微波集成电路学习2：微波平面传输线课件

1、第二章 微波平面传输线目录2.1 引言2.2 微带线2.3带状线2.4悬置微带和倒置微带2.5槽线和共面波导2.6鳍线2.7其他平面传输线微波常用传输线矩形波导圆波导平行双线同轴线微带线2.1 引言2.1 引言平面传输线微带线带状线悬置微带和倒置微带槽线与共面波导相速和波长特性阻抗衰减常数功率容量设计原则微波平面传输线通常由介质基片、介质基片上的导带与金属接地层组成，制备工艺包括厚膜工艺和薄膜工艺。2.1 引言对基片材料的要求:（1）较高的介电常数，使电路小型化(针对微波频率)；（2）低损耗；（3）介电常数 稳定；（4）纯度高，性能一致性好；（5）表面光洁度高，金属附着力好；（6）击穿强度高,

2、 导热性好(针对大功率)。2.1 引言材料名称表面粗糙度（um）10GHz时的损耗正切（10-4）介电常数导热率（W/cm）应用与特点FR4环氧玻纤布基板10152.52.8厘米波段MIC价格低，加工容易氧化铝99%2152599.50.3厘米至毫米波段蓝宝石0.51199.50.4毫米波MIC高介陶瓷1220800.010.05用于小尺寸电路聚四氟乙烯纤维加强板4302.24.0毫米波MIC石英0.10.513.80.01毫米波MIC，但易碎氧化铍21016.62.5导热好，用于功率器件硅110100121.5MMIC砷化镓1612.90.46MMIC磷化铟140.68MMIC碳化硅103.

3、3MMIC2.1 引言2.1 引言性能：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：功率放大器；滤波器和连结器；无源元器件；天线。Rogers RT/duroid 5880高频层压板使用在:商用航空电话电路微带线和带状线电路毫米波应用军用雷达系统导弹制导系统点对点数字无线电天线2.1 引言2.1 引言有机物柔性基板：LCP、polyimide filmConsiderably cheaper than the Teflon-like dielectrics.Mechanical stability is a few times hi

4、gher than for a polyimide.Its CTE of 16 ppm/C is close to that of a copper conductor, resulting in low warpage after etch.High moisture and chemical resistance.Nearly constant dielectric permittivity and a low dielectric loss tangent (r = 3, tan = 0.004 at 35 GHz) up to 110 GHz.对于金属材料的要求：（1）高的导电率；（2

5、）低的电阻温度系数；（3）对基片的附着性能好;（4）好的刻蚀性和可焊接性;（5）易于淀积和电镀。2.1 引言材料 表面电阻率(f单位:Hz)趋肤深度2GHz（m）热膨胀系数（10-8/）与介质附着力工艺方法银（Ag）2.51.421差蒸发铜（Cu）2.61.518差电镀/蒸发/淀积金（Au）3.01.715差电镀/蒸发铝（Al）3.31.926差蒸发铬（Cr）4.72.79好蒸发钯（pd）3.611中蒸发/电镀/溅射钽(Ta)7.24.06.6好溅射2.1 引言常用的是二至四层结构，如铬-金（Cr-Au）、镍铬-金（Ni Cr-Au）、钛-铂-金（Ti-Pt-Au）、钛-钯-金（Ti-Pd-A

6、u）、钛-铜-金（Ti-Cu-Au）、铬- -铜-铬-金（Cr-Cu-Cr-Au）等。MIC主要工艺过程：2.1 引言基片处理研磨抛光镀膜金属层减薄版图制作图形放大照相制版光刻腐蚀甩胶曝光腐蚀接地/电镀接地金属化电镀防护光刻薄膜工艺2.1 引言曝光（Exposure）a、接触式曝光（Contact Printing） 1970年前，设备简单,污染严重，寿命低，分辨率 0.5m。b、接近式曝光（Proximity Printing） 1970年后，间距大约为1050m，引入衍射效应，分辨率 24m。c、投影式曝光（Projection Printing） 使用透镜聚集光实现曝光，提高了分辨率，掩

7、模板的制作更加容易，掩膜板上的缺陷影响减小。70年代末80年代初，扫描投影曝光， 1m工艺；掩模板比例1：1；80年代末90年代，步进重复投影曝光， 0.35m0.25，比例4：190年代末至今，扫描步进投影曝光， 0.18m工艺2.1 引言电子束刻蚀薄膜工艺2.1 引言薄膜与厚膜工艺产品之差异分析2.1 引言薄膜工艺厚膜工艺精度高，1%较低，10%镀层材料材料稳定度高易受浆料影响镀层表面表面平整度高，误差0.3m较差，误差3m设备成本高成本低镀层附着性无需高温烧结，不含氧化物、附着性好易受基板材质影响电路对准使用曝光显影，对准性高易受丝网张力及使用次数影响，对准性较差2.2 微带线微带线目前

