微波技术基础电子科大第次课

微波技术基础詹铭周电子科技大学电子工程学院地点：清水河校区科研楼B336

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电邮：mzzhan@本课内容1、第三章、微波集成传输线常用集成传输线的种类和主要特点2、第四章介质波导和光波导1、传播条件和波型2、特性阻抗3、波长，相速4、功率容量5、衰减了解微波集成传输线

微波集成传输线的最大特点是平面化五种重要的传输线：带状线（Stripline）微带线（Microstripline）槽线（Slotline）鳍线（Finline）共面线（Coplanarline）注意耦合线结构共面波导（CPW）共面带线（CPS）接地共面波导（CBCPW）Conducter-backedCPW指元器件、传输线导带等在同一平面按传播模分类均匀介质的多导体传输线均匀介质的单导体传输线非均匀介质的平面传输线结构带状线鳍线准TEM模一、回顾带状线

1950年，R.M.Barrett发明了带状线，是一种三导体TEM波传输线。上下两块导体板是接地板，中间的导体带位于上下板的对称面上，导体带与接地板之间可以是空气介质或填充其它介质。故又称为三板线或夹心线。

为减少带状线在横截面方向的能量泄露，上下接地板的宽度D和接地板间距必须满足D>(3~6)W和带状线的最高工作频率取微波集成传输线－带状线

惠勒1978年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)<10时，精度优于0.5%另外一种公式：H.Howe,Jr.,StriplineCircuitDesign,ArtechHouse,Dedham,MA,1974.

式中微波集成传输线－带状线

带状线—优缺点和应用1、改变线宽一个参数就改变电路参数（特性阻抗）。2、在馈线、功分器，耦合器，滤波器，混频器，开关的设计中，体积小，重量轻，大批量生产的重复性好。3、立体电路的设计，适用于多层微波电路，LTCC等，辐射小。4、封闭的电路，调试难。5、电路需要同轴或波导馈入，引入不连续性，需要在设计时补偿。6、在多层电路设计中，存在不同节点常数的介质之间的连接，介质与金属导体的连接，分析方法非常复杂，尤其对3D电路，尚缺少各种不连续性的模型和相关设计公式，采用全波分析法或者准静态场分析。3.2微带线D.D.GriegandH.F.Englemann,“Microstrip—ANewTransmissionTechniquefortheKilomegacycleRange,”Proc.IRE,Vol.40,pp.1644–1650,Dec.1952.

