傳輸線理論概要學(xué)習(xí)課程

1、2.1 2.1 集總參數(shù)元件的射頻特性 2.1.1 2.1.1 金屬導(dǎo)線金屬導(dǎo)線直流和低頻領(lǐng)域, , 金屬導(dǎo)線就是一根連接線, ,不存在電阻、電感和電容等寄生參數(shù)或者說(shuō)寄生參數(shù)可以忽略不計(jì)。 射頻/ /微波領(lǐng)域，金屬導(dǎo)線不僅具有自身的電阻和電感或電容, ,而且還是頻率的函數(shù)。l 設(shè)圓柱狀直導(dǎo)線的半徑為設(shè)圓柱狀直導(dǎo)線的半徑為a,長(zhǎng)度為長(zhǎng)度為 ,材料的電導(dǎo)率為材料的電導(dǎo)率為,則則其直流電阻可表示為其直流電阻可表示為 2alRdc（2-1） 其電流密度可表示為其電流密度可表示為:20aIJz （2-2） 第1頁(yè)/共94頁(yè)第一頁(yè)，編輯于星期日：九點(diǎn) 四十五分。在交流狀態(tài)下, ,由于交流電流會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng),

2、 ,根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律, ,此磁場(chǎng)又會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng), ,與此電場(chǎng)聯(lián)系的感生電流密度的方向?qū)?huì)與原始電流相反。 這種效應(yīng)在導(dǎo)線的中心部位( (即r=0r=0位置) )最強(qiáng), ,造成了在r=0r=0附近的電阻顯著增加, ,因而電流將趨向于在導(dǎo)線外表面附近流動(dòng), ,這種現(xiàn)象將隨著頻率的升高而加劇, ,這就是通常所說(shuō)的“趨膚效應(yīng)”。 在射頻（f500MHzf500MHz）范圍導(dǎo)線相對(duì)于直流狀態(tài)的電阻和電感可分別表示為22aRLaRRdcdc（2-3a） （2-3b） 第2頁(yè)/共94頁(yè)第二頁(yè)，編輯于星期日：九點(diǎn) 四十五分。式中 （2-4） 趨膚深度與頻率之間滿足平方反比關(guān)系, ,隨著頻率的升高, ,集膚

3、深度是按平方率減小的。圖圖 2-1 交流狀態(tài)下銅導(dǎo)線橫截面電流密交流狀態(tài)下銅導(dǎo)線橫截面電流密度對(duì)直流情況的歸一化值度對(duì)直流情況的歸一化值f121.81.61.41.210.80.60.40.2000.11 kHz0.30.40.50.60.70.80.9110 kHz100 kHz1 MHz100 MHz1 GHz10 MHzr / mmJz / Jz00.2圖圖2-2 2-2 半徑半徑a=1mma=1mm的銅導(dǎo)線在不同頻率下的的銅導(dǎo)線在不同頻率下的J Jz z/J/Jz0z0相對(duì)于相對(duì)于r r的曲線的曲線 第3頁(yè)/共94頁(yè)第三頁(yè)，編輯于星期日：九點(diǎn) 四十五分。 從上圖看出, , 頻率達(dá)到1M

4、Hz1MHz左右時(shí), ,就已經(jīng)出現(xiàn)比較嚴(yán)重的趨膚效應(yīng), ,當(dāng)頻率達(dá)到1GHz1GHz時(shí)電流幾乎僅在導(dǎo)線表面流動(dòng)而不能深入導(dǎo)線中心, ,也就是說(shuō)金屬導(dǎo)線的中心部位電阻極大。金屬導(dǎo)線本身就具有一定的電感量, , 在射頻/ /微波電路中, ,會(huì)影響電路的工作性能。電感值與導(dǎo)線的長(zhǎng)度、形狀、工作頻率有關(guān)。金屬導(dǎo)線可以看作一個(gè)電極, ,它與地線或其他電子元件之間存在一定的電容量, ,它對(duì)射頻/ /微波電路的工作性能也會(huì)有較大的影響。第4頁(yè)/共94頁(yè)第四頁(yè)，編輯于星期日：九點(diǎn) 四十五分。金屬導(dǎo)線的電阻、電感和電容是射頻/ /微波電路的基本單元。工程中, ,嚴(yán)格計(jì)算這些參數(shù)是沒(méi)有必要的, ,關(guān)鍵是掌握存在這

5、些參數(shù)的物理概念, ,合理地使用或回避, ,實(shí)現(xiàn)電路模塊的功能指標(biāo)。2.1.2 2.1.2 電阻電阻基本功能是將電能轉(zhuǎn)換成熱產(chǎn)生電壓降。可構(gòu)成降壓或分壓電路用于器件的直流偏置, ,也可用作直流或射頻電路的負(fù)載電阻完成某些特定功能。 高密度碳介質(zhì)合成電阻鎳或其他材料的線繞電阻溫度穩(wěn)定材料的金屬膜電阻鋁或鈹基材料薄膜片電阻第5頁(yè)/共94頁(yè)第五頁(yè)，編輯于星期日：九點(diǎn) 四十五分。第6頁(yè)/共94頁(yè)第六頁(yè)，編輯于星期日：九點(diǎn) 四十五分。貼片電阻貼片電阻第7頁(yè)/共94頁(yè)第七頁(yè)，編輯于星期日：九點(diǎn) 四十五分。 這些電阻的應(yīng)用場(chǎng)合與它們的構(gòu)成材料、結(jié)構(gòu)尺寸、成本價(jià)格、電氣性能有關(guān)。 在射頻/ /微波電子電路中使

