微波集成傳輸線.pptVIP

第五章,1,第五章 微波集成傳輸線,第五章,2,上一章介紹了金屬波導(dǎo)的傳輸原理及特性，這類傳輸系統(tǒng)具有損耗小、結(jié)構(gòu)牢固、功率容量高等優(yōu)點(diǎn)，其缺點(diǎn)是比較笨重。隨著航空、航天事業(yè)發(fā)展的需要，對(duì)微波設(shè)備提出了體積小、重量輕、可靠性高、成本低等要求。即使對(duì)于地面設(shè)備，也同樣存在減輕設(shè)備體積與重量的問題。20世紀(jì)50年代產(chǎn)生的帶狀線及微帶線不僅使微波電路的體積和重量大為減少，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工容易，因此發(fā)展極為迅速。,第五章,3,對(duì)微波集成傳輸元件的基本要求之一就是它必須具有平面型結(jié)構(gòu)，這樣可以通過調(diào)整單一平面尺寸來控制其傳輸性，從而實(shí)現(xiàn)微波電路的集成化。下圖給出了各種集成微波傳輸系統(tǒng)，歸納起來可以分為四大類： 準(zhǔn)TEM波傳輸線，主要包括微帶傳輸線和共面波導(dǎo)等。 非TEM波傳輸線，主要包括槽線、鰭線等；,第五章,4,開放式介質(zhì)波導(dǎo)傳輸線，主要包括介質(zhì)波導(dǎo)、鏡像波導(dǎo)等； 半開放式介質(zhì)波導(dǎo)，主要包括H形波導(dǎo)、G形波導(dǎo)等。 本章首先討論帶狀線、微帶線及耦合微帶線的傳輸性，然后介紹介質(zhì)波導(dǎo)的工作原理，并對(duì)幾種常用介質(zhì)波導(dǎo)傳輸線進(jìn)行介紹，最后對(duì)介質(zhì)波導(dǎo)的特例光纖波導(dǎo)進(jìn)行分析。,第五章,5,圖3-1各種微波集成傳輸線,第五章,6,5.1 微帶傳輸線 微帶傳輸線基本結(jié)構(gòu)有兩種形式：帶狀線和微帶線。帶狀線結(jié)構(gòu)如圖。它可看作由同軸線演化而來，即將同軸線的外導(dǎo)體對(duì)半分開后，再將兩半外導(dǎo)體向左右展平，內(nèi)導(dǎo)體也制成扁平帶線。從其電場(chǎng)分布結(jié)構(gòu)可見其演化特性。顯然，帶狀線仍可理解為與同軸線一樣的對(duì)稱雙導(dǎo)體傳輸線，主要傳輸?shù)氖荰EM波。,第五章,7,第五章,8,微帶線是由在介質(zhì)基片上的金屬導(dǎo)體帶和接地板構(gòu)成的一個(gè)特殊傳輸系統(tǒng)，它可以看成由雙導(dǎo)線傳輸線演化而來，即將無限薄的金屬片垂直插入雙導(dǎo)線中間，因?yàn)閷?dǎo)體板和所有電力線垂直，所以不影響原來的場(chǎng)分布，再將圓柱形導(dǎo)線變換成導(dǎo)體帶，并在導(dǎo)體帶與導(dǎo)體板之間加入介質(zhì)材料，從而構(gòu)成了微帶線。微帶線的演化過程及結(jié)構(gòu)如上圖所示。,第五章,9,1.帶狀線 帶狀線又稱三板線，它由兩塊相距為 b 的接地板與中間寬度為 w、厚度為 t 的 矩形截面導(dǎo)體構(gòu)成，接地板之間填充均勻 介質(zhì)或空氣，如圖所示。由于帶狀線由同 軸線演化而來，因此與同軸線具有相似的 特性，其傳輸主模也為TEM模。帶狀線的 傳輸特性參量主要有：特性阻抗Zo、衰減 常數(shù)、相速P和波導(dǎo)波長(zhǎng)g。