8、是混合微波集成电路（HMIC）和单片微波集成电路（MMIC）以及多芯片组件（MCM）使用最多的一种平面型传输线。微带线结构及内部场结构微带线的优缺点：与波导、同轴线等立体电路相比的主要优点在于：（1）体积小、重量轻；（2）采用的半空间开放电路结构，便于与固体器件进行连接；（3）电路的可靠性和性能得到改善，同时制造成本低。但也存在以下问题有待解决：（1）传输线的损耗较大；（2）散热较差、介质基片在高电压下容易击穿问题。2.2 微带线微带线可以看成由平行双线演变而来2.2.1 概要平行双线到微带线的演变过程微带线发展历史1952年， Grieg and Engelmann，首次发表关于带状线（st

9、ripline）的报道， “Microstrip-A New Transmission Technique for the Klilomegacycle Range” ，IRE proceeding1955年， ITT Ferearl Telecommunications Laboratories（New Jersey）, 报道了多篇关于微带线的报道，IEEE transactions on Microwave Theory and Technique.1960年，薄基片厚度的微带线流行。2.2.1 概要微带线由介质基片、介质基片上的导带与金属接地层组成。2.2.1 概要微带线构成微带线的特性

10、参数传输线电压、电流波动方程均匀传输线电压、电流微分方程或电报方程2.2.2 微带线特性分析 空气微带线特性阻抗：传输波的相速范围 单位长度分布电容范围 特性阻抗范围 TEM模无耗传输线的特性阻抗： 当微带线的周围全部用相对介电常数为 的介质填充时，其特性阻抗为2.2.2 微带线特性分析相速为相波长为 单位长度分布电容为 特性阻抗为 式中q为填充因子，表示介质填充的程度 2.2.2 微带线特性分析微带线的周围为非均匀介质填充时，引入相对等效介电常数微带线的分析方法1952年时， Grieg and Engelmann采用分析方法基于平行双线的准静态分析。20世纪60年代，保角变换、格林函数、有

11、限差分法等发展；1971年时，严格的场解方法已经能够计算色散特性。2.2.2 微带线特性分析微带线特性分析微带线分析方法有两种：（1）准静态法（2）全波分析法把微带线的工作模式当作TEM模来分析，这种分析方法称为“准静态分析法” 。全波分析法是利用高等电磁理论，求满足完整Maxwell方程式及边界条件的电磁场之解。2.2.2 微带线特性分析28准静态分析：步骤1 假设介质不存在，金属导体之外到处都是空气，算出其每单位长电容及电感分別为C0及L0，此时: 特性阻抗为相位传播常数为 2.2.2 微带线特性分析29准静态分析：步骤2放入介质，利用数值方法（如：保角变换、有限差分、积分方程和变分法）求

12、出其单位长电容C，每单位长电感仍为L0，于是微带线的特性阻抗与相位传播常数分别为:2.2.2 微带线特性分析两种情况下，上述准静态法将不适用：介质厚度和波长相比拟；频率较高时，例如毫米波频段的高端。原因：存在高阶模式！利用全波法求解，可获得更为准确的微带线特性阻抗和有效介电常数。fre,Zc2.2.2 微带线特性分析不论准静态分析或全波分析都很难找到简单的公式解，而必需利用数值方法，以电脑计算数值解。市面上有许多商用软件可作微带线的准静态分析及全波分析 。优缺点：精度高、但计算效率太低，无法满足工程需要。半经验解析公式利用近似物理模型或纯经验表达式与测量結果，导出传播常數与特性阻抗的公式；例：

13、Bahl 与Garg 的准静态公式(与实验结果結果相当吻合)2.2.2 微带线特性分析Bahl 与 Garg 准静态公式计算结果介质基板厚度100mm，金属带条厚度3mm；相同的频率、基板厚度、及金属带条厚度之下，微带线的特性阻抗与传播特性只与金属带条宽度有关；其他条件固定时，金属带条越宽，其特性阻抗越小，而相对介电常数越大；可轻易在同一块电路板作出不同特性阻抗传输线。r,w,hre,Zc2.2.2 微带线特性分析2.2.2 微带线特性分析r=934色散(Dispersion) 色散：电磁波的传播速度随其频率变化而变化的现象。微带线不传播TEM波全波分析显示其有效相对介点常数（ re)和特性阻