6、用的是薄膜片電阻, ,一般是表面貼裝元件(SMD)(SMD)。 單片微波集成電路中使用的電阻有三類：半導(dǎo)體電阻、沉積金屬膜電阻以及金屬和介質(zhì)的混合物。LWH 物質(zhì)電阻的大小與物質(zhì)內(nèi)部電子和空穴的遷移率有關(guān)。從外部看,物質(zhì)的體電阻與電導(dǎo)率和物質(zhì)的體積LWH有關(guān)，即 WHLR第8頁(yè)/共94頁(yè)第八頁(yè)，編輯于星期日：九點(diǎn) 四十五分。射頻電路中射頻電路中:圖圖2- 4 電阻的等效電路電阻的等效電路 RCaLLCbCa表示電阻引腳的表示電阻引腳的極板間的等效電容極板間的等效電容L為引線電感為引線電感Cb表示引線間電容表示引線間電容RC1L2L2C2L1圖圖 2-5 線繞電阻的等效電路線繞電阻的等效電路 L

7、1為線繞造成的電感量為線繞造成的電感量C1表示繞線間的電容表示繞線間的電容L2為引線電感為引線電感C2表示引線間電容表示引線間電容第9頁(yè)/共94頁(yè)第九頁(yè)，編輯于星期日：九點(diǎn) 四十五分。 以500500金屬膜電阻為例( (等效電路見(jiàn)圖2-4)2-4)，設(shè)兩端的引線長(zhǎng)度各為2.5cm2.5cm，引線半徑為0.2032mm0.2032mm，材料為銅，已知C Ca a為5pF5pF，根據(jù)式(2-3)(2-3)計(jì)算引線電感，并求出圖2-42-4等效電路的總阻抗對(duì)頻率的變化曲線，如圖2-62-6所示。圖圖2-6 2-6 電阻的阻抗絕對(duì)值與頻率的關(guān)系電阻的阻抗絕對(duì)值與頻率的關(guān)系2aRLdc（2-3） 103

8、10210110010 110 210 3106107108109101010111012理 想 電 阻電 容 效 應(yīng)電 感 效 應(yīng)f / Hz| Z | /,第10頁(yè)/共94頁(yè)第十頁(yè)，編輯于星期日：九點(diǎn) 四十五分。 在低頻率下阻抗即等于電阻R R； 隨著頻率升高到10MHz10MHz以上, ,電容a a的影響開(kāi)始占優(yōu), ,導(dǎo)致總阻抗降低； 當(dāng)頻率達(dá)到20GHz20GHz左右時(shí), ,出現(xiàn)了串聯(lián)諧振點(diǎn)； 越過(guò)諧振點(diǎn)后, ,引線電感的影響開(kāi)始表現(xiàn)出來(lái), ,阻抗又加大并逐漸表現(xiàn)為開(kāi)路或有限阻抗值。103102101100101102103106107108109101010111012理想電阻電容效

9、應(yīng)電感效應(yīng)f / Hz| Z | /,第11頁(yè)/共94頁(yè)第十一頁(yè)，編輯于星期日：九點(diǎn) 四十五分。2.1.3 2.1.3 電容電容低頻時(shí), ,電容器可以看成平行板結(jié)構(gòu) A A是極板面積,d,d表示極板間距離, ,=0r為極板填充介質(zhì)的介電常數(shù)。理想狀態(tài)下, ,極板間介質(zhì)中沒(méi)有電流。 在射頻/ /微波頻率下, ,在介質(zhì)內(nèi)部存在傳導(dǎo)電流, ,因此存在傳導(dǎo)電流引起的損耗； 介質(zhì)中的帶電粒子具有一定的質(zhì)量和慣性, ,在電磁場(chǎng)的作用下, ,很難隨之同步振蕩, ,在時(shí)間上有滯后現(xiàn)象, ,也會(huì)引起對(duì)能量的損耗。dAdACr0第12頁(yè)/共94頁(yè)第十二頁(yè)，編輯于星期日：九點(diǎn) 四十五分。 電容器的阻抗由電導(dǎo)G Ge

10、 e和電納CC并聯(lián)組成, ,即 式中,電流起因于電導(dǎo), 其中,d是介質(zhì)的電導(dǎo)率。 CjGZe1（2-8） dAGde（2-9） CLReRgL引線電感引線電感Rg引線損耗串聯(lián)電阻引線損耗串聯(lián)電阻Re介質(zhì)損耗電阻介質(zhì)損耗電阻第13頁(yè)/共94頁(yè)第十三頁(yè)，編輯于星期日：九點(diǎn) 四十五分。 例: :一個(gè)47pF 47pF 的電容器, ,假設(shè)其極板間填充介質(zhì)為AlAl2 2O O3 3, ,損耗角正切為1010-4-4（假定與頻率無(wú)關(guān)）, ,引線長(zhǎng)度為1.25cm,1.25cm,半徑為0.2032mm0.2032mm，可以得到其等效電路的頻率響應(yīng)曲線如圖所示。圖圖2-8 2-8 電容阻抗的絕對(duì)值與頻率的關(guān)

11、系電容阻抗的絕對(duì)值與頻率的關(guān)系1021011f / Hz| Z | /1011001011021091010108理想電容實(shí)際電容,CjGZe1ssdeCdAdAGtantan第14頁(yè)/共94頁(yè)第十四頁(yè)，編輯于星期日：九點(diǎn) 四十五分。 電容的用途非常多，主要有如下幾種： 1隔直流：作用是阻止直流通過(guò)而讓交流通過(guò)。 2旁路(去耦)：為交流電路中某些并聯(lián)的元件提供低阻抗通路。 3耦合：作為兩個(gè)電路之間的連接，允許交流信號(hào)通過(guò)并傳輸?shù)较乱患?jí)電路 4濾波：顯卡上的電容基本都是這個(gè)作用。 5溫度補(bǔ)償：針對(duì)其它元件對(duì)溫度的適應(yīng)性不夠帶來(lái)的影響，而進(jìn)行補(bǔ)償，改善電路的穩(wěn)定性。 6計(jì)時(shí)：電容器與電阻器配合使用

