第二章 微波集成传输线-21概述

1、电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义第二章 微波集成传输线电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义2.1 概述p 微波集成传输线是平面传输线微波集成传输线是平面传输线u 平面传输线：在（介质或半导体）基片上形成导电膜平面传输线：在（介质或半导体）基片上形成导电膜/ /条带条带u 制备工艺：厚膜工艺和薄膜工艺制备工艺：厚膜工艺和薄膜工艺u 微波平面传输线时微波集成电路的基础；它的出现于发展促进了微微波平面传输线时微波集成电路的基础；它的出现于发展促进了微波集成电路的产生与发展：波集成电路的产生与发展：集成度高集成度高小型化、轻量化小型化、轻量化基片介电常数远大于空气基片介电常数远大于空气基片

2、厚度远小于立体传输线尺基片厚度远小于立体传输线尺寸寸可靠性好可靠性好易于批量生产易于批量生产低成本低成本缺点缺点损耗大损耗大Q Q值低值低功率容量低功率容量低电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义2.1 概述 微微波波集集成成传传输输线线微带线微带线带状线带状线悬置微带和悬置微带和倒置微带倒置微带槽线与共面槽线与共面波导波导相速和波长相速和波长特性阻抗特性阻抗衰减常数衰减常数功率容量功率容量设计原则设计原则鳍线鳍线p 常见微波集成传输线常见微波集成传输线(a)(b)(c)(d)(e)(f)电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义基片材料基片材料: :（1 1）较高的介电常数，使电路小型化；）

3、较高的介电常数，使电路小型化；（2 2）低损耗；）低损耗；（3 3）在给定的频率和温度范围内介电常数）在给定的频率和温度范围内介电常数 稳定；稳定；（4 4）纯度高，性能一致性好；）纯度高，性能一致性好；（5 5）表面光洁度高；）表面光洁度高；（6 6）击穿强度高；）击穿强度高；（7 7）导热性好，以适用于较大的功率；）导热性好，以适用于较大的功率；（8 8）适应环境能力强。）适应环境能力强。2.1 概述电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义材料名称材料名称表面粗糙表面粗糙度（度（umum）10GHz10GHz时的时的损耗损耗正切（正切（1010-4 -4）介电常介电常数数导热率导热率（W/

4、cmW/cm）应用与特点应用与特点氧化铝氧化铝99%99%215215252599.599.50.30.3厘米至厘米至毫米波段毫米波段石英石英0.10.50.10.51 13.83.80.010.01毫米波毫米波MICMIC，但易碎，但易碎聚四氟乙烯聚四氟乙烯纤维加强板纤维加强板101510152.52.82.52.8厘米波段厘米波段MICMIC价格低，加工容易价格低，加工容易DuroidDuroid2.24.02.24.0毫米波毫米波MICMIC蓝宝石蓝宝石0.510.511 199.599.50.40.4毫米波毫米波MICMIC高介陶瓷高介陶瓷1212208020800.010.050.0

5、10.05用于小尺寸电路用于小尺寸电路氧化铍氧化铍2102101 16.66.62.52.5导热好，用于功率器件导热好，用于功率器件硅硅12121.51.5MMICMMIC砷化镓砷化镓12.912.90.460.46MMICMMIC磷化铟磷化铟14140.680.68MMICMMIC氮化镓氮化镓8.98.91.31.3MMICMMIC碳化硅碳化硅10104.34.3MMICMMIC2.1 概述电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义性能性能：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。应用应用：功率放大器；滤波器和连结器；无源元器件；天线

6、。2.1 概述电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义2.1 概述电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义材料材料 表面电阻率表面电阻率(f单位单位:Hz)趋肤趋肤深深度度2GHz（m）热膨胀系数热膨胀系数（10-8/）与介质与介质附着力附着力工艺方法工艺方法银（银（Ag）2.51.421差差蒸发蒸发铜（铜（Cu）2.61.518差差电镀电镀/蒸发蒸发/淀积淀积金（金（Au）3.01.715差差电镀电镀/蒸发蒸发铝（铝（Al）3.31.926差差蒸发蒸发铬（铬（Cr）4.72.79好好蒸发蒸发钯（钯（pd）3.611中中蒸发蒸发/电镀电镀/溅射溅射钽钽(Ta)7.24.06.6好好溅溅射射2.

