第一章+传输线和集总参数元件

第一章+传输线和集总参数元件第一页，共53页。

在交流状态下,有“集肤效应”；在射频（f≥500MHz）范围此导线相对于直流状态的电阻和电感可分别表示为（1-3a）

（1-3b）

一般在δ＜＜a条件下成立第二页，共53页。

δ=(πfμσ)-1/2

（1-4）

定义为“集肤深度”。集肤深度与频率之间满足平方反比关系,随着频率的升高,集肤深度按平方率减小。 电流密度为（1-5）

p2=-jωμσ。第三页，共53页。图

1-1交流状态下铜导线横截面电流密度对直流情况的归一化值第四页，共53页。 金属导线本身有一定的电感量,这个电感在射频/微波电路中,会影响电路的工作性能。电感值与导线的长度、形状和工作频率有关。 金属导线还可以看作一个电极,它与地线或其他电子元件之间存在一定的电容量,这个电容对射频/微波电路的工作性能也有较大的影响。第五页，共53页。

集中参数元件尺寸小、价格低，可实现宽带，这些优点特适合HMIC和MMIC，目前应用可达60GHz以上。 集总参数元件的射频特性

在微波频段，集中参数元件可看作一段很小的TEM传输线来设计，设计时需要考虑综合一些数学模型，建立模型时需考虑接地面的存在、邻近效应、边缘场、寄生参数等。第六页，共53页。电阻

基本功能是将电能转换成热产生电压降。 电子电路中,一个或多个电阻可构成降压或分压电路用于器件的直流偏置,也可用作直流或射频电路的负载电阻完成某些特定功能。通常有：

高密度碳介质合成电阻、镍或其他材料的线绕电阻、温度稳定材料的金属膜电阻和铝或铍基材料薄膜片电阻。 在射频/微波电子电路中使用最多的是薄膜片电阻,一般使用表面贴装元件（SMD）。第七页，共53页。所希望使用的薄膜电阻特性是： 稳定性好的电阻值，不随时间变化；低的电阻温度系数（TCR）；足够的散热能力；寄生参量足够小；最大长度小于0.1λ，使得传输线效应可以忽略。

第八页，共53页。

物质的电阻的大小与物质内部电子和空穴的迁移率有关。从外部看,

定义薄片电阻,则

(1-6a)(1-6b)第九页，共53页。图1-3物质的体电阻图1-4电阻的等效电路

图

1-5线绕电阻的等效电路

第十页，共53页。图1-6电阻的阻抗绝对值与频率的关系电阻及其寄生电容和电感在高频上随频率变化，是所有电阻器的一个共同问题第十一页，共53页。电容 在低频率下,电容器的电容量定义为 在射频/微波频率下,实际的介质内部存在传导电流,也就存在相应的损耗,介质中的带电粒子还有一定的质量和惯性,在电磁场的作用下,很难随之同步振荡,在时间上有滞后现象,也会引起能量的损耗。第十二页，共53页。 所以

在射频/微波应用中,还要考虑引线电感L以及引线导体损耗的串联电阻Rg和介质损耗电阻Re。

（1-8）

（1-9）

第十三页，共53页。平面式电容器由金属-绝缘体-金属结构组成，氮化硅、氧化硅和聚酰亚胺是其经常使用的绝缘体。

第十四页，共53页。交指型电容器图1-7射频电容的等效电路

第十五页，共53页。交指型电容器交指型电容器的最大电容值受限于物理尺寸，其最大可工作的频率受限于指间的分布特性。交指型电容器特别适合于用做调谐、耦合和匹配元件，这些场合要求电容量小、量值精确的电容器。交指型电容器和平面式电容器（金属-绝缘体-金属（MIM）电容器）两者都能用于射频集成电路中。平面式电容器在实现大容量值的隔直流模块和去耦电路时需特别注意功率容量。第十六页，共53页。图1-8电容阻抗的绝对值与频率的关系注：也可用一段很短的开路传输线来模拟电容器第十七页，共53页。

电感

常用的电感器一般是线圈结构,在高频率也称为高频扼流圈，其结构一般是用直导线沿柱状结构缠绕而成。图1-9在电感线圈中的分布电容和串联电阻注：一段很短的短路传输线也可用来模拟电感器第十八页，共53页。

导线的缠绕构成电感的主要部分,而导线本身的电感可以忽略不计，细长螺线管的电感量为

（1-10）

在考虑了寄生旁路电容Cs以及引线导体损耗的串联电阻Rs后，电感的等效电路如图1-10所示。图1-10高频电感的等效电路第十九页，共53页。图1-11电感阻抗的绝对值与频率的关系 铜电感线圈的高频特性：在谐振点之前阻抗升高很快,而在谐振点之后,由于寄生电容Cs的影响已经逐步处于优势地位而逐渐减小。第二十页，共53页。射频/微波集成电路电感器可分为：（1）带状电感器（2）单圈环形电感器（3）多匝螺旋电感器第二十一页，共53页。知识回顾

传输线基本理论第二十二页，共53页。(1-13)

当R=G=0时,传输线没有损耗,无耗传输线的传输常数γ及特性阻抗Z0分别为第二十三页，共53页。α定义为传输线的衰减常数:

定义为相移常数：

波长相速度输入阻抗第二十四页，共53页。1.传输线上距负载为半波长整数倍的各点的输入阻抗等于负载阻抗；2.距负载为四分之一波长奇数倍的各点的输入阻抗等于特性阻抗的平方与负载阻抗的比值；第二十五页，共53页。反射系数为终端反射系数输入阻抗与反射系数的关系驻波比驻波比与反射系数的关系第二十六页，共53页。史密斯圆图 史密斯圆图是将归一化阻抗（Z=r+jx）的复数半平面（r>0）变换到反射系数复数平面上。 将等电阻圆和等电抗圆两组圆图重叠起来就是阻抗圆图。阻抗圆图内任一点的阻抗值及其对应的反射系数可以读出。依同样的方法,也可得出导纳圆图。第二十七页，共53页。第二十八页，共53页。特点特殊点位置||VSWRrxl匹配点中心（0,0）0110开路点（1,0）10短路点（-1,0）100第二十九页，共53页。特点圆图上有三条特殊轨迹实轴对应纯电阻轨迹，即x＝0。正实轴OD直线为电压波腹点（电流波节点）的轨迹，且归一化电阻等于驻波系数；负实轴OC直线为电压波节点（电流波腹点）的轨迹，且归一化电阻等于行波系数；最外圆为纯电抗圆，即||=1的全反射圆第三十页，共53页。阻抗圆图----特点圆图上有两个特殊的面圆图的上半平面x>0，感性电抗的轨迹圆图的下半平面x<0，容性电抗的轨迹两个旋转方向顺时针向波源逆时针向负载第三十一页，共53页。阻抗圆图----特点Smith圆图可以直接提供如下信息直接给出归一化输入阻抗值zin

，乘以特性阻抗即为实际值；直接给出反射系数的模值||及其相位；根据反射系数模值计算出驻波系数的值第三十二页，共53页。平面传输线的特性 对于适合在微波集成电路中作为电路元件的传输线结构，主要要求之一是这种结构应是“平面”的，即电路的特性可以由单一平面内的结构和尺寸来决定。可在MIC中使用的各种形式的平面传输线中，带状线、微带线、悬置（倒置）微带线、槽线、共面波导和共面带状线是有代表性的几种。第三十三页，共53页。常用射频/微波传输线第三十四页，共53页。

微带线 微带线是一种准TEM波传输线，结构简单,工程效果佳,便于器件的安装和电路调试,产品化程度高,已成为射频/微波电路中首选的电路结构。

1.微带线基本设计参数（1）基板参数:基板介电常数εr、基板介质损耗角正切tanδ、基板高度h和导线厚度t。导带和底板（接地板）金属通常为铜、金、银、锡或铝。（2）电特性参数:特性阻抗Z0、工作频率f0、工作波长λ0、波导波长λg和电长度（角度）θ。（3）微带线参数：宽度W、长度L和单位长度衰减量AdB。第三十五页，共53页。第三十六页，共53页。

2.微带线的设计方法 微带线设计的实质就是求给定介质基板情况下阻抗与导带宽度的对应关系。目前使用的方法主要有： （1）查表格。 用法步骤是：①按相对介电常数选表格；②查阻抗值、宽高比W/h、有效介电常数εe三者的对应关系；③计算,通常h已知,则W可得,由εe求出波导波长,进而求出微带线长度。

（2）用软件。

仿真软件AWR的MicrowaveOffice，AgilentADS，CST，HFSS，AnsotDesigner

数学计算软件matlab第三十七页，共53页。

3.微带线常用材料

1）介质材料 高速传送信号的基板材料一般有陶瓷材料、玻纤布、聚四氟乙烯、其他热固性树脂等。 2）铜箔种类及厚度选择 3）环境适应性选择与电解铜箔相比，压延铜箔更适合于制造高精密图形

湿度和通孔对基板选择的影响第三十八页，共53页。表1-2覆铜板基材的国内外主要生产厂家

第三十九页，共53页。

3.微带线的局限

最高工作频率受许多因素限制，譬如寄生模的激励、较高的损耗、严格的制造公差、处理过程中的脆性、显著的不连续效应、不连续处的辐射引起低的Q值。基板最大厚度受微带线不连续处高辐射损耗的限制，譬如开路端、间隙、裂缝、宽度裂变、拐弯等不连续点。第四十页，共53页。

悬置微带线与倒置微带线 比微带线有更高的Q值，可以实现很宽范围内的阻抗值，特别适用于滤波器。 第四十一页，共53页。

共面波导（CPW）和共面带状线（CPS）

两种结构互补，无论安装并联还是串联的有源或无源元件都很方便，无需开孔和开槽。 第四十二页，共53页。

带状线

TEM波为其主模,性能更好，结构稍为复杂。

槽线 传播模式基本是横电波（TE），适用于高阻抗线、串联短线、短路电路。 第四十三页，共53页。耦合线 由彼此平行放得非常近的两根传输线构成，在定向耦合器、滤波器、移相器、对称—不对称变换器等多种电路中广泛用作基本元件。宽边耦合带状线广泛应用于紧耦合的场合。 第四十四页，共53页。不连续性

第四十五页，共53页。不连续性对电路的影响窄带电路中频率偏移输入输出电压驻波比变差宽带电路指标较大起伏多功能电路中接口问题由于电路性能变坏使成品率降低高增益放大器中表面波和辐射耦合引起振荡 第四十六页，共53页。不连续性的补偿设计

第四十七页，共53页。波导和同轴传输线

波导 通常使用的是矩形波导,基本结构尺寸是a×b的矩形横截面,长度一般要大于几个波长。

图

1-18矩形波导

第四十八页，共53页。①截止波长与相移常数:kc=②波导波长与波阻抗：ZTE10=第四十九页，共53页。④传输功率:E10=是Ey分量在波导宽边中心处的振幅值。功率容量为③相速与群速:第五十页，共53页