12、，確定電路的時(shí)間常數(shù)。 7調(diào)諧：對(duì)與頻率相關(guān)的電路進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)諧，比如手機(jī)、收音機(jī)、電視機(jī)。 8整流：在預(yù)定的時(shí)間開(kāi)或者關(guān)半閉導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件。 9儲(chǔ)能：儲(chǔ)存電能，用于必須要的時(shí)候釋放。例如相機(jī)閃光燈，加熱設(shè)備等等。第15頁(yè)/共94頁(yè)第十五頁(yè)，編輯于星期日：九點(diǎn) 四十五分。 電解電容 電解電容器特點(diǎn)一：?jiǎn)挝惑w積的電容量非常大，比其它種類的電容大幾十到數(shù)百倍。 電解電容器特點(diǎn)二：額定的容量可以做到非常大，可以輕易做到幾萬(wàn)F 甚至幾F。 電解電容器特點(diǎn)三：價(jià)格比其它種類具有壓倒性優(yōu)勢(shì)，因?yàn)殡娊怆娙莸慕M成材料都是普通的工業(yè)材料，比如鋁等等。制造電解電容的設(shè)備也都是普通的工業(yè)設(shè)備，可以大規(guī)模生產(chǎn)，成本相對(duì)比

13、較低。第16頁(yè)/共94頁(yè)第十六頁(yè)，編輯于星期日：九點(diǎn) 四十五分。2.1.4 2.1.4 電感電感 電感器一般是線圈結(jié)構(gòu), ,也稱為高頻扼流圈。 結(jié)構(gòu)一般是用直導(dǎo)線沿柱狀結(jié)構(gòu)纏繞而成。RdCdRd 導(dǎo)線的纏繞構(gòu)成電感的主要部分,而導(dǎo)線本身的電感可以忽略不計(jì),細(xì)長(zhǎng)螺線管的電感量為r為螺線管半徑，N為圈數(shù)， 為螺線管長(zhǎng)度。lNrL202(2-10) l第17頁(yè)/共94頁(yè)第十七頁(yè)，編輯于星期日：九點(diǎn) 四十五分。Cs寄生旁路電容Rs引線導(dǎo)體損耗的串聯(lián)電阻LRsCs圖圖2-10 2-10 高頻電感的等效電路高頻電感的等效電路例：一個(gè)例：一個(gè)N=3.5的銅電感線圈的銅電感線圈,線圈半徑為線圈半徑為1.27m

14、m,線圈長(zhǎng)度為線圈長(zhǎng)度為1.27mm,導(dǎo)線半徑為導(dǎo)線半徑為63.5um。假設(shè)它可以看做一細(xì)長(zhǎng)螺線管。假設(shè)它可以看做一細(xì)長(zhǎng)螺線管,根根據(jù)式（據(jù)式（2-10）可求出其電感部分為）可求出其電感部分為L(zhǎng)=61.4nH。lNrL202(2-10) 第18頁(yè)/共94頁(yè)第十八頁(yè)，編輯于星期日：九點(diǎn) 四十五分。圖圖2-11 2-11 電感阻抗的絕對(duì)值與頻率的關(guān)系電感阻抗的絕對(duì)值與頻率的關(guān)系LRsCs 電容Cs可以看做平板電容產(chǎn)生的電容 導(dǎo)線的自身阻抗由下式求得：高頻電感的等效電路：高頻電感的等效電路：2alRdcdACsf / Hz| Z | /1051010理想電感104103102101108109101

15、1實(shí)際電感,第19頁(yè)/共94頁(yè)第十九頁(yè)，編輯于星期日：九點(diǎn) 四十五分。2.2 2.2 射頻射頻/ /微波電路設(shè)計(jì)中微波電路設(shè)計(jì)中Q Q值的概念值的概念 品質(zhì)因素Q Q表示一個(gè)元件的儲(chǔ)能和耗能之間的關(guān)系, ,即 電容、電感代表儲(chǔ)能元件, ,電阻代表耗能元件。 元件的耗能越小,Q,Q值越高。當(dāng)元件的損耗趨于無(wú)窮小, ,即Q Q值無(wú)限大時(shí), ,電路越接近于理想電路。有功功率無(wú)功功率元件耗能元件的儲(chǔ)能Q第20頁(yè)/共94頁(yè)第二十頁(yè)，編輯于星期日：九點(diǎn) 四十五分。CRLRQ00并聯(lián)諧振并聯(lián)諧振回路品質(zhì)因數(shù)： CRRLQ001串聯(lián)諧振串聯(lián)諧振回路品質(zhì)因數(shù)： 如果只考慮諧振電路本身，則品質(zhì)因數(shù)稱為如果只考慮諧