,第五章,10,1）特性阻抗Z0 由于帶狀線上的傳輸主模為TEM，因此可以用準(zhǔn)靜態(tài)的分析方法求得單位長(zhǎng)分布電容C和分布電感L，從而有 式中，相速 （c為自由空間中的光速）。,第五章,11,由 可知，只要求出帶狀線的單位長(zhǎng)度分布電容 C，則就可求得其特性阻抗。求解分布電容的方法很多，但常用的是等效電容法和保角變換法。由于計(jì)算結(jié)果中包含了橢圓函數(shù)而且對(duì)導(dǎo)帶厚度的情況還需修正，故不便于工程應(yīng)用。這里給出了一組比較實(shí)用的公式，這組公式分為導(dǎo)帶厚度為零和導(dǎo)帶厚度不為零兩種情況。,第五章,12,（1）導(dǎo)帶厚度零時(shí)的特性阻抗計(jì)算公式 式中，we是中心導(dǎo)帶的有效寬度，由下式給出：,第五章,13,（2）導(dǎo)帶厚度（t）不為零時(shí)的特性阻抗計(jì)算公式： 式中:,第五章,14,帶狀線特性阻抗隨w/b的變化曲線，如圖所示。由圖可見，帶狀線特性阻抗隨著w/b的增大而減小，而且也隨著 t/b 的增大而減小。,第五章,15,2）帶狀線的衰減常數(shù) 帶狀線的損耗包括由中心導(dǎo)帶和接地板導(dǎo)體引起的導(dǎo)體損耗、兩接地板間填充的介質(zhì)損耗及幅射損耗。由于帶狀線接地板通常比中心導(dǎo)帶大得多，因此帶狀線的幅射損耗可忽略不計(jì)。所以帶狀線的衰減主要由導(dǎo)體損耗和介質(zhì)損耗引起，即 式中，為帶狀線總的衰減常數(shù)；c為,第五章,16,導(dǎo)體衰減常數(shù)；d為介質(zhì)衰減常數(shù)。 介質(zhì)衰減常數(shù)由以下公式給出： 式中，G為帶狀線單位長(zhǎng)漏電導(dǎo)，tan為介質(zhì)材料的損耗角正切。 導(dǎo)體衰減通常由以下公式給出（單位Np/m）：,第五章,17,其中：,第五章,18,Rs為導(dǎo)體的表面電阻， 其中 是導(dǎo)體電導(dǎo)率， （銅的導(dǎo)電率為 ）。,第五章,19,3）相速和波導(dǎo)波長(zhǎng) 由于帶狀線傳輸?shù)闹髂門EM模，故其相速為 而波長(zhǎng)為 式中，o為自由空間波長(zhǎng)；C為自由空間光速。,第五章,20,4）帶狀線的尺寸選擇 帶狀線傳輸?shù)闹髂Ｊ荰EM模，但若尺 寸選擇不合理也會(huì)引起高次模 TE模和TM 在TE模中最低次模是TE10模，其截止波長(zhǎng)為 在TM模中最低次模是TM10模，其截止波長(zhǎng)為,第五章,21,因此為抑制高次模，帶狀線的最短工作波長(zhǎng)應(yīng)滿足 于是帶狀線的尺寸應(yīng)滿足,第五章,22,2、微帶線 微帶線的結(jié)構(gòu)如圖所示。介質(zhì)基片的一面為金屬導(dǎo)帶，另一面是金屬接地板。主要結(jié)構(gòu)參數(shù)有：導(dǎo)帶寬度W、厚度 t，基片厚度h以及基片材料的介電常數(shù) 。,第五章,23,微帶結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工方便，容易與 微波元器件連接，故在微波電路中得到廣泛的應(yīng)用。 由于微帶的介質(zhì)基片只位于導(dǎo)帶的一側(cè)，另一側(cè)是空氣，因而是一個(gè)多介質(zhì)系統(tǒng)。理論上它只能存在 TE和TM的混合模。但在微波頻段的低端，微帶的縱向分量遠(yuǎn)小于橫向分量，這時(shí)微帶線的傳輸模式與TEM波相差很小，稱為準(zhǔn) TEM模。