微带线的特性参量，如相位常数，特性阻抗等可由横向截面的参数全部确定，方便与有源器件连接，是目前HMIC和MMIC中使用最广泛的平面传输线。

二、微带线

微带线1.直流到高频均可传输2.方便与器件连接，（串并联）3.方便器件和电路的在线测试(开放式平面传输结构)4.传输线的波导波长小，电路尺寸小5.结构稳定，电路可靠性高，能够承受高电压和中等功率水平微波波集集成成传传输输线线－－微带带线线微带带线线可可以以看看作作由由双双线线传传输输线线演演变变而而来来。。在在两两根根导导线线之之间间插插入入极极薄薄的的理理想想导导体体平平板板，，它它并并不不影影响响原原来来的的场场分分布布，，而而后后去去掉掉板板下下的的一一根根导导线线，，并并将将留留下下的的一一根根““压压扁扁””，，即即构构成成了了微微带带线线。。微微带带线线中中的的主主模模是是准TEM模准TEM模（电电磁磁场场的的纵纵向向分分量量很很小小））具具有有色色散散持持性性，，这这与与纯纯TEM模不不同同，，而而且且随随着着工工作作频频率率的的升升高高，，这这两两种种模模之之间间的的差差别别也也愈愈大大。。微波波集集成成传传输输线线－－微带带线线传输输媒媒质质为为空空气气和和介介质质的的非非均均匀匀媒媒质质，，微微带带线线的的电电磁磁场场存存在在纵纵向向分分量量，，不不能能传传播播纯纯TEM波。。但是是，，主主模模的的纵纵向向场场分分量量远远小小于于横横向向场场分分量量。。因因此此，，主模模具具有有纯纯TEM相似似的的特特性性；；纯TEM的分分析析方方法法也也对对微微带带线线适适用用。。—————准TEM近似似法法1970,Vendelin指出出微微带带线线中中除除了了准准TEM模外外，，还还可可能能存存在在其其它它两两种种高高次次模模式式：：波导导模模（（横横向向谐谐振振模模））和和表表面面波波模模波导导模模是是指指在在金金属属导导带带与与接接地地板板之之间间构构成成有有限限宽宽度度的的平平板板波波导导中中存存在在的的TE、TM模（（宽导导体体情情况况下下）。。最最低低横横向向谐谐振振模模为为TE模，，与与准准TEM模发发生生强强耦耦合合。。平板波导的的最低TE模和TM模是TE10模、TM01模，边缘修正微波集成传传输线－微带线表面波模：：具有金属属接地板的的介质中传传播，存在在于导带的的两侧。表表面波中最最低的TE和TM模分别是TE1模和TM0模。它们的截截止波长分分别为：TE1模激励频率率低，但是是相速高，，与TEM发生强耦合合的最低模模的首先是是TM0模。波导横向谐谐振模易消消除。表面面波限制了了微带线的的工作频率率上限。微波集成传传输线－微带线工作频率上上限最后，抑制制波导模和和表面波，，保证单模模传输为微带线设计计中，金属属屏蔽盒高高度取H≥（5~6）h，接地板宽度度取L≥（5~6）W微波集成传传输线－微带线有效相对介介电常数→准TEM波引入的H.A.Wheeler,Transmission-linepropertiesofparallelwidestripsbyaconformalmappingapproximation,IEEETrans.MicrowaveTheoryTech.12:280–289(May1964).H.A.Wheeler,Transmission-linepropertiesofparallelstripsseparatedbyadielectricsheet,IEEETrans.MicrowaveTheoryTech.13:172–185(March1965).或者微波集成成传输线线－微带线3.2-14特性阻抗抗W/h>2的宽微带带线W/h<2的窄微带带线微波集成成传输线线－微带线介质影响响传播速速度E.HammerstadandO.Jensen,AccurateModelsformicrostripcomputer-aideddesign,IEEEMTT-SInt.MicrowaveSymp.Digest,1980,pp.407–409.色散以上关于于微带线线的结论论都是在在准TEM近似下得得出的。。——有效介电电常数、、传播速速度、波波导波长长等与频频率无关关。事实上由由于微带带线结构构存在空空气和介介质的突突变，在在此边界界上会有有纵向场场分量，，微带线线实际传传播的是是混合波波。色散：电电磁波的的传播速速度随频频率变化化的现象象。微带线——相对介电电常数随随频率变变化——电磁波能能量的传传播速度度随频率率变化——脉冲信号号个各个个频率分分量将以以不同速速度在微微带线上上传播——信号失真真。4.频率接近近的TE1表面波截截止频率率时相速速度出现现拐点：E.HammerstadandO.Jensen,Accuratemodelsformicrostripcomputeraideddesign,IEEEMTT-SInt.MicrowaveSymp.Digest,1980,pp.407–409.M.Kobayashi,AdispersionformulasatisfyingrecentrequirementsinmicrostripCAD,IEEETrans.MicrowaveTheoryTech.MTT-36:1246–1250(1988).