第2章毫米波傳輸線20140316-鰭線

1、電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院毫米波理論與技術(shù)講義 微帶線是一種非常好傳輸線結(jié)構(gòu)，目前最高頻微帶線是一種非常好傳輸線結(jié)構(gòu)，目前最高頻 率可達(dá)率可達(dá)110GHz110GHz。但是在毫米波高端仍舊存在問(wèn)題：。但是在毫米波高端仍舊存在問(wèn)題： 1. 1.輻射損耗大輻射損耗大，電路中，電路中寄生模耦合明顯增加寄生模耦合明顯增加，電路，電路Q Q值值 降低。降低。 2. 2.強(qiáng)烈的色散效應(yīng)強(qiáng)烈的色散效應(yīng)以及隨之而來(lái)的高次模傳輸?shù)目赡苄砸约半S之而來(lái)的高次模傳輸?shù)目赡苄?必然導(dǎo)致電路穩(wěn)定性下降。必然導(dǎo)致電路穩(wěn)定性下降。 3. 3.把多個(gè)電路集成在一起時(shí)，為減小電路間的有害耦合把多個(gè)電路集成在一起時(shí)，為減小電路間的有

2、害耦合 必須采用模式隔離或諧振吸收裝置。必須采用模式隔離或諧振吸收裝置。 2.4鰭線鰭線 1972年，P.J.Meier提出的鰭線（Fishline）: 一種由介質(zhì)片支撐具有薄脊的加脊波導(dǎo)加脊波導(dǎo)， 或者一種帶有金屬鰭的介質(zhì)平板加載波導(dǎo)介質(zhì)平板加載波導(dǎo)。 電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院毫米波理論與技術(shù)講義 2.4鰭線鰭線 （a a）雙側(cè)鰭線；（）雙側(cè)鰭線；（b b）單側(cè)鰭線；（）單側(cè)鰭線；（c c）對(duì)極鰭線；）對(duì)極鰭線； （d d）單側(cè)絕緣鰭線；（）單側(cè)絕緣鰭線；（e e）雙側(cè)絕緣鰭線）雙側(cè)絕緣鰭線 鰭線橫截面結(jié)構(gòu)示意圖鰭線橫截面結(jié)構(gòu)示意圖 損耗小，最常用損耗小，最常用 隔離鰭線，隔離鰭線， 偏置偏

3、置 低阻低阻 抗電抗電 路使路使 用用 雙面做電路，雙面做電路， 但損耗較大但損耗較大 電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院毫米波理論與技術(shù)講義 鰭線傳播模式 鰭線傳播的不是準(zhǔn)鰭線傳播的不是準(zhǔn)TEMTEM模，是模，是TETE和和TMTM模系組成的混合模模系組成的混合模。 若以若以TETE模為主，習(xí)慣叫模為主，習(xí)慣叫HEHE模（磁電模），若以模（磁電模），若以TMTM為主，則為主，則 用用EHEH模（電磁膜）表示。模（電磁膜）表示。 設(shè)計(jì)得當(dāng)，可以保證傳輸?shù)臑橹髂ＴO(shè)計(jì)得當(dāng)，可以保證傳輸?shù)臑橹髂E10TE10模，最高工作頻率模，最高工作頻率140140 GHzGHz。 鰭線的組成 鰭線可認(rèn)為是鰭線可認(rèn)為是準(zhǔn)

