微波技术基础知识

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.直流到高频均均可传输2.方便与器件连连接，（串并并联）3.方便器件和电电路的在线测测试(开放式平面传传输结构)4.传输线的波导导波长小，电电路尺寸小5.结构稳定，电电路可靠性高高，能够承受受高电压和中中等功率水平平微波集成传输输线－微带线微带线可以看看作由双线传传输线演变而而来。在两根根导线之间插插入极薄的理理想导体平板板，它并不影影响原来的场场分布，而后后去掉板下的的一根导线，，并将留下的的一根“压扁扁”，即构成成了微带线。。微带线中的的主模是准TEM模准TEM模（电磁场的纵纵向分量很小小）具有色散散持性，这与与纯TEM模不同，而且且随着工作频频率的升高，，这两种模之之间的差别也也愈大。微波集成传输输线－微带线传输媒质为空空气和介质的的非均匀媒质质，微带线的的电磁场存在在纵向分量，，不能传播纯纯TEM波。但是，主模的的纵向场分量量远小于横向向场分量。因因此，主模具有纯TEM相似的特性；；纯TEM的分析方法也也对微带线适适用。———准TEM近似法1970,Vendelin指出微带线中中除了准TEM模外，还可能能存在其它两两种高次模式式：波导模（横向向谐振模）和和表面波模波导模是指在在金属导带与与接地板之间间构成有限宽宽度的平板波波导中存在的的TE、TM模（宽导体情况下下）。最低横向向谐振模为TE模，与准TEM模发生强耦合合。平板波导的最最低TE模和TM模是TE10模、TM01模，边缘修正微波集成传输输线－微带线表面波模：具具有金属接地地板的介质中中传播，存在在于导带的两两侧。表面波波中最低的TE和TM模分别是TE1模和TM0模。它们的截止止波长分别为为：TE1模激励频率低低，但是相速速高，与TEM发生强耦合的的最低模的首首先是TM0模。波导横向谐振振模易消除。。表面波限制制了微带线的的工作频率上上限。微波集成传输输线－微带线工作频率上限限最后，抑制波波导模和表面面波，保证单单模传输为微带线设计中中，金属屏蔽蔽盒高度取H≥（5~6）h，接地板宽度取取L≥（5~6）W微波集成传输输线－微带线有效相对介电电常数→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).或者微波集成传输输线－微带线3.2-14特性阻抗W/h>2的宽微带线W/h<2的窄微带线微波集成传输输线－微带线介质影响传播播速度E.HammerstadandO.Jensen,AccurateModelsformicrostripcomputer-aideddesign,IEEEMTT-SInt.MicrowaveSymp.Digest,1980,pp.407–409.色散以上关于微带带线的结论都都是在准TEM近似下得出的的。——有效介电常数数、传播速度度、波导波长长等与频率无无关。事实上由于微微带线结构存存在空气和介介质的突变，，在此边界上上会有纵向场场分量，微带带线实际传播播的是混合波波。色散：电磁波波的传播速度度随频率变化化的现象。微带线——相对介电常数数随频率变化化——电磁波波能量量的传传播速速度随随频率率变化化——脉冲信信号个个各个个频率率分量量将以以不同同速度度在微微带线线上传传播——信号失失真。。4.频率接接近的的TE1表面波波截止止频率率时相相速度度出现现拐点点：E.HammerstadandO.Jensen,Accuratemodelsformicrostripcomputeraideddesign,IEEEMTT-SInt.MicrowaveSymp.Digest,1980,pp.407––409.M.Kobayashi,AdispersionformulasatisfyingrecentrequirementsinmicrostripCAD,IEEETrans.MicrowaveTheoryTech.MTT-36:1246–1250(1988).微带线线的衰衰减导体损损耗，，介质质损耗耗（耗耗散作作用））——主要辐射损损耗，，寄生生模式式损耗耗——可忽略略导体损损耗介质损损耗悬置或或倒置置微带带线中中，电电磁场场的大大部分分处于于空气气中，，介质质影响响不大大，其其有效效相对对介电电常数数εre接近于于1，从而而其特特性参参量接接近空空气中中的参参量，，线中中损耗大大减小，具有有比微微带线线更高的Q值(500-1500)，接近近于无色散散，并且且可实实现的的阻抗抗值范范围大大，因因此特特别适适合应应用于于滤波波器、、谐振振电路路等Q值较高高的场场合。。