16、振電路本身，則品質(zhì)因數(shù)稱為空載品質(zhì)因數(shù)空載品質(zhì)因數(shù)。如果考慮了負(fù)載和信號(hào)源內(nèi)阻的影響，諧振電路的品質(zhì)因數(shù)如果考慮了負(fù)載和信號(hào)源內(nèi)阻的影響，諧振電路的品質(zhì)因數(shù)稱為稱為有載品質(zhì)因數(shù)有載品質(zhì)因數(shù)。第21頁(yè)/共94頁(yè)第二十一頁(yè)，編輯于星期日：九點(diǎn) 四十五分。電抗器件的品質(zhì)因數(shù) 電容和電感的品質(zhì)因數(shù)越高，表示其損耗越小； 電容和電感的品質(zhì)因數(shù)越低，表示其損耗越高。RCRXQCC1電容的品質(zhì)因數(shù)：電容的品質(zhì)因數(shù)：RLRXQLL電感的品質(zhì)因數(shù)：電感的品質(zhì)因數(shù)： 器件的品質(zhì)因數(shù)用來(lái)表示器件的損耗，品質(zhì)因數(shù)越高損耗越小，器件的品質(zhì)因數(shù)用來(lái)表示器件的損耗，品質(zhì)因數(shù)越高損耗越小，器件越接近理想器件。器件越接近理想器

17、件。 諧振電路的品質(zhì)因數(shù)用來(lái)表示諧振電路對(duì)頻率的選擇性，諧諧振電路的品質(zhì)因數(shù)用來(lái)表示諧振電路對(duì)頻率的選擇性，諧振電路的品質(zhì)因數(shù)越高，帶寬就越窄，頻率選擇性就越好。振電路的品質(zhì)因數(shù)越高，帶寬就越窄，頻率選擇性就越好。第22頁(yè)/共94頁(yè)第二十二頁(yè)，編輯于星期日：九點(diǎn) 四十五分。介質(zhì)損耗和損耗角正切 絕緣材料在電場(chǎng)作用下，由于介質(zhì)電導(dǎo)和介質(zhì)極化的滯后效應(yīng)，在其內(nèi)部引起的能量損耗。也叫介質(zhì)損失，簡(jiǎn)稱介損。 在交變電場(chǎng)作用下，電介質(zhì)內(nèi)流過(guò)的電流相量和電壓相量之間的夾角(功率因數(shù)角)的余角() 簡(jiǎn)稱介損角。 介質(zhì)損耗角正切值，簡(jiǎn)稱介損角正切。介質(zhì)損耗因數(shù)的定義如下:P100%Q被測(cè)試品的有功功率介質(zhì)損耗因

18、數(shù)(tg )=被測(cè)試品的無(wú)功功率第23頁(yè)/共94頁(yè)第二十三頁(yè)，編輯于星期日：九點(diǎn) 四十五分。 功率因數(shù)是功率因數(shù)角的余弦值，是被測(cè)試品的總視在功率S中有功功率P所占的比重。 功率因數(shù)的定義如下: 有的介損測(cè)試儀習(xí)慣顯示功率因數(shù)(cos)，而不是介質(zhì)損耗因數(shù)(tg)。 一般costg，在損耗很小時(shí)這兩個(gè)數(shù)值非常接近。P100%S被測(cè)試品的有功功率功率因數(shù)(cos )=被測(cè)試品的視在功率22S= PQ第24頁(yè)/共94頁(yè)第二十四頁(yè)，編輯于星期日：九點(diǎn) 四十五分。 頻率的提高意味著波長(zhǎng)的減少，當(dāng)波長(zhǎng)可以與分立元件 的幾何尺寸相比擬的時(shí)候，電壓和電流不再保持空間的不 變，這時(shí)必須把它看作空間傳輸?shù)牟ā?

19、基爾霍夫電壓和電流定律都沒(méi)有考慮到電壓和電流的空 間變化。 本章主要概述由集總電路向分布電路表示法過(guò)渡的物理 前提。2.3 傳輸線基本理論 第25頁(yè)/共94頁(yè)第二十五頁(yè)，編輯于星期日：九點(diǎn) 四十五分。 傳輸線的構(gòu)成主要從兩方面考慮: 從電性能方面考慮，有傳輸模式、色散、工作頻帶、功率容量、損耗等幾個(gè)指標(biāo)； TEM波(橫電磁波)：電場(chǎng)和磁場(chǎng)都與電磁波傳播方向相垂直。 TE波(橫電波)：電場(chǎng)與電磁波傳播方向相垂直，傳播方向上有磁場(chǎng)分量。 TM波(橫磁波)：磁場(chǎng)與電磁波傳播方向相垂直，傳播方向上有電場(chǎng)分量。 本書(shū)討論的射頻電路,傳輸線上傳輸?shù)氖荰EM波或準(zhǔn)TEM波。 從機(jī)械性能方面考慮，有尺寸、制作

20、難易度、集成難易度等幾個(gè)指標(biāo)。第26頁(yè)/共94頁(yè)第二十六頁(yè)，編輯于星期日：九點(diǎn) 四十五分。TEM傳輸線(即傳輸TEM波的傳輸線)無(wú)色散。TEM傳輸線的工作頻帶較寬。TEM傳輸線的功率容量和損耗應(yīng)能滿足設(shè)計(jì)要求。smccvrrrrp/10311180000第27頁(yè)/共94頁(yè)第二十七頁(yè)，編輯于星期日：九點(diǎn) 四十五分。單位長(zhǎng)度傳輸線的等效電路可由R R、L L、G G、C C等四個(gè)元件組成。IdzLjRduudzCjGdzCjGudI)()()(ZIdzdUYUdzdIGZRj LYj C2.3 均勻傳輸線方程 根據(jù)基爾霍夫定律根據(jù)基爾霍夫定律源LRCG負(fù)載z傳輸線的基本方程傳輸線的基本方程:第28