微帶線的場(chǎng)結(jié)構(gòu)如圖所示。,第五章,24,下面我們來分析微帶傳輸線的主要傳輸特性。 1）特性阻抗Z0與相速 對(duì)微帶的分析，工程上常采用準(zhǔn)靜態(tài)法，即將微帶傳輸線作為TEM模傳輸線，通過求微帶線分布電容來求微帶的特性參數(shù)。 將微帶線看作TEM波傳輸線，如忽略損耗，那么根據(jù)傳輸線理論，微帶線的特性阻抗可用相速和微帶的分布電容,第五章,25,來表示： 式中，L和C分別為微帶線上的單位長(zhǎng)分布電感和單位長(zhǎng)分布電容。該表達(dá)式表明，改變微帶的介質(zhì)填充時(shí)，只要不改變其分布電容，則微帶的特性阻抗及相速不變。（因?yàn)榉谴判越橘|(zhì)不會(huì)改變電感。）,第五章,26,當(dāng)介質(zhì)基片的 （即以空氣為介質(zhì)）時(shí)，導(dǎo)帶周圍均勻填充空氣介質(zhì)，這時(shí)傳輸?shù)氖羌僒EM波，其相速與真空中光速幾乎相等，即 空氣微帶線的分布電容 ，可應(yīng)用復(fù)變函數(shù)的保角變換法進(jìn)行求解（見清華大學(xué)編著微帶電路），進(jìn)而求得空氣微帶線的特性阻抗。但嚴(yán)格解的結(jié)果是較復(fù)雜的超越函數(shù)。工程上一般采用近似公式,第五章,27,下面給出一組實(shí)用的計(jì)算公式： （1）導(dǎo)帶厚度t0時(shí)空氣微帶線特性阻抗表示式 在 的范圍內(nèi)該式精度,第五章,28,（2）導(dǎo)帶厚度不為零時(shí)空氣微帶線特性阻抗表示式 與t0時(shí)相比，t不為零時(shí)導(dǎo)帶的邊緣電容增大。如果將邊緣電容增大等效為導(dǎo)帶的寬度增加，即將 時(shí)導(dǎo)帶的實(shí)際寬度w等效為 t=0時(shí)的 w ， 那么 時(shí)的特性阻抗就可以利用上述 t0時(shí)的公式進(jìn)行計(jì)算。令 ， 稱為有效寬度。當(dāng)th，tw/2時(shí)，有效寬度可由下式求得：,第五章,29,當(dāng)基片介質(zhì)的 時(shí)，導(dǎo)帶兩 邊的介質(zhì)不同。為 簡(jiǎn)化分析，可把實(shí) 際微帶看作以等效,第五章,30,介質(zhì)均勻填充的微帶，如圖示。設(shè)等效介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)為 ，空氣微帶線的分布電容為Co，實(shí)際微帶線的分布電容為C1。因?yàn)? 所以，以 介質(zhì)均勻填充的微帶，其分布電容為 。當(dāng) 時(shí)，等效微帶線的特性阻抗、相速與實(shí)際微帶線相同.,第五章,31,由此得 可見，有效介電常數(shù) 就是實(shí)際微帶線的分布電容C1和空氣微帶線的分布電容C0之比。引入 后，微帶線特性阻抗： 而相速,第五章,32,等效介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù) 可由等效微帶線的保角變換求得： 由式可見，當(dāng) w /h很大時(shí)， 趨于 ；這是因?yàn)閷?dǎo)帶很寬時(shí)，幾乎全部電力線都集中在介質(zhì)內(nèi)，即接近于以 介質(zhì)全部填充的情況；當(dāng) w/h很小時(shí)， ；在一般情況下， 介于兩者之間。