悬置置微带带线的的缺点点是，，与标标准微微带线线相比比，结结构不不紧凑凑。悬悬置或或倒置置微带带线传传输的的主模模是准准TEM模微带的的改型型——悬置微微带线线和倒倒置微微带线线3.4悬置微微带线线和倒倒置微微带线线悬置微微带线线倒置微微带线线当0.2<a/b<1，1<W/b<8,,精度在在时优优于1%；3.4悬置微微带线线和倒倒置微微带线线3.3耦合带带状线线和耦耦合微微带线线奇偶模模方法法→采用奇奇模激激励和和偶模模激励励两种种状态态对它它进行行分析析，其其它的的激励励状态态可看看作是是这两两种状状态的的叠加加。奇模激激励→→在耦耦合线线的两两个中中心导导体带带上加加的电电压幅幅度相相等，，而相相位相相反→→中中心对对称面面为电电壁偶模激激励→→在耦耦合线线的两两个中中心导导体带带上加加的电电压幅幅度相相等，，相位位相同同→→中心心对称称面为为磁壁壁3.3耦合合带带状状线线和和耦耦合合微微带带线线先求求奇奇偶偶模模电电容容、、再再求求奇奇偶偶模模阻阻抗抗槽线线属属于于分分区区填填充充介介质质的的导导波波系系统统，，非TEM模，即即Ez和Hz都不不为为零零，，属属于于一一种种波波导导模模。。便便于于安安置置固固体体器器件件，，但但难难以以得得到到低低于于60ΩΩ的特特性性阻阻抗抗。。三、、槽线线无截截至至频频率率εre=(εr+1)/2槽线线四、、共共面面传传输输线线共面面传传输输线线分分共共面面波波导导（（CPW）、、共共面面带带线线（（CPS）等等等等。。明显显优优点点是是与与有有源源器器件件和和无无源源元元件件连连接接十十分分方方便便。。工作作模模式式非TEM模传播播→便便于于MMIC共面面波波导导共面面波波导导3.6共面面传传输输线线共面面带带线线第一一类类完完全全椭椭圆圆函函数数、、余余函函数数3.6共面面传传输输线线2.共面面带带线线式中中五、、鳍线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装在在金金属属矩矩形形波波导导E面上上的的平平面面电电路路，，金金属属鳍鳍印印刷刷在在介介质质基基片片上上→→应应用用于于毫毫米米波波频频段段。。工作作模模式式为为混合合模模，特特性性参参量量计计算算较较为为复复杂杂，，采采用用谱谱域域法法等等数数值值方方法法。。3.7鳍线线用到到了了：：微微带带线线，，悬悬置置微微带带线线，，耦耦合合线线，，鳍鳍线线，，共共面面线线，，矩矩形形波波导导，，以以及及传传输输线线之之间间的的转转换换结结构构。。在上上方方端端口口处处一一般般会会接接上上同同轴轴接接头头，，还还会会用用到到同同轴轴线线。。毫米米波波鳍鳍线线混混频频器器介质质波波导导和和光光波波导导当毫毫米米波波波波段段→→亚亚毫毫米米波波段段→→太太赫赫兹兹波波段段时时普通通的的微微带带线线将将出出现现一一系系列列新新问问题题1）高高次次模模的的出出现现使使微微带带的的设设计计和和使使用用复复杂杂2）金金属属波波导导的的单单模模工工作作条条件件限限制制了了其其横横向向尺尺寸寸不不能能超超过过大大约约一一个个波波长长的的范范围围。这这在在厘厘米米波波段段和和毫毫米米波波低低频频段段不不成成问问题题。。但但到到毫毫米米波波高高频频段段，，单单模模波波导导的的尺尺寸寸就就显显得得太太小小，，不不仅仅制制造造工工艺艺困困难难，，而而且且随随着着工工作作频频率率的的提提高高，，功功率率容容量量越越来来越越小小，，壁壁上上损损耗耗越越来来越越大大，，衰衰减减大大到到不不能能容容忍忍的的地地步步。。因因此此，，对对毫毫米米波波段段的的高高端端及及来来说说，，封封闭闭的的金金属属波波导导已已不不再再适适用用。。于于是是，，适适合合于于毫毫米米波波高高频频段段、、亚亚毫毫米米波波的的传传输输线线———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介质质波导要求传输的电电磁波为为表面波波，是混混合模，，Hz≠0和Ez≠0分析方法法与金属属园波导导一样，，采用圆圆柱坐标标系、纵纵向场法法介质波导导和光波波导在不同介介质kc中取不同同值在介质柱柱内，，Ⅰ区在介质柱柱内，，Ⅱ区且（沿r方向为衰衰减场））介质Ⅰ区中，场场沿r呈驻波分分布介质Ⅱ区中，场沿r为指数衰衰减圆柱介质质波导内内：和和圆柱介质质波导外外：和和介质波导导和光波波导通解第一、二二类变形形贝塞尔尔函数将上述通通解应用用于讨论论的实际际情况，，则有（1）圆柱介介质内部部因中心心轴处场场应为有有限值，，故B1＝0；（2）圆柱介介质外部部因无穷穷远处场场应为0，故A2＝0；（3）圆柱介介质圆周周方向上上，场应应为单值值，故m为整数。。