4、平面結(jié)構(gòu)準(zhǔn)平面結(jié)構(gòu)，既要制作電路圖形，又要考慮金，既要制作電路圖形，又要考慮金 屬波導(dǎo)盒影響。屬波導(dǎo)盒影響。 鰭線常用的基片材料有微纖強(qiáng)化覆銅板（鰭線常用的基片材料有微纖強(qiáng)化覆銅板（PTFEPTFE），如），如RT-RT-duroduro id id 5880 5880。 基片通常安放在基片通常安放在矩形波導(dǎo)矩形波導(dǎo)E E面中心面中心，用尼龍或者其他金屬螺釘，用尼龍或者其他金屬螺釘 固定裝配。固定裝配。 為保持金屬鰭和金屬波導(dǎo)內(nèi)壁的射頻連續(xù)性，基片放置處的為保持金屬鰭和金屬波導(dǎo)內(nèi)壁的射頻連續(xù)性，基片放置處的 金屬波導(dǎo)寬壁壁厚應(yīng)等于金屬波導(dǎo)寬壁壁厚應(yīng)等于gg/4/4。 2.4鰭線鰭線 電子科技大

5、學(xué)電子工程學(xué)院毫米波理論與技術(shù)講義 2.4鰭線鰭線 （a a）濾波器；諧振器；）濾波器；諧振器； （b b）阻抗變換器；耦合器）阻抗變換器；耦合器 矩形波導(dǎo)中的過(guò)度段矩形波導(dǎo)中的過(guò)度段 (a) (a) 漸變式；（漸變式；（b b）多階梯式）多階梯式 電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院毫米波理論與技術(shù)講義 E E面鰭線濾波器面鰭線濾波器模型圖模型圖 E E面鰭線濾波器的實(shí)物照片面鰭線濾波器的實(shí)物照片 2.4鰭線鰭線 電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院毫米波理論與技術(shù)講義 鰭線的特點(diǎn) 與微帶電路相比 鰭線的鰭線的Q Q值較高，值較高，傳輸衰減較小傳輸衰減較小; ; 對(duì)導(dǎo)體條帶的對(duì)導(dǎo)體條帶的加工公差要寬松些加工公差要寬

6、松些（因其導(dǎo)行波長(zhǎng)比微帶的導(dǎo)（因其導(dǎo)行波長(zhǎng)比微帶的導(dǎo) 行波長(zhǎng)要長(zhǎng)）行波長(zhǎng)要長(zhǎng)）; ; 色散較弱，在多個(gè)電路集成時(shí)，色散較弱，在多個(gè)電路集成時(shí)，無(wú)須模式濾波器和去耦隔離無(wú)須模式濾波器和去耦隔離 裝置裝置; ; 鰭線鰭線的屏蔽外殼可直接采用標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)，可以在整個(gè)波導(dǎo)的屏蔽外殼可直接采用標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)，可以在整個(gè)波導(dǎo) 帶寬內(nèi)實(shí)現(xiàn)電路，帶寬內(nèi)實(shí)現(xiàn)電路，與矩形波導(dǎo)的兼容性好與矩形波導(dǎo)的兼容性好; ; 與矩形波導(dǎo)相比 鰭線的結(jié)構(gòu)和尺寸都鰭線的結(jié)構(gòu)和尺寸都易于集成固態(tài)器件易于集成固態(tài)器件; ; 單模單模傳輸帶寬更大，傳輸帶寬更大，對(duì)金屬矩形波導(dǎo)盒內(nèi)壁公差的要求更為對(duì)金屬矩形波導(dǎo)盒內(nèi)壁公差的要求更為 寬松寬松

7、； 損耗更大損耗更大。 2.4鰭線鰭線 電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院毫米波理論與技術(shù)講義 鰭線設(shè)計(jì)考慮的問(wèn)題 導(dǎo)行波長(zhǎng)和特性阻抗導(dǎo)行波長(zhǎng)和特性阻抗 不連續(xù)性不連續(xù)性 金屬鰭的厚度金屬鰭的厚度 腔體及裝架槽腔體及裝架槽 損耗和損耗和Q Q值值 2.4鰭線鰭線 鰭線的分析方法 鰭線的分析方法主要有：橫向諧振法（鰭線的分析方法主要有：橫向諧振法（TRMTRM），傳），傳 輸線矩陣法（輸線矩陣法（TLMMTLMM），有限元法（），有限元法（FEMFEM），），譜域法譜域法 （SDMSDM），譜域?qū)Э狗ǎǎ?，譜域?qū)Э狗ǎ⊿DIMSDIM）等數(shù)值方法，以及經(jīng)等數(shù)值方法，以及經(jīng) 驗(yàn)公式近似法。驗(yàn)公式近似法。 電