7、1 概述电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义 薄膜与厚膜工艺产品之差异分析薄膜与厚膜工艺产品之差异分析薄膜工艺薄膜工艺厚膜工艺厚膜工艺精度精度高，高， 1%1%较低，较低， 10%10%镀层材料镀层材料材料稳定度高材料稳定度高易受浆料影响易受浆料影响镀层表面镀层表面表面平整度高，误差表面平整度高，误差0.30.3 m m较差，误差较差，误差33 m m设备设备成本高成本高成本低成本低镀层附着镀层附着性性无需高温烧结，不含无需高温烧结，不含氧化物、附着性好氧化物、附着性好易受基板材质影易受基板材质影响响电路对准电路对准使用曝光显影，对准使用曝光显影，对准性高性高易受丝网张力及易受丝网张力及使

8、用次数影响，使用次数影响，对准性较差对准性较差2.1 概述电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义薄膜工艺制备过程：薄膜工艺制备过程：基片处理基片处理研磨抛光研磨抛光镀膜镀膜金属层减薄金属层减薄版图制作版图制作图形放大图形放大照相制版照相制版光刻腐蚀光刻腐蚀甩胶甩胶曝光曝光腐蚀腐蚀接地接地/ /电镀电镀接地金属化接地金属化电镀防护电镀防护2.1 概述电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义p 微波集成传输线分析方法考虑微波集成传输线分析方法考虑2.1 概述微波集成传输线分析方法微波集成传输线分析方法u 低频、数字电路低频、数字电路集总参数方法集总参数方法工作频率低，不考虑信号相移问题工作频率低

9、，不考虑信号相移问题电场集中的地方电场集中的地方电容；电容；磁场集中的地方磁场集中的地方电感；电感；损耗集中的地方损耗集中的地方电阻电阻连接线没有电容、电感和电阻，不用考虑导线形状和尺寸连接线没有电容、电感和电阻，不用考虑导线形状和尺寸u 微波传输线微波传输线分析特定边界条件下的电磁波的传播情况：分析特定边界条件下的电磁波的传播情况：传输系统在微波频率下的传播模式传输系统在微波频率下的传播模式工作频率高、传输相位滞后工作频率高、传输相位滞后传输主模（最低模式）、抑制高次模式传输主模（最低模式）、抑制高次模式局部高次模式场（电磁场能量堆积）引起局部电抗，影响幅度相位局部高次模式场（电磁场能量堆积

10、）引起局部电抗，影响幅度相位高频情况下：趋肤效应，金属损耗大；介质交替极化和晶格来回碰撞，高频情况下：趋肤效应，金属损耗大；介质交替极化和晶格来回碰撞，介质热损耗介质热损耗u集集总参数总参数分析方法分析方法不再适用于微波不再适用于微波传传输线输线了了u求解求解给给定定边边界界条条件件下的下的电电磁磁场场方程方程电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义p 微波集成传输线分析方法考虑微波集成传输线分析方法考虑u 波导、同轴等立体传输线，边界条件简单，可严格求解电磁场方程波导、同轴等立体传输线，边界条件简单，可严格求解电磁场方程传输传输TEMTEM波传输线，可严格定义电压电流，可由等效电路方法波传输

11、线，可严格定义电压电流，可由等效电路方法求解：求解： 横向电场：金属条带与接地金属面间存在电位差横向电场：金属条带与接地金属面间存在电位差 横向磁场：金属条带上存在传导电流横向磁场：金属条带上存在传导电流u 微波集成传输线，边界条件复杂，严格求解电磁场问题困难微波集成传输线，边界条件复杂，严格求解电磁场问题困难u 大多数常用微波集成传输线，传输主模是大多数常用微波集成传输线，传输主模是TEMTEM波，可采用场、路结波，可采用场、路结合的方法求解合的方法求解分布参数电路分析方法分布参数电路分析方法TEMTEM波传输线，电磁场横截面分布和二维静电场和稳恒磁场分波传输线，电磁场横截面分布和二维静电场

12、和稳恒磁场分布一致，满足二维拉普拉斯方程。传输线等效电路模型可由布一致，满足二维拉普拉斯方程。传输线等效电路模型可由求解稳态边值问题得到求解稳态边值问题得到2.1 概述微波集成传输线分析方法微波集成传输线分析方法2220 xyxxyxyxyyEiEiE 2220 xyxxyxyxyyHiHiH 电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义p TEMTEM波微波集成传输线分布参数电路分析方法波微波集成传输线分布参数电路分析方法0zdzZLL0dzC0dzG0dzR0dzu 微波集成传输线由一系列部分参数元件微波集成传输线由一系列部分参数元件C C0 0、L L0 0、R R0 0和和G G0 0级联