21、頁(yè)/共94頁(yè)第二十八頁(yè)，編輯于星期日：九點(diǎn) 四十五分。 假設(shè)波的傳播方向?yàn)閦軸方向,由基爾霍夫電壓及電流定律可得下列一維波動(dòng)方程: 此兩個(gè)方程式的解可寫(xiě)成0)()()()()(0)()()()()(222222zILGRCjzILCRGdzzIdzULGRCjzULCRGdzzUd(2-11) (2-12) ze 由始端向終端傳播的波由始端向終端傳播的波,是是入射波入射波,由信號(hào)源產(chǎn)生。由信號(hào)源產(chǎn)生。 由終端向始端傳播的波，是由終端向始端傳播的波，是反射波反射波，入射波在負(fù)載處，入射波在負(fù)載處反射引起的。反射引起的。zezzzzeIeIzIeUeUzU)()(第29頁(yè)/共94頁(yè)第二十九頁(yè)，編輯

22、于星期日：九點(diǎn) 四十五分。式中U U+ +、I I+ + 是沿+z+z軸方向傳播的波，、 I-I-是沿-z-z軸方向傳播的波。 是傳輸系數(shù), ,又稱為傳播常數(shù)，定義為 電磁波在z軸上任一點(diǎn)的總電壓及總電流的關(guān)系可由下列方程表示： jCjGLjRZY)(2-13) UCjGdzdIILjRdzdU)()(2-14) 第30頁(yè)/共94頁(yè)第三十頁(yè)，編輯于星期日：九點(diǎn) 四十五分。將式（2-122-12）代入式（2-142-14）, ,可得一般地, ,將上式定義為傳輸線的特性阻抗Z Z0 0, ,即當(dāng)R=G=0時(shí),傳輸線沒(méi)有損耗,無(wú)耗傳輸線的傳輸系數(shù)及特性阻抗Z0分別為 CjGIUCjGLjRCjGIU

23、IUZ0CLZ0LCjj第31頁(yè)/共94頁(yè)第三十一頁(yè)，編輯于星期日：九點(diǎn) 四十五分。此時(shí), ,傳輸系數(shù)為純虛數(shù)。大多數(shù)的射頻傳輸線損耗都很小, ,亦即RLRL且GC,G0)，用終端短路線等效)(2ZX00LZXarctglltagL則有：終端負(fù)載為純?nèi)菘?XL0)。用終端短路線等效)(220ZXarctglL則有：第44頁(yè)/共94頁(yè)第四十四頁(yè)，編輯于星期日：九點(diǎn) 四十五分。2.5 2.5 有耗傳輸線的工作狀態(tài)有耗傳輸線的傳輸系數(shù) 為復(fù)數(shù), ,輸入端電壓反射系數(shù)(L)(L)應(yīng)改成 (2-25)(2-25)而輸入阻抗則改成 j)tan()tan(000LjZZLjZZZZLLin(2-26)(2-

24、26)LLeL2)(第45頁(yè)/共94頁(yè)第四十五頁(yè)，編輯于星期日：九點(diǎn) 四十五分。傳輸線特性1、相位常數(shù)傳播常數(shù)：相位常數(shù) 表示單位長(zhǎng)度上的相位變化。對(duì)于無(wú)耗傳輸線：其中L和C分別為無(wú)耗傳輸線單位長(zhǎng)度的電感和電容。2、相速度 電磁波等相面移動(dòng)的速度。傳輸線上正向傳輸波和反向傳輸波，以相同的相速度沿相反的方向行進(jìn)。jLC第46頁(yè)/共94頁(yè)第四十六頁(yè)，編輯于星期日：九點(diǎn) 四十五分。2 無(wú)耗傳輸線工作在無(wú)耗傳輸線工作在TEMTEM模式時(shí)，相速度與工作頻率無(wú)關(guān)，只與傳輸模式時(shí)，相速度與工作頻率無(wú)關(guān)，只與傳輸線介質(zhì)特性有關(guān)。線介質(zhì)特性有關(guān)。3 3、相波長(zhǎng)、相波長(zhǎng)是指同一個(gè)時(shí)刻傳輸線上電磁波相位差為是指同一

25、個(gè)時(shí)刻傳輸線上電磁波相位差為 時(shí)的距離，時(shí)的距離，rPPfv02LCvP1rPcv1c c為自由空間的光速，為自由空間的光速， 為傳輸線介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。為傳輸線介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。r第47頁(yè)/共94頁(yè)第四十七頁(yè)，編輯于星期日：九點(diǎn) 四十五分。阻抗的概念 表示媒質(zhì)的本征阻抗，該阻抗僅與媒質(zhì)的材料有關(guān)，并且等于平面波的波阻抗。 表示波阻抗，該阻抗是特定波形的一種特性。TEM波、TM波和TE波對(duì)應(yīng)的波阻抗不同，具體取決于傳輸線和波導(dǎo)的類型、材料以及工作頻率。 表示特征阻抗(特性阻抗)，該阻抗是傳輸線上的行波電壓電流的比。因?yàn)閷?duì)于TEM波，電壓和電流是唯一確定的，所以TEM波的特征阻抗也是唯一的，

26、對(duì)于TE波和TM波，并不能唯一確定電壓和電流，因此，他們的特征阻抗可以用不同的方式來(lái)定義。ttWHEZ/CLZ 0第48頁(yè)/共94頁(yè)第四十八頁(yè)，編輯于星期日：九點(diǎn) 四十五分。2.6 2.6 史密斯圓圖 史密斯圓圖是由很多圓周交織在一起的一個(gè)圖。 在不作任何計(jì)算的前提下得到一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)的匹配阻抗，唯一需要作的就是沿著圓周線讀取并跟蹤數(shù)據(jù)。 已知一點(diǎn)的阻抗或反射系數(shù), ,用史密斯圓圖能方便地算出另一點(diǎn)的歸一化阻抗值和對(duì)應(yīng)的反射系數(shù)。 史密斯圓圖概念清晰, ,使用方便, ,廣泛用于阻抗匹配電路的設(shè)計(jì)中。 是解決傳輸線、晶體管放大電路、濾波器和阻是解決傳輸線、晶體管放大電路、濾波器和阻抗匹配的有效工具