,第五章,33,當(dāng)導(dǎo)帶厚度不為零時(shí)，介質(zhì)微帶線的有效介電常數(shù)可按下式修正： 此時(shí) 中的 仍按前面所述進(jìn)行修正。 3.78和 =9.6 情況下不同導(dǎo)帶厚度時(shí)的微帶特性阻抗，如圖示。由圖可見,微帶特性阻抗隨著w/h 增大而減?。幌嗤叽鐥l件下， 越大，特性阻抗越小。,第五章,34,微帶線的 和特性阻抗除上述的計(jì)算方法外，還可直接查 “微帶線特性阻抗數(shù)據(jù)表”。該表中給出了w/h、 和Zc 三者之間的對(duì)應(yīng)數(shù)值，查找十分方便。,第五章,35,第五章,36,第五章,37,2）波導(dǎo)波長(zhǎng) 微帶線的波導(dǎo)波長(zhǎng)也稱為帶內(nèi)波長(zhǎng)，即 顯然，微帶線的波導(dǎo)波長(zhǎng)與有效介電常數(shù) 有關(guān)，也就是與 w/h 有關(guān)，亦即與特性阻抗Zc有關(guān)。對(duì)同一工作頻率，不同特性阻抗的微帶線有不同的波導(dǎo)波長(zhǎng)。,第五章,38,3）微帶線的衰減常數(shù) 由于微帶線是半開放結(jié)構(gòu)，因此除了有導(dǎo)體損耗和介質(zhì)損耗之外，還有一定的輻射損耗。不過當(dāng)基片厚度很小、相對(duì)介質(zhì)常數(shù) 較大時(shí)，絕大部分功率集中在導(dǎo)帶附近的空間里，所以輻射損耗是很小的，和其它兩種損耗相比可以忽略，因此，下面著重討論導(dǎo)體損耗和介質(zhì)損耗引起的衰減。,第五章,39,（1）導(dǎo)體衰減常數(shù) 由于微帶線的金屬導(dǎo)帶和接地板上存在高頻表面電流，因此存在熱損耗，但由于表面電流的精確分布難于求得，所以也就難以得出計(jì)算導(dǎo)體衰減的精確計(jì)算公式。工程上一般采用以下近似計(jì)算公式（以dB表示）：,第五章,40,第五章,41,式中， 為t不為零時(shí)導(dǎo)帶的等效寬度；RS為導(dǎo)體 表面電阻。 為了降低導(dǎo)體的損耗，除了選擇表面電阻率很小的導(dǎo)體（金、銀、銅）之外，對(duì)微帶線的加工工藝也有嚴(yán)格的要求。一方面加大導(dǎo)帶厚度，這是由于趨膚效應(yīng)的影響，導(dǎo)帶越厚，則導(dǎo)體損耗越小，故一般取導(dǎo)體厚度為 58 倍的趨膚深度；（導(dǎo)體趨膚深度 ，銅在幾千兆赫時(shí)的趨膚深度約為1m量,第五章,42,級(jí)。）另一方面，導(dǎo)帶表面和側(cè)邊的粗糙度要盡可能小，一般應(yīng)在微米量級(jí)以下。 （2）介質(zhì)衰減常數(shù) 微帶線的介質(zhì)衰減常數(shù)由下式?jīng)Q定： 式中，tan為介質(zhì)材料的損耗角正切。,第五章,43,對(duì)不同基片的微帶線計(jì)算的導(dǎo)體和介質(zhì)衰減如圖所示?？梢?，聚苯乙烯、氧化鋁等大多數(shù)基片上微帶線的導(dǎo)體衰減都遠(yuǎn)大于介質(zhì)衰減。但當(dāng)用硅和砷化鎵等半導(dǎo)體材料作為介質(zhì)基片時(shí)，微帶線的介質(zhì)衰減相對(duì)較大。 該圖還表明，微帶線導(dǎo)體損耗和介質(zhì)損耗都隨頻率升高而迅速增大。,第五章,44,第五章,45,4）微帶線的色散特性 微帶的色散特性是指微帶中波的相速隨頻率變化而變化的特性。從理論上說，微帶線的工作模式不是TEM模，在任何頻率時(shí)都存在色散效應(yīng)。