13、而成级联而成u 分布参数元件连续地分布在整个传输线上（不是在有限的点上）分布参数元件连续地分布在整个传输线上（不是在有限的点上）u 元件值由传输线结构尺寸、基片材料和金属材料特性决定，可由元件值由传输线结构尺寸、基片材料和金属材料特性决定，可由稳态边值问题求解得到稳态边值问题求解得到u 对于复杂的边值条件，可采用一定的近似，并由实验验证确定对于复杂的边值条件，可采用一定的近似，并由实验验证确定2.1 概述微波集成传输线分析方法微波集成传输线分析方法电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义p TEMTEM波微波集成传输线分布参数元件波微波集成传输线分布参数元件u 由传输线上电压、电流、电量和能量

14、之间的关系确定由传输线上电压、电流、电量和能量之间的关系确定1s00lD dSQCUE dlu 分布参数电容：分布参数电容：单位长度传输线上一个导体上电荷总量单位长度传输线上一个导体上电荷总量Q Q0 0 与与两导两导体间电位差体间电位差U U之比之比u 分布参数电感：分布参数电感：传输线导体之间的磁通量和导体上的电流之比传输线导体之间的磁通量和导体上的电流之比22s00lB dSLIH dl 分布电容和分布电感是表征微波集成传输线电磁传播特性的主要参数，也分布电容和分布电感是表征微波集成传输线电磁传播特性的主要参数，也是决定传输线特性阻抗的主要因素是决定传输线特性阻抗的主要因素 它们与频率无

15、关，但由它们所引起的传输线分布电抗和分布电纳却与频率它们与频率无关，但由它们所引起的传输线分布电抗和分布电纳却与频率成正比。成正比。2.1 概述微波集成传输线分析方法微波集成传输线分析方法电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义p TEMTEM波微波集成传输线分布参数元件定义波微波集成传输线分布参数元件定义u 分布参数电导：分布参数电导：表征了单位长度微波集成传输线基片介质损耗，表征了单位长度微波集成传输线基片介质损耗，可可从从功率损耗角度去度量功率损耗角度去度量 微波单片集成电路采用的传输线是制作在半导体基片上的，基片导电率相微波单片集成电路采用的传输线是制作在半导体基片上的，基片导电率相对

16、较高，传导损耗是基片损耗的主要部分。对较高，传导损耗是基片损耗的主要部分。 制作在绝缘介质基片上的微波集成传输线，在较高频率下基片介质极化阻制作在绝缘介质基片上的微波集成传输线，在较高频率下基片介质极化阻尼损耗是主要原因尼损耗是主要原因。01P=G UU*2单位长度传输线基片损耗功率为单位长度传输线基片损耗功率为：得：得：()()*VS11P=E E dVE E dS22()*S0E E dSG =UU*2.1 概述微波集成传输线分析方法微波集成传输线分析方法电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义p TEMTEM波微波集成传输线分布参数元件定义波微波集成传输线分布参数元件定义u 分布参数电阻

17、：分布参数电阻：表征了单位长度微波集成传输线表征了单位长度微波集成传输线导体条带和金属导体条带和金属接地面损耗，可由接地面损耗，可由单位长度传输线沿传输方向导体上的压降单位长度传输线沿传输方向导体上的压降U Ud d与通与通过导体的电流过导体的电流I I之比：之比： 较高的导体损耗是微波集成传输线损耗高于波导和同轴等传输线的主要较高的导体损耗是微波集成传输线损耗高于波导和同轴等传输线的主要因素因素：随着随着频率增加，趋肤效应减小了导体有效导电截面积，增大了这部分电频率增加，趋肤效应减小了导体有效导电截面积，增大了这部分电阻损耗阻损耗由于微波集成传输线横截面尺寸远小于波导和同轴等立体传输线，由于

18、微波集成传输线横截面尺寸远小于波导和同轴等立体传输线，分布分布参数电阻更大参数电阻更大d0URI2.1 概述微波集成传输线分析方法微波集成传输线分析方法电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义p TEMTEM微波集成传输线分布参数等效电路分析微波集成传输线分布参数等效电路分析L0dzC0dzG0dzR0dzV(z)+V(z+dz)I(z)I(z+dz) 12121212BBYZzYZzzzYZzYZzzzV zAeA eAeA eI zeB eeB e0000= +ZYRj LGj Cj00000000001(0)(0)=(0)(0)1zzczzRjRj LLLVeVeZZGIeIeYGj CCjC2.1 概述微波集成传输线分析方法微波集成传输线分析方法电子科技大学电子