圆柱介质质内部通通常取B3＝0的圆极化化解（当当然也可可取cosmφ和sinnφ的线极化化解）介质波导导和光波波导圆柱介质质内部（（Ⅰ区）圆柱介质质外部（（Ⅱ区）由横－纵纵场关系系，可对对应求出出圆柱介介质内、、外横向向场分量量边界条件件在r＝a处E0z1＝E0z2，E0φ1＝E0φ2，H0z1＝H0z2，H0φ1＝H0φ2介质波导导和光波波导最后得圆圆柱介质质波导导导模的本本征值方方程，，可确定定各模式式的横向向场分布布四个齐次次方程有有解是系系数行列列式为零零，得本本征方程程介质波导导和光波波导圆柱介质质波导可可能存在在得四种种导模及及本征方方程介质波导导和光波波导介质波导导和光波波导得圆柱介介质波导导主模HE11得单模工工作的频频率范围围为主模HE11模，fc＝0。第一高高次模为为TM01和TE01模光波导介质波导导工作于于光频范范围时，，通常称称其为光光波导→→光纤纤光纤典型的的工作波长长是0.75～1.6μm，当波长为为1.3μm和1.55μμm时，光纤的的衰减和色色散都较小小。目前的的光纤技术术已能把光光纤传输线线的损耗降降低到0.15dB／km(甚至更低)光纤的特点点：频带宽、衰衰减小、重重量轻、直直经小、传传输容量大大、保密性性好、不受受电磁干扰扰，且价格格低→20世纪最卓越越的十大科科技成就之之一→大于于20％的通讯市市场。9、静夜四四无邻，，荒居旧旧业贫。。。12月-2212月-22Thursday,December29,202210、雨中黄叶叶树，灯下下白头人。。。13:31:2313:31:2313:3112/29/20221:31:23PM11、以我我独沈沈久，，愧君君相见见频。。。12月月-2213:31:2313:31Dec-2229-Dec-2212、故人江江海别，，几度隔隔山川。。。13:31:2313:31:2313:31Thursday,December29,202213、乍见翻疑疑梦，相悲悲各问年。。。12月-2212月-2213:31:2313:31:23December29,202214、他乡乡生白白发，，旧国国见青青山。。。29十十二二月20221:31:23下下午13:31:2312月月-2215、比不了了得就不不比，得得不到的的就不要要。。。十二月221:31下午午12月-2213:31December29,202216、行动动出成成果，，工作作出财财富。。。2022/12/2913:31:2313:31:2329December202217、做前前，能能够环环视四四周；；做时时，你你只能能或者者最好好沿着着以脚脚为起起点的的射线线向前前。。。1:31:23下下午1:31下下午午13:31:2312月月-229、没有失败，，只有暂时停停止成功！。。12月-2212月-22Thursday,December29,202210、很多事事情努力力了未必必有结果果，但是是不努力力却什么么改变也也没有。。。13:31:2313:31:2313:3112/29/20221:31:23PM11、成功功就是是日复复一日日那一一点点点小小小努力力的积积累。。。12月月-2213:31:2313:31Dec-2229-Dec-2212、世间成成事，不不求其绝绝对圆满满，留一一份不足足，可得得无限完完美。。。13:31:2313:31:2313:31Thursday,December29,202213、不知香积积寺，数里里入云峰。。。12月-2212月-2213:31:2313:31:23December29,202214、意意志志坚坚强强的的人人能能把把世世界界放放在在手手中中像像泥泥块块一一样样任任意意揉揉捏捏。。29十十二月20221:31:23下午午13:31:2312月-2215、楚楚塞塞三三湘湘接接，，荆荆门门九九派派通通。。。。。十二二月月221:31下下午午12月月-2213:31D