小拐角并联电容效应：采用切角处理，减小拐角并联电容效应： 把拐角的外部切把拐角的外部切成成4545斜角斜角，利用两次反射的相互抵销达到匹配，利用两次反射的相互抵销达到匹配。 斜角边长是使两次反射抵消的关键斜角边长是使两次反射抵消的关键。 对于对于5050微带线，实验表明微带线，实验表明， 45 45斜角斜角边长为边长为 1.6 1.6 倍导带宽度时，倍导带宽度时，从从L L波段到波段到 X X 波段都能得到良好匹配波段都能得到良好匹配。( (带状线结果带状线结果) )电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义3.2.6微带线带线T分支u微带线微带线T

18、T分支应用广泛：分支应用广泛： 微带分支线电桥；微带功率分配器；微带分支线电桥；微带功率分配器；并联分支匹配电路；直流偏置网络并联分支匹配电路；直流偏置网络 电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义3.2.6微带线带线T分支u微带线微带线T T分支等效电路分支等效电路 等效为并联电容等效为并联电容 可采用对偶波导模拟法分析可采用对偶波导模拟法分析电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义3.2.6微带线带线T分支u对偶波导模拟法对偶波导模拟法分析微带线分析微带线T T分支分支对偶对偶对偶对偶电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义3.2.7微带线带线十字分支u微带线微带线十字十字分支分支 微带十

19、字分支不连续性较大，微带十字分支不连续性较大，实际应用较少；实际应用较少； 和和T T分支类似，微带分支类似，微带十字十字分支可分支可等效为并联电容等效为并联电容; ; 精确的结果主要由实验测定精确的结果主要由实验测定电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义3.2.8微带线实现带线实现集总总元件1.采用微带结构模拟集总元件：电感和电容采用微带结构模拟集总元件：电感和电容,/8ll一般 cZl cossinA =sincosCCljZljllZ 112222A =112LCLLCCLCX BXjX BjBX B2tan()2tan()2sin12sin()LCCgCCCgllXZZllBZZ电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义1sintan();22CCLClllZBXZ，Bc2gl特别地，时为纯电感（=0）3.2.8微带线实现带线实现集总总元件1.采用微带结构模拟集总元件：电感和电容采用微带结构模拟集总元件：电感和电容,/8ll一般 cZl(3) g/4l g/2高高阻抗阻抗微带线可近似等效微带线可近似等效为为一个一个电电感；感；10sintan()22CCLClllZBXZ，(2) l g/4 低低阻抗微带线可近似等效阻抗微带线可近