27、抗匹配的有效工具。第49頁(yè)/共94頁(yè)第四十九頁(yè)，編輯于星期日：九點(diǎn) 四十五分。 |=常數(shù)對(duì)應(yīng)復(fù)平面上一族以原點(diǎn)為圓心的同心圓。所有的圓均在|=1的圓內(nèi)， |=1的圓最大，它相當(dāng)于終端全反射的情況， |=0的圓縮為一點(diǎn)(原點(diǎn))，稱為阻抗匹配點(diǎn)。 圓越大，離原點(diǎn)越遠(yuǎn)，系統(tǒng)匹配越差。 當(dāng)沿線自終端向始端移動(dòng)時(shí)，在復(fù)平面上對(duì)應(yīng)于反射系數(shù)順時(shí)針?lè)较蜓禺?dāng)沿線自終端向始端移動(dòng)時(shí)，在復(fù)平面上對(duì)應(yīng)于反射系數(shù)順時(shí)針?lè)较蜓貄=常數(shù)的圓（無(wú)耗）旋轉(zhuǎn)或沿螺旋線（有耗）旋入原點(diǎn)。常數(shù)的圓（無(wú)耗）旋轉(zhuǎn)或沿螺旋線（有耗）旋入原點(diǎn)。 當(dāng)沿線自始端向終端移動(dòng)時(shí)，在復(fù)平面上反射系數(shù)將沿逆時(shí)針?lè)较蛐?dāng)沿線自始端向終端移動(dòng)時(shí)，在復(fù)平面

28、上反射系數(shù)將沿逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。轉(zhuǎn)。00.3 0.6向負(fù)載向電源1.0ir向信號(hào)源等反射系數(shù)圓第50頁(yè)/共94頁(yè)第五十頁(yè)，編輯于星期日：九點(diǎn) 四十五分。 當(dāng)沿線移動(dòng)/2時(shí)，對(duì)應(yīng)復(fù)平面上沿|=常數(shù)的圓(無(wú)耗)旋轉(zhuǎn)一周。 在有耗傳輸線的情況下， 當(dāng)沿線移動(dòng)時(shí)，在復(fù)平面上將按螺旋線旋至原點(diǎn)。 00.3 0.6向負(fù)載向電源1.0ir向信號(hào)源等反射系數(shù)圓第51頁(yè)/共94頁(yè)第五十一頁(yè)，編輯于星期日：九點(diǎn) 四十五分。 當(dāng)R的值從0變到時(shí)，在復(fù)平面上對(duì)應(yīng)無(wú)窮多個(gè)圓，這些圓的圓心在正實(shí)軸上移動(dòng)，且均相切于(1,0)點(diǎn)，并在R=0的圓內(nèi)。 R=1的圓通過(guò)原點(diǎn)，稱為匹配圓。實(shí)軸顯純電阻性,正實(shí)軸上電阻為, 負(fù)實(shí)軸電阻

29、為1/。圖 2-14 等電阻圓 10421.20.90.60.30.10ir0r=0r=1r=2r r表示歸一化的數(shù)值表示歸一化的數(shù)值第52頁(yè)/共94頁(yè)第五十二頁(yè)，編輯于星期日：九點(diǎn) 四十五分。圖 2-15 等電抗圓 0.51031.20.80.30.100.10.30.50.81.2310容抗感抗irr0open.cshorted.cx=-1x=1感抗容抗x=0 x=1x=1/2x=-1/2由實(shí)軸分開(kāi)，上半平面對(duì)應(yīng)由實(shí)軸分開(kāi)，上半平面對(duì)應(yīng)感性電抗，下半平面對(duì)應(yīng)容感性電抗，下半平面對(duì)應(yīng)容性電抗；性電抗；第53頁(yè)/共94頁(yè)第五十三頁(yè)，編輯于星期日：九點(diǎn) 四十五分。等Q圓 金屬導(dǎo)線、電阻、電容和電

30、感的等效電路中均包含儲(chǔ)能元件和耗能元件，其中電容、電感代表儲(chǔ)能元件，電阻代表耗能元件。 當(dāng)元件耗能越小，Q值越高；當(dāng)元件的損耗時(shí)，Q值無(wú)限大，則電路越接近理想電路。 在設(shè)計(jì)匹配網(wǎng)絡(luò)時(shí)，必須與輸入、輸出阻抗一起來(lái)確定網(wǎng)絡(luò)的Q值大小，這樣才能合理的解決匹配網(wǎng)絡(luò)的工作頻帶、傳輸效率和濾波度三者之間的矛盾。第54頁(yè)/共94頁(yè)第五十四頁(yè)，編輯于星期日：九點(diǎn) 四十五分。 點(diǎn)越靠近Smith圓圖中的實(shí)軸，該點(diǎn)的品質(zhì)因數(shù)越低，即帶寬越寬。 點(diǎn)越靠近全反射系數(shù)圓，該點(diǎn)的品質(zhì)因數(shù)越高，即帶寬越窄。第55頁(yè)/共94頁(yè)第五十五頁(yè)，編輯于星期日：九點(diǎn) 四十五分。串電阻并電阻串傳輸線圓圖的運(yùn)用電阻減小電阻減小電阻增大電阻

31、增大電感增大電感增大電容增大電容增大電容減小電容減小電感減小電感減小傳輸線縮短傳輸線縮短第56頁(yè)/共94頁(yè)第五十六頁(yè)，編輯于星期日：九點(diǎn) 四十五分。 例1 已知傳輸線的特性阻抗 試求距離終端四分之一波長(zhǎng)處的輸入阻抗。例2 特性阻抗為50的無(wú)耗傳輸線端接阻抗為6060的負(fù)載，用解析法和圓圖法分別計(jì)算：負(fù)載電壓反射系數(shù)；/8處的輸入阻抗和電壓反射系數(shù)；3/8處的輸入阻抗和電壓反射系數(shù)；傳輸線上的電壓駐波比VSWR。思考題: 求終端短路的/4傳輸線的輸入阻抗?)6030(1000jZZL，終端負(fù)載第57頁(yè)/共94頁(yè)第五十七頁(yè)，編輯于星期日：九點(diǎn) 四十五分。 例3 用一段終端短路的傳輸線等效集總參數(shù)元

32、件。已知工作頻率為2GHz，傳輸線的特性阻抗為50，求形成5pF電容和9.4nH電感的傳輸線長(zhǎng)度。 思考題2 用特性阻抗為50的終端短路線代替10nH的電感，已知信號(hào)頻率為1GHz，同軸線內(nèi)外導(dǎo)體是空氣，問(wèn)終端短路同軸線的長(zhǎng)度是多少？第58頁(yè)/共94頁(yè)第五十八頁(yè)，編輯于星期日：九點(diǎn) 四十五分。 思考題 用特性阻抗為75的終端開(kāi)路同軸線代替pF的電容，已知信號(hào)的頻率為2GHz，同軸線內(nèi)外導(dǎo)體間是空氣，問(wèn)終端開(kāi)路同軸線的長(zhǎng)度是多少？ 例 已知均勻無(wú)耗傳輸線的特性阻抗為50歐，傳輸線長(zhǎng)度為0.125倍的波長(zhǎng)，終端接負(fù)載阻抗ZL=50+j50歐姆，試求(1)傳輸線上的電壓駐波系數(shù)VSWR。(2)終端電

33、壓反射系數(shù)。(3)傳輸線輸入端阻抗ZIN。第59頁(yè)/共94頁(yè)第五十九頁(yè)，編輯于星期日：九點(diǎn) 四十五分。2.7 2.7 微帶線的理論和設(shè)計(jì) 2.7.1 2.7.1 各種傳輸線介紹常見(jiàn)的傳輸線有同軸線、微帶線、帶狀線、矩形波導(dǎo)、圓波導(dǎo)等, ,如圖2-4-12-4-1所示。 傳輸線是用來(lái)傳輸電磁能量的裝置，主要用來(lái)連接信號(hào)源和負(fù)載。傳輸線是用來(lái)傳輸電磁能量的裝置，主要用來(lái)連接信號(hào)源和負(fù)載。 傳輸線按其傳輸電磁波的特性，可分為：橫電磁波傳輸線按其傳輸電磁波的特性，可分為：橫電磁波(TEM)、橫、橫電波電波(TE)和橫磁波和橫磁波(TM)。 圓柱波導(dǎo)和矩形波導(dǎo)都工作在圓柱波導(dǎo)和矩形波導(dǎo)都工作在TE或或T

34、M模式。模式。 在射頻電路設(shè)計(jì)中主要使用在射頻電路設(shè)計(jì)中主要使用TEM模式的傳輸線，如：雙線傳輸線、模式的傳輸線，如：雙線傳輸線、同軸傳輸線和微帶傳輸線。同軸傳輸線和微帶傳輸線。第60頁(yè)/共94頁(yè)第六十頁(yè)，編輯于星期日：九點(diǎn) 四十五分。由于材料和結(jié)構(gòu)的不同由于材料和結(jié)構(gòu)的不同, ,每種傳輸線的傳播常數(shù)不同。每種傳輸線的傳播常數(shù)不同。圖 2-4-1 常用射頻/微波傳輸線第61頁(yè)/共94頁(yè)第六十一頁(yè)，編輯于星期日：九點(diǎn) 四十五分。2.7.2 2.7.2 微帶線微帶線是一種準(zhǔn)TEMTEM波傳輸線, ,分為兩大類： 一類是射頻/ /微波信號(hào)傳輸類的電子產(chǎn)品。 雷達(dá)、廣播電視和通信； 另一類是高速邏輯信

35、號(hào)傳輸類的電子產(chǎn)品。 以數(shù)字信號(hào)傳輸, ,與電磁波的方波傳輸有關(guān), , 主要應(yīng)用在計(jì)算機(jī), ,家電和通信類電子產(chǎn)品。第62頁(yè)/共94頁(yè)第六十二頁(yè)，編輯于星期日：九點(diǎn) 四十五分。1. 微帶線基本設(shè)計(jì)參數(shù) 微帶線橫截面的結(jié)構(gòu)如下圖所示。相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)如下: (1) 基板參數(shù): 基板介電常數(shù)r、基板介質(zhì)損耗角正切tan、基板高度h和導(dǎo)線厚度t。導(dǎo)帶和底板(接地板)金屬通常為銅、金、銀、錫或鋁。xyrr導(dǎo)體1Wht介質(zhì)材料導(dǎo)體2O第63頁(yè)/共94頁(yè)第六十三頁(yè)，編輯于星期日：九點(diǎn) 四十五分。（2） 電特性參數(shù): 特性阻抗Z0、工作頻率f0、工作波長(zhǎng)0、波導(dǎo)波長(zhǎng)g和電長(zhǎng)度(角度)。（3） 微帶線參數(shù)：寬度W