14、抗都会随频率变化，称为色散；有效相对介电常数re下相位传播常数为：也有研究人员提出色散模型的半经验公式例：Hammerstad与Jensen的特性阻抗公式 ；例：M.Kobayashi的有效相对介电常数公式；均不必记，可写成函数，使用时调用就可 2.2.2 微带线特性分析Hammerstad特性阻抗公式（误差范围0，则需要对前式中带条宽度w以有效宽度we进行修正，即： we=w+w。在介电常数2 r 6、w/h1.25和0.1t/w5h，侧壁与微带间距5w时，可以忽略。2.2.2 微带线特性分析37色散效应影响 特性阻抗和有效介电常数随频率变化很小，我们可以引用一经验公式： 其中fd的单位为G

15、Hz，h的单位为cm。当ffd时，色散效应可以忽略。例 采用相对介电常数为2.2，厚度为0.254mm的介质基片作为微带线的衬底时，对于50欧姆阻抗线而言，色散效应可以忽略的最高频率是多少？2.2.2 微带线特性分析2.2.2 微带线特性分析微带线中传输模式空气介质的微带线存在无色散的TEM模。实际微带线是制作在介质基片上的，是TE模和TM模的混合模。微带线中的传输模式类似于TEM模，故称为准TEM模。2.2.2 微带线特性分析40微带线无法传播TEM波说明空气与介质的交界面上电场的切线方向分量连续，因此 下标d和a分別表示交界面的介质侧及空气侧。2.2.2 微带线特性分析41微带线无法传播T

16、EM波说明利用Maxwell 方程式可得在直角坐标系展开，且利用交界面两侧磁场强度法线方向分量连续的条件(假定介质的r=1) 2.2.2 微带线特性分析微带线无法传播TEM波说明由于 大于1，而且界面上的Hy不为零，它对z的变化也不为零，因此式右边的项不会是零，依据上面的公式，其左方的项因此不能为零，所以Hz也就不可以是0。无法满足TEM波Hz=0！ 2.2.2 微带线特性分析TE10模截止波长为 TM01模截止波长为 波导模: 微带线中的高次模：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。2

17、.2.2 微带线特性分析微带线中的主模和高次模表面波模TE1模截止波长:表面波TM0模截止波长：表面波模: 微带线的单模工作条件:例：对于石英基片，相对介电常数为3.8，工作在100GHz时，要求最低表面模与准TEM模之间耦合可以忽略下，石英基片的厚度不能超过多少？2.2.2 微带线特性分析2.2.3微带线的损耗微带线的损耗主要分为三部分：（1）介质损耗：当电流通过介质时，由于介质分子交替着极化和晶格来回碰撞，而产生的损耗。（2）导体损耗：微带线的导体带条和接地板均具有有限的电导率，电流通过时必然引起损耗，是微带线损耗的主要部分。（3）辐射损耗：由微带线场结构的半开放性所引起。为避免辐射，减小

18、损耗，并防止有其他电路的影响，一般的微带电路均装在金属屏蔽盒中。2.2.3微带线的损耗p为单位长度传输线的功率损耗在电场作用下，能产生极化的一切物质又被称之为电介质。如果将一块电介质放入一平行电场中，则可发现在介质表面感应出了电荷，即正极板附近的电介质感应出了负电荷，负极板附近的介质表面感应出正电荷。这种电介质在电场作用下产生感生电荷的现象，称之为电介质的极化。感应电荷产生的原因在于介质内部质点(原子、分子、离子)在电场作用下正负电荷重心的分离，变成了偶极子。不同的偶极子有不同的电偶极矩，电偶极矩的方向与外电场方向一致。2.2.3微带线的损耗电介质基本概念材料极化2.2.3微带线的损耗电介质参

19、数：介电常数：以绝缘材料为介质与以真空为介质制成同尺寸电容器的电容量之比值。 表示在单位电场中，单位体积内积蓄的静电能量的大小。是表征电介质极化并储存电荷的能力，是个宏观物理量。介质损耗 ： 置于交流电场中的介质，以内部发热(温度升高)形式表现出来的能量损耗。2.2.3微带线的损耗电介质参数：介质损耗角 对电介质施加交流电压，介质内部流过的电流相量与电压相量之间的夹角的余角。介质损耗角正切 对电介质施以正弦波电压,外施电压与相同频率的电流之间相角的余角的正切值tg.其物理意义是：2.2.3微带线的损耗分子结构极性越强, 和tg越大.非极性材料的极化程度小,和tg都较小. tg 大，损耗大，材料

20、发热。 电容介质 ： 大，tg 小 作绝缘材料或电容器材料的高聚物,介电损耗越小越好 航空航天材料 小，tg 大，静电小 高频焊接：薄膜封口，tg 大 需要通过高频加热进行干燥,模塑或对塑料进行高频焊接时,要求高聚物的介电损耗越大越好. 高频电缆用PE(非极性)而不用PVC (极性) 2.2.3微带线的损耗介质损耗：1为介质的介电常数， 0为导磁率，并把存在的介质损耗用一个等效损耗电导1 来表示。 当有介质损耗时，其有功电流密度和无功电流密度各为1E和j1E。两者大小比值的正切是衡量介质损耗的一个基本参量，称为损耗角正切： 通常该损耗与导体损耗相比往往可以忽略不计，但在介质吸水或含有其他杂质时