8、子科技大學(xué)電子工程學(xué)院毫米波理論與技術(shù)講義 P. P. J.MeierJ.Meier的近似公式，將鰭線看成帶有介質(zhì)襯的近似公式，將鰭線看成帶有介質(zhì)襯 底的加脊波導(dǎo)：底的加脊波導(dǎo)： 適用條件：低介電常數(shù)的薄基片（適用條件：低介電常數(shù)的薄基片（d/a0.1d/a0.1，e e 近似看作一個(gè)常數(shù)近似看作一個(gè)常數(shù) ） 導(dǎo)行波長(zhǎng)和特性阻抗 2 ( /) g ecr 2 ( /) c c ecr Z Z 同尺寸空氣填充加脊波同尺寸空氣填充加脊波 導(dǎo)導(dǎo)f的特性阻抗的特性阻抗 同尺寸空氣填充加同尺寸空氣填充加 脊波導(dǎo)的截止波長(zhǎng)脊波導(dǎo)的截止波長(zhǎng) 有效介電常數(shù)有效介電常數(shù) 2.4鰭線鰭線 電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院

9、毫米波理論與技術(shù)講義 對(duì)對(duì) r r較大的基片，需考慮較大的基片，需考慮e與與f的依賴關(guān)系的依賴關(guān)系 SharmaSharma和和HoeferHoefer的頻率相關(guān)的頻率相關(guān)e （ （ MTT 1983）： ： e= c F(w/b，d/a， ， r ) 其中，其中，c為截面上的有效介電常數(shù)，并由下式給出為截面上的有效介電常數(shù)，并由下式給出 c=（ cf / cr ） cf和和 cr分別為鰭線中的截止波長(zhǎng)和等效的空氣填充分別為鰭線中的截止波長(zhǎng)和等效的空氣填充 脊波導(dǎo)的截止波長(zhǎng)，修正因子脊波導(dǎo)的截止波長(zhǎng)，修正因子F由數(shù)值計(jì)算獲得。由數(shù)值計(jì)算獲得。 ( (范圍：范圍：1/16w/b1/41/16w/

10、b1/4，1/321/32d/a1/4d/a1/4， r r=2.22=2.22和和3 3等）等） PramanickPramanick和和BhartiaBhartia的單側(cè)鰭線近似公式的單側(cè)鰭線近似公式（1985 MTT1985 MTT） 具有更寬的適用范圍（具有更寬的適用范圍（ 1/32w/b1 1/32w/b1，d/a20d/a20， r r3.753.75）。）。 前提：前提： e = c ，因此只適用于低介電常數(shù)和薄基片。，因此只適用于低介電常數(shù)和薄基片。 頻率相關(guān)近似公式 2.4 鰭線鰭線 電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院毫米波理論與技術(shù)講義 導(dǎo)行波長(zhǎng)與特性阻抗（Ka頻段單鰭線） 2.4鰭

11、線鰭線 電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院毫米波理論與技術(shù)講義 當(dāng)頻率由低向高變化時(shí)當(dāng)頻率由低向高變化時(shí)， g / 下降，即頻段高端的導(dǎo)行下降，即頻段高端的導(dǎo)行 波長(zhǎng)小于低端的導(dǎo)行波長(zhǎng)；波長(zhǎng)小于低端的導(dǎo)行波長(zhǎng)；Zc隨頻率變化不大。隨頻率變化不大。 當(dāng)介質(zhì)厚度增加時(shí)當(dāng)介質(zhì)厚度增加時(shí)， g / 和和 Zc略微下降。略微下降。 相同頻率下，相同頻率下， g / 和和 Zc隨槽寬的增大而增加隨槽寬的增大而增加。若槽寬。若槽寬w= 0.05mm,對(duì)應(yīng)毫米波頻段的特性阻抗為對(duì)應(yīng)毫米波頻段的特性阻抗為100120。 對(duì)于中等槽寬對(duì)于中等槽寬， g / 和和 Zc隨頻率變化更劇烈。當(dāng)隨頻率變化更劇烈。當(dāng)w接近接近b 時(shí)