36、、長(zhǎng)度L和單位長(zhǎng)度衰減量AdB。 2. 綜合公式 已知傳輸線的電特性參數(shù)(Z0、),求微帶線的物理結(jié)構(gòu)參數(shù)(W、L、AdB)。解: dcgeeeaaALthtwtwtwW2)2ln(1 )4ln(1 2hwe窄帶2hwe寬帶第64頁(yè)/共94頁(yè)第六十四頁(yè)，編輯于星期日：九點(diǎn) 四十五分。其中：)101 (2121)4ln12(ln11211212)4ln12(ln) 1(21)244ln() 1(29 .1199 . 02ln2ln21216ln4ln229 .11921220errrrrregrrrrrrrwhHpWhWhhWeehWZ517. 0293. 0) 1ln(1)12ln() 1(2

37、)418(1rrrHHedddheehw高阻高阻 Z044-2r 低阻低阻 Z044-2r 高阻高阻Z044-2r 低阻低阻Z044-2r 第65頁(yè)/共94頁(yè)第六十五頁(yè)，編輯于星期日：九點(diǎn) 四十五分。rrrercreerrdegZdHZffafca020000095.59)4ln12(ln11219 .119) 1(22110ln2000tan1173. 2第66頁(yè)/共94頁(yè)第六十六頁(yè)，編輯于星期日：九點(diǎn) 四十五分。 解: )101 (2121)4ln12(ln11211212)4ln12(ln) 1(21)244ln() 1(29 .1199 . 02ln2ln21216ln4ln229 .

38、11921220errrrrregrrrrrrrwhHpWhWhhWeehWZ 寬帶寬帶 W3.3h 窄帶窄帶 W3.3h 高阻高阻Z044-2r 低阻低阻Z044-2r 3. 分析公式已知微帶線的物理結(jié)構(gòu)參數(shù)（W、L、AdB）,求電特性參數(shù)（Z0、）。第67頁(yè)/共94頁(yè)第六十七頁(yè)，編輯于星期日：九點(diǎn) 四十五分。4. 4. 微帶線的設(shè)計(jì)方法由上述綜合公式和分析公式可以看出： 計(jì)算公式極為復(fù)雜。每一個(gè)電路的設(shè)計(jì)都使用一次這些公式是不現(xiàn)實(shí)的。 微帶線設(shè)計(jì)問(wèn)題的實(shí)質(zhì)就是求給定介質(zhì)基板情況下阻抗與導(dǎo)帶寬度的對(duì)應(yīng)關(guān)系。 目前使用的方法主要有： （1 1）查表格。 按相對(duì)介電常數(shù)選表格； 查阻抗值、寬高比

39、W/hW/h、有效介電常數(shù)e e三者的對(duì)應(yīng)關(guān)系, ,只要已知一個(gè)值, ,其他兩個(gè)就可查出； 計(jì)算, ,通常h h已知, ,則W W可得, ,由e e求出波導(dǎo)波長(zhǎng), ,進(jìn)而求出微帶線長(zhǎng)度。第68頁(yè)/共94頁(yè)第六十八頁(yè)，編輯于星期日：九點(diǎn) 四十五分。 當(dāng)金屬導(dǎo)帶的厚度遠(yuǎn)小于介質(zhì)基板厚度h時(shí)，微帶線有效相對(duì)介電常數(shù) 的經(jīng)驗(yàn)公式為：（2）根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)）根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算微帶線的特性阻抗算微帶線的特性阻抗eff053. 03424)39 . 0(564. 0)1 .18(1ln7 .181432. 0)52(ln4911)101 (2121rrabrreffbuuuuau計(jì)算微帶線阻抗計(jì)算微帶線阻抗的經(jīng)

40、驗(yàn)公式：的經(jīng)驗(yàn)公式： )666.30(exp)62(6)2(1ln27528.0200uFuuFZeff1200hWu 是波阻抗是波阻抗第69頁(yè)/共94頁(yè)第六十九頁(yè)，編輯于星期日：九點(diǎn) 四十五分。 利用上式可計(jì)算精度非常高的微帶線特性阻抗。 射頻信號(hào)在微帶線中的波長(zhǎng)(波導(dǎo)波長(zhǎng))可以根據(jù)有效相對(duì)介電常數(shù)表示： 為射頻信號(hào)在自由空間的波長(zhǎng)。 effeffg00例例 微帶傳輸線的介質(zhì)基板相對(duì)介電常數(shù)為微帶傳輸線的介質(zhì)基板相對(duì)介電常數(shù)為2.70，基板厚度為，基板厚度為 1.00mm，微帶線的寬度為，微帶線的寬度為W=2.02mm，微帶線的厚度可，微帶線的厚度可 以忽略不計(jì)。試求以忽略不計(jì)。試求(1)該

41、微帶線中射頻信號(hào)的相速度該微帶線中射頻信號(hào)的相速度Vp， (2)當(dāng)工作頻率為當(dāng)工作頻率為3GHz時(shí)，八分之一波長(zhǎng)微帶線的長(zhǎng)度。時(shí)，八分之一波長(zhǎng)微帶線的長(zhǎng)度。 (3)在在3GHz的頻率下，長(zhǎng)度為的頻率下，長(zhǎng)度為1cm的微帶傳輸線引起的相的微帶傳輸線引起的相 位差。位差。第70頁(yè)/共94頁(yè)第七十頁(yè)，編輯于星期日：九點(diǎn) 四十五分。首先用下圖確定近似的w/h比值,選擇對(duì)應(yīng)r=4.6的曲線,找出Z0=50. w/h近似為1.9。當(dāng)選擇w/h5GHz),微帶線中由TE和TM模組成的高次模使特性阻抗和相速隨著頻率變化而變化, 從而具有色散特性。第79頁(yè)/共94頁(yè)