但在工作頻率低于某一臨界值 時(shí)，色散較弱，可不考慮色散效應(yīng)。 的近似值為 式中h的單位為mm， 的單位為GHz。,第五章,46,對(duì)于一般的橫截面尺寸（w、h都在1mm左右）的微帶來說，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)工作頻率低于5GHZ時(shí)，微帶線的特性阻抗和相速與按 TEM 波計(jì)算的結(jié)果十分接近；當(dāng)工作頻率高于5GHZ時(shí)，介質(zhì)微帶線的特性阻抗和相速的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際相差較多。當(dāng)頻率增大到X波段（標(biāo)稱波長(zhǎng)3.2cm）以上時(shí)， 值約大10，相應(yīng)的相速和特性阻抗約小5?？梢?，頻率升高時(shí)， 增大，相速 降低，相應(yīng)的特性阻抗Zc減小。,第五章,47,因此當(dāng) 時(shí)，微帶線的傳輸特 性須進(jìn)行色散修正。 有效介電常數(shù)的色散修正公式為： 式中：,第五章,48,而特性阻抗計(jì)算公式為 式中 、 分別為色散修正后的等效相對(duì)介電常數(shù)和特性阻抗。以上修正公式的適用范圍為：,第五章,49,5）微帶尺寸的選擇 微帶電路的設(shè)計(jì)通常是給定 和 ，要求計(jì)算導(dǎo)帶寬度w 。當(dāng)t0時(shí)，w/h可由下式計(jì)算：,第五章,50,式中 微帶線中除了準(zhǔn)TEM模外，還有其它模式。為了使微帶線工作于準(zhǔn)TEM模，微帶線的尺寸應(yīng)受到以下的約束。,第五章,51,微帶線的其它模式主要是：波導(dǎo)模式和表面波模式。波導(dǎo)模式存在于導(dǎo)帶與接地板之間，表面波模式則只要在接地板上有介質(zhì)基片即能存在。 為防止波導(dǎo)模的出現(xiàn)，微帶線的尺寸應(yīng)按下式選擇： 式中， 為最短的工作波長(zhǎng)。,第五章,52,表面波是一種大部分能量集中在微帶接地板表面附近的介質(zhì)中，并沿接地板表面?zhèn)鞑サ囊环N波。表面波也有TE和TM模式。最低階TE模的截止波長(zhǎng)為 而最低階TM模的截止的波長(zhǎng)為， 即任何頻率下TM模都存在。選擇微帶線,第五章,53,尺寸時(shí)，可使 ，從而抑制TE 模的出現(xiàn)。而對(duì)付TM模的辦法則是避免該模式與工作模式強(qiáng)耦合。當(dāng)頻率為 時(shí)，TE模與準(zhǔn)TEM模的速度相同，兩者之間發(fā)生強(qiáng)耦合。當(dāng)頻率為,第五章,54,時(shí)，TM模與準(zhǔn)TEM模的相速相同，兩者 之間發(fā)生強(qiáng)耦合。式中的 為自由空間中電磁波的速度。在微帶線的設(shè)計(jì)中，為了避免準(zhǔn) TEM模與表面波模之間的強(qiáng)耦合，工作頻率應(yīng)低于 和 兩者中的較低者。若工作頻率較高時(shí)，可采用 較小的介質(zhì)材料，以及較小的h，借以提高 和 ，從而達(dá)到避免發(fā)生強(qiáng)耦合的目的。,第五章,55,實(shí)際常用微帶采用的基片有純度99.5%的氧化鋁( =9.510,tan =0.0003)、聚四氯乙烯 ( =2.1,tan =0.0004)和聚四氟乙烯玻璃纖維板( =2.5510,tan =0.008)。 