微带线的的衰减导体损耗耗，介质质损耗（（耗散作作用）——主要辐射损耗耗，寄生生模式损损耗——可忽略导体损耗耗介质损耗耗悬置或倒倒置微带带线中，，电磁场场的大部部分处于于空气中中，介质质影响不不大，其其有效相相对介电电常数εre接近于1，从而其其特性参参量接近近空气中中的参量量，线中中损耗大大减小，具有比比微带线线更高的Q值(500-1500)，接近于于无色散，并且可可实现的的阻抗值值范围大大，因此此特别适适合应用用于滤波波器、谐谐振电路路等Q值较高的的场合。。悬置微微带线的的缺点是是，与标标准微带带线相比比，结构构不紧凑凑。悬置置或倒置置微带线线传输的的主模是是准TEM模微带的改改型——悬置微带带线和倒倒置微带带线3.4悬置微带带线和倒倒置微带带线悬置微带带线倒置微带带线当0.2<a/b<1，1<W/b<8,,精度在时时优于1%；3.4悬置微带带线和倒倒置微带带线3.3耦合带状状线和耦耦合微带带线奇偶模方方法→采用奇模模激励和和偶模激激励两种种状态对对它进行行分析，，其它的的激励状状态可看看作是这这两种状状态的叠叠加。奇模激励励→在耦耦合线的的两个中中心导体体带上加加的电压压幅度相相等，而而相位相相反→→中心对对称面为为电壁偶模激励励→在耦耦合线的的两个中中心导体体带上加加的电压压幅度相相等，相相位相同同→中中心对称称面为磁磁壁3.3耦合带状状线和耦耦合微带带线先求奇偶偶模电容容、再求求奇偶模模阻抗槽线属于于分区填填充介质质的导波波系统，，非TEM模，即Ez和Hz都不为零零，属于于一种波波导模。。便于于安置固固体器件件，但但难以得得到低于于60Ω的特性阻阻抗。。三、槽线无截至频频率εre=(εr+1)/2槽线四、共共面传输输线共面传输输线分共共面波导导（CPW）、共面面带线（（CPS）等等。。明显优点点是与有有源器件件和无源源元件连连接十分分方便。。工作模式式非TEM模传播→便于MMIC共面波导导共面波导导3.6共面传输输线共面带线线第一类完完全椭圆圆函数、、余函数数3.6共面传输输线2.共面带线线式中五、鳍线双侧鳍线单侧鳍线双侧非对称鳍线对脊鳍线绝缘鳍线安装在金金属矩形形波导E面上的平平面电路路，金属属鳍印刷刷在介质质基片上上→应用用于毫米米波频段段。工作模式式为混合模，特性参参量计算算较为复复杂，采采用谱域域法等数数值方法法。3.7鳍线用到了：：微带线线，悬置置微带线线，耦合合线，鳍鳍线，共共面线，，矩形波波导，以以及传输输线之间间的转换换结构。。在上方端端口处一一般会接接上同轴轴接头，，还会用用到同轴轴线。毫米波鳍鳍线混频频器介质波导导和光波波导当毫米波波波段→→亚毫米米波段→→太赫兹兹波段时时普通的微微带线将将出现一一系列新新问题1）高次模模的出现现使微带带的设计计和使用用复杂2）金属波波导的单单模工作作条件限限制了其其横向尺尺寸不能能超过大大约一个个波长的的范围。这在厘厘米波段段和毫米米波低频频段不成成问题。。但到毫毫米波高高频段，，单模波波导的尺尺寸就显显得太小小，不仅仅制造工工艺困难难，而且且随着工工作频率率的提高高，功率率容量越越来越小小，壁上上损耗越越来越大大，衰减减大到不不能容忍忍的地步步。因此此，对毫毫米波段段的高端端及来说说，封闭闭的金属属波导已已不再适适用。于于是，适适合于毫毫米波高高频段、、亚毫米米波的传传输线———介质质波波导导等等非非封封闭闭式式的的传传输输线线（（或或称称开开波波导导））便便应应运运而而生生矩形形介介质质波波导导介质质镜镜像像波波导导隔离离介介质质波波导导倒置置带带状状介介质质波波导导圆柱柱介介质质波波导导光纤纤介质质波波导导和和光光波波导导圆柱柱介介质质波波导导要求求传输输的的电电磁磁波波为为表表面面波波，，是是混混合合模模，，Hz≠0和Ez≠0分析析方方法法与与金金属属园园波波导导一一样样，，采采用用圆圆柱柱坐坐标标系系、、纵纵向向场场法法介质质波波导导和和光光波波导导在不不同同介介质质kc中取取不不同同值值在介介质质柱柱内内，，Ⅰ区在介介质质柱柱内内，，Ⅱ区且（沿r方向为为衰减减场））介质Ⅰ区中，，场沿沿r呈驻波波分布布介质Ⅱ区中，，场沿r为指数数衰减减圆柱介介质波波导内内：和和圆柱介介质波波导外外：和和介质波波导和和光波波导通解第一、、二类类变形形贝塞塞尔函函数将上述述通解解应用用于讨讨论的的实际际情况况，则则有（1）圆柱柱介质质内部部因中中心轴轴处场场应为为有限限值，，故B1＝0；（2）圆柱柱介质质外部部因无无穷远远处场场应为为0，故A2＝0；（3）圆柱柱介质质圆周周方向向上，，场应应为单单值，，故m为整数数。圆柱介介质内内部通通常取取B3＝0的圆极极化解解（当当然也也可取取cosmφ和sinnφ的线极极化解解）介质波波导和和光波波导圆柱介介质内内部（（Ⅰ区）圆柱介介质外外部（（Ⅱ区）由横－－纵场场关系系，可可对应应求出出圆柱柱介质质内、、外横横向场场分量量边界条条件在在r＝a处E0z1＝E0z2，E0φ1＝E0φ2，H0z1＝H0z2，H0φ1＝H0φ2介质波波导和和光波波导最后得得圆柱柱介质