21、，介质损耗将会增大。2.2.3微带线的损耗电场全部浸在介质中时导体损耗：表面电阻系数R0c趋肤深度c表面不平度c要求：1.表面粗糙度5趋附深度。2.2.3微带线的损耗总损耗随基片厚度的变化情况f,r,hT2.2.3微带线的损耗品质因数Q值的定义： 由于传输线上损耗的能量分成介质、导体和辐射损耗，因此也有相应的Qc(导体损耗对应Q值)、Qd（介质损耗对应Q值）和辐射损耗Qr( 辐射损耗对应的Q值),它们的关系是 ：微带线的品质因素2.2.4微带线的品质因素与波导、同轴线相比，微带的Q值通常要低一至二个数量级品质因数随基片厚度的变化情况对一个给定频率，存在一个使Q值最大的最佳基片厚度hoptf,r

22、hopt（原因：辐射损耗 ）2.2.4微带线的品质因素毫米波电路尺寸小，制造公差问题比较突出公差的影响低介电常数的薄基片允许的公差相对大一些2.2.5微带线的公差影响最高工作频率受限于寄生模的激励过高的损耗色散严重的不连续效应辐射引起的Q值降低严格的制造公差加工安装损坏制造工艺的限制 频率上限2.2.6 微带线的工作频率极限目前理论表明，普通微带线结构最高工作频率(36)W 和 2.3 带状线特性阻抗： 惠勒（Wheeler，H.A.）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)h(即边缘场的作用不大)时可用下列近似公式计算其特性阻抗和等

23、效介电常数： 2.4 悬置微带和倒置微带2.5 槽线和共面波导槽线的场结构和电流分布槽线结构示意图TE波槽线的介质基片必须用高介电常数材料共面波导有一个独特的性质，即其特性阻抗与基片的厚度几乎无关。因此，可以利用低损耗高介电常数的材料作为基片来减小纵向电路尺寸，这对于低频段的微波集成电路来说是特别重要的。共面波导的结构示意图共面波导的场强示意图2.5 槽线和共面波导准TEM模传输截止频率高，适合极高频集成电路应用；色散效应比微带线弱，适合宽带电路设计。100GHz 放大器单片电路2.5 槽线和共面波导缺点：微带线的损耗要低于共面波导；微带线的等效介电常数要高于共面波导，因此具有更短的波长，从而

24、具有更小的分布效应；共面波导的模型更为复杂，建模困难。5-55GHz 分布式放大器单片电路2.5 槽线和共面波导 微带线是一种非常好的传输线结构，目前最高频率可达100GHz以上。但是在毫米波高端仍旧存在问题：1.辐射损耗大，电路中寄生模耦合明显增加，电路Q值降低。2.强烈的色散效应以及随之而来的高次模传输的可能性必然导致电路稳定性下降。3.把多个电路集成在一起时，为减小电路间的有害耦合必须采用模式隔离或谐振吸收装置。2.6鳍线1972年，P.J.Meier提出的鳍线（Fishline）一种由介质片支撑具有薄脊的加脊波导，或者一种带有金属鳍的介质平板加载波导。鳍线传播模式鳍线传播的不是准TEM

25、模，是TE和TM模系组成的混合模。若以TE模为主，习惯叫HE模（磁电模），若以TM为主，则用EH模（电磁膜）表示。设计得当，可以保证传输的为主模准TE10模，最高工作频率140GHz。鳍线的组成鳍线可认为是准平面结构，既要制作电路图形，又要考虑金属波导盒影响。鳍线常用的基片材料为软基板，例如RT-duroid 5880。基片通常安放在矩形波导E面中心，用尼龙或者其他金属螺钉固定装配。为保持金属鳍和金属波导内壁的射频连续性，基片放置处的金属波导宽壁壁厚应等于g/4。2.6鳍线2.6鳍线 鳍线横截面结构示意图（a）双侧鳍线；（b）单侧鳍线；（c）斜对侧鳍线；（d）单侧绝缘鳍线；（e）双侧绝缘鳍线损耗小，最常用隔离鳍线，偏置低阻抗电路使用双面做电路，但损耗较大2.6鳍线（a）滤波器；谐振器；（b）阻抗变换器；耦合器矩形波导中的过度段(a) 渐变式；（b）多阶梯式鳍线有如下优点：(1) 在毫米波频段，它的电路尺寸可以与有源器件相容，因而容易实现有源和无源电路的集成;(2) 它的导行波长比微带中的导行波长要长，因