微波集成电路 课件 第二章 微波集成传输线-2.1概述

第二章微波集成传输线2.1概述微波集成传输线是平面传输线，是微波集成电路的基础：“平面”，是相对于波导同轴等立体传输线而言；在（介质或半导体）基片上形成导电膜/条带优点：集成度高→小型化、轻量化可靠性好易于批量生产低成本与波导、同轴立体传输线比较，微波集成传输线具有：缺点损耗大Q值低功率容量低基片：——介质/半导体，介电常数远大于1；——厚度远小于立体传输线尺寸制备工艺：厚膜工艺和薄膜工艺更小的传输线尺寸（横向、纵向），更高的集成度易于批量生产、低成本。2.1概述微波集成传输线应有的特点：集成度高便于与固态器件（三端器件）连接，电路损耗低便于与其他电路系统连接常见微波集成传输线：微带线带状线悬置微带和倒置微带槽线鳍线共面波导介质集成波导特性参数：·特性阻抗；

·相速和波长；

·衰减常数；

·功率容量设计原则应用领域较高的介电常数，使电路小型化：2.1概述微波集成传输线的基片材料应具有的特点:其它要求：在给定的频率和温度范围内介电常数

稳定；纯度高，性能一致性好；击穿强度高；导热性好，以适用于较大的功率；适应环境能力强。传输线横截面更小导波波长更短低损耗：小的损耗角正切tanδ低的基片导电率机械性能好：硬度强韧性好表面平整、光洁使覆着的金属层面平整、光洁，金属损耗低性价比高2.1概述材料名称材料类型介电常数损耗正切×10-4表面粗糙度μm热导率W/cm℃

应用与特点石英SiO23.78<1(20GHz以内)0.1~0.50.01低介电常数、低损耗、高光洁度、易碎、金属附着性差、成本高，毫米波陶瓷9.0~10.0（一般9.8）<15(20GHz以内)2~150.3高介电常数、损耗小、表面光洁、便于加工，厘米波-毫米波段蓝宝石氧化铝晶体

8.6（水平方向）、10.55（垂直方向）<150.5~10.4电各向异性，光洁度高、损耗低、价格昂贵，毫米波聚四氟乙烯纤维加强板

2.5~2.810~15(10GHz)

厘米波铁氧体

13~162~5(10GHz)100.03非互易器件/电路氧化铍

6.61(10GHz)2~102.5导热好，功率器件高介陶瓷

20~801~2(10GHz)

0.01~0.05小型化电路TaconicRF60PTFERandomGlassFiber6.15+/-0.25

28（X-band）0.43

复合介质软基片、双面覆铜、硬度低、便于加工成型、机械强度低、导热性差、低成本，应用广泛RT/duroid58702.3312(10GHz)0.22

RT/duroid58802.29(10GHz)

0.20RT/duroid6010LMPTFECeramic10.223(10GHz)

0.86

ULTRALAM3850LiquidCrystallinePolymer2.925

无源器件应用最广泛的硬基片应用最广泛的软基片微波集成传输线的常用介质基片材料2.1概述微波单片集成电路的常用半导体基片材料名称SiGaAsInPGaNSiC电阻率（Ω·cm）103-105107-109~107≥1010≥1010相对介电常数11.712.9148.940电子迁移率(cm2/(V·s))145085006000800500电子饱和速度(cm/s)9×1061.3×1071.9×1072.3×1072×107抗辐照能力弱很好好优优密度(g/cm3)2.35.34.8

3.1热导率(W/cm·℃)1.450.460.681.34.3工作温度（℃）250350300>500>500禁带宽度（eV）1.121.421.343.392.86击穿电场(kV/cm)~300400500≥5000≥2000Si：较低的电阻率和电子迁移率，较好的导热率，主要应用低频、高功率器件GaAs：微波单片集成电路的主要基片材料InP：毫米波频段，高增益、低噪声性能。宽禁带材料SiC、GaN：具有出色的热稳定性、化学稳定性和抗辐照能力，适合制做微波高功率MMIC、航空航天、核工业等恶劣环境2.1概述微波集成传输线的金属材料应具有的特点:高导电率；性能稳定，不易氧化蚀刻性好容易焊接/键合容易淀积或电镀对基板附着力强。材料电阻率Ω/cm趋肤深度μm（2GHz）表面电阻率

Ω/cm2×10-7f-1/2热膨胀系数10-5/℃基片附着性银1.59×10-61.42.521差铜1.67×10-6

1.52.618很差金2.35×10-6

1.73.015很差铝2.65×10-61.93.325很差钨5.34×10-6

2.64.74.6好钼5.5×10-6

2.74.76.0好铬12.7×10-6

2.74.79.0好钽15.2×10-6

4.07.26.6很好薄膜与厚膜工艺产品之差异分析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<0.3μm较差，误差<3μm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2.1概述薄膜工艺制备过程：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2.1概述性能：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。2.1概述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低频、数字电路——集总参数方法工作频率低，不考虑信号相移问题电场集中的地方——电容；磁场集中的地方——电感；损耗集中的地方——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微波传输线——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，介质热损耗集总参数分析方法不再适用于微波传输线了求解给定边界条件下的电磁场方程微波集成传输线分析方法考虑波导、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TEM波传输线，可严格定义电压电流，可由等效电路方法求解：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微波集成传输线，边界条件复杂，严格求解电磁场问题困难大多数常用微波集成传输线，传输主模是TEM波，可采用场、路结合的方法求解——分布参数电路分析方法TEM波传输线，电磁场横截面分布与二维静电场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考虑分布参数电路分析方法分析集成传输线（TEM波）的步骤2.1概述

——微波集成传输线分析方法传播TEM波的微波集成传输线等效分布参数等效电路网络（C0、L0、R0、G0）求解稳态场边值问题分布参数电路模型参数（元件）：C0、L0、R0、G0分析电路网络/方程传输线特性参数：Zc、Vp、λg、…….TEM波微波集成传输线分布参数电路分析方法TEM波微波集成传输线由一系列部分参数元件C0、L0、R0和G0级联而成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）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TEM波微波集成传输线分布参数元件分布参数元件值由传输线上电压、电流、电量和能量之间的关系确定分布参数电容：单位长度传输线上一个导体上电荷总量Q0

与两导体间电位差U之比分布参数电感：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。——频率越高，分布参数特性越显著2.1概述

——微波集成传输线分析方法TEM波微波集成传输线分布参数元件定义分布参数电导：表征了单位长度微波集成传输线基片介质损耗，可从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尼损耗是主要原因。单位长度传输线基片损耗功率为：得：2.1概述

——微波集成传输线分析方法TEM波微波集成传输线分布参数元件定义分布参数电阻：表征了单位长度微波集成传输线导体条带和金属接地面损耗，可由单位长度传输线沿传输方向导体上的压降Ud与通过导体的电流I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因素：随