在實(shí)際應(yīng)用中，微帶電路一般都有金屬屏蔽盒，使之免受外界干擾。值得注意的是，屏蔽盒的高度應(yīng)(5-6)h，接地板寬度應(yīng)(5-6)w。,第五章,56,習(xí)題 5.1 在h1mm的陶瓷基片 上制作 的50、20 、100 的微帶線，分別求出它們的導(dǎo)帶寬度和長(zhǎng)度。設(shè)工作頻率為6GHz，導(dǎo)帶厚度t0。,第五章,57,3、耦合微帶線 耦合微帶線由兩條平行放置、彼此靠近的微帶線構(gòu)成。耦合微帶線有不對(duì)稱和對(duì)稱兩種結(jié)構(gòu)。兩條微帶線的尺寸完全相同的是對(duì)稱耦合微帶線，尺寸不相同的是不對(duì)稱耦合微帶線。這里只介紹對(duì)稱耦合微帶線。對(duì)稱耦合微帶線的結(jié)構(gòu)如圖所示，其中w為導(dǎo)帶寬度，s為兩導(dǎo)帶間距離。,第五章,58,耦合微帶線可用來設(shè)計(jì)各種定向耦合器、濾波器、平衡與不平衡變換器等。,第五章,59,1）奇偶模分析方法 耦合微帶線由于兩微帶線間存在互電感及互電容而產(chǎn)生電磁耦合，顯然其電壓電流分布要比單微帶線的情況復(fù)雜的多。對(duì)于對(duì)稱結(jié)構(gòu)的耦合微帶線，一般采用準(zhǔn)TEM模的奇偶模參量法進(jìn)行分析。 設(shè)兩耦合線上的電壓分布分別為U1(z)和U2(z)，線上電流為I1(z)和I2 (z)，且傳輸線工作在無耗狀態(tài)，此時(shí)兩耦合線上任一微分段dz可等效為如圖所示電路。,第五章,60,其中，Ca、Cb 和La、Lb為各微帶線單獨(dú)存在時(shí)的分布電容和分布電感， Cab 為互分布電容， Lab 為互分布電感，對(duì)于對(duì)稱耦合微帶有 Ca= Cb La=Lb Lab=M,第五章,61,由電路理論可得：,第五章,62,式中：L= La Lb 、C= Ca + Cab。上式稱為耦合傳輸線方程。 對(duì)于對(duì)稱耦合微帶線,可將激勵(lì)分為奇模激勵(lì)和偶模激勵(lì)。奇偶模激勵(lì)的原理如圖所示。,第五章,63,圖（a）中兩線的激勵(lì)電壓分別為 U1和U2， 它可分解為圖（b）中兩等幅同相電壓 Ue 激勵(lì)（即偶模激勵(lì)）和圖（c）中兩等幅反相電壓Uo激勵(lì)（即奇模激勵(lì)）的疊加。 U1和U2與Ue和Uo之間的關(guān)系為： Ue+Uo=U1 UeUo=U2 于是有 Ue=（U1+U2）/2 Uo=（U1U2）/2,第五章,64,（即使U20，即微帶線 2 沒有激勵(lì)，我們也可以設(shè)想它由等幅反相的電壓激勵(lì)，只不過等幅反相電壓的疊加結(jié)果為零。） 下面討論奇偶模分別激勵(lì)時(shí)耦合傳輸線方程的解.,第五章,65,（1）偶模激勵(lì) 此時(shí)，在耦合方程中令： U1=U2=Ue，I1=I2=Ie 得 于是可得偶模傳輸線方程：,第五章,66,令 分別為電感耦合系數(shù)和電容耦合系數(shù)。由傳輸線理論可得偶模傳輸常數(shù) 、相速 及特性阻抗Zce分別為：,第五章,67,式中，C0e=C(1-Kc)=Ca,為偶模電容。,第五章,68,（2）奇模激勵(lì) 此時(shí)，在耦合方程式中令 U1=-U2=U0，I1=-I2=I0， 得 經(jīng)同樣分析可得奇模傳輸常數(shù) 、相速 及特性阻抗Zco分別為：,第五章,69,式中C0o=C(1+Kc)=Ca+2Cab是奇模電容。,第五章,70,2）奇偶模有效