12、退化成介質(zhì)片加載波導(dǎo)。時(shí)退化成介質(zhì)片加載波導(dǎo)。 2.4鰭線鰭線 電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院毫米波理論與技術(shù)講義 介質(zhì)基片橫移的情況 2.4鰭線鰭線 介質(zhì)基片橫移，介質(zhì)基片橫移， g / 有一定程度增加（有一定程度增加（w=0.1mm: 0.92增大到增大到0.94）；）； 當(dāng)當(dāng)w較大時(shí)，較大時(shí)，Zc隨介質(zhì)基片的橫移有明顯的降低隨介質(zhì)基片的橫移有明顯的降低(w=2mm:400降到降到330)。 電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院毫米波理論與技術(shù)講義 槽在E面位移的情況 2.4鰭線鰭線 當(dāng)當(dāng)s從零增加到從零增加到(b-w)/2時(shí)，時(shí)， g / 先先 增后減，增后減，Zc在在(b-w)/2時(shí)趨于飽和時(shí)趨于飽和

13、； 對(duì)于固定的對(duì)于固定的s , g / 和和 Zc隨槽寬的隨槽寬的 增大而增加；增大而增加； 低阻抗結(jié)構(gòu)可以通過(guò)將槽向一側(cè)壁低阻抗結(jié)構(gòu)可以通過(guò)將槽向一側(cè)壁 移動(dòng)時(shí)獲得。移動(dòng)時(shí)獲得。 s趨于零、趨于零、w=0.1時(shí)，時(shí)， Zc=40，利于低阻抗器件的匹配。，利于低阻抗器件的匹配。 電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院毫米波理論與技術(shù)講義 a,b,r,d公差的影響 2.4鰭線鰭線 鰭線電路設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)參量鰭線電路設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)參量a和和r 的公差要求比對(duì)的公差要求比對(duì)b和和d的公差要求更的公差要求更 為嚴(yán)格。為嚴(yán)格。 電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院毫米波理論與技術(shù)講義 本征模的色散特性 2.4鰭線鰭線 分析單模工

14、作帶寬，則需分析分析單模工作帶寬，則需分析 高次模的影響。高次模的影響。 主模是主模是HE1，其它為高次模。，其它為高次模。 虛線的幾種模式不會(huì)由虛線的幾種模式不會(huì)由TE10模模 激勵(lì)，核心是激勵(lì)，核心是HE3模式。模式。 Vahldieck R(1951-2011)., MTT,1984Vahldieck R(1951-2011)., MTT,1984 電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院毫米波理論與技術(shù)講義 金屬鰭片厚度的影響 2.4鰭線鰭線 Zc隨基片厚度隨基片厚度t的增加而減??；的增加而減??； 在靠近截止頻率的低頻段，鰭在靠近截止頻率的低頻段，鰭 線的作用如同脊波導(dǎo)，線的作用如同脊波導(dǎo)，t增大時(shí)增大時(shí) ，截止頻率降低，截止頻率降低， e增加；增加； 在較高頻段，基片作用像槽線在較高頻段，基片作用像槽線 ，隨，隨e頻率增加而減小；頻率增加而減小； 金屬鰭厚度影響在高工作頻段金屬鰭厚度影響在高工作頻段 和槽寬較窄時(shí)較為明顯；和槽寬較窄時(shí)較為明顯； 頻段中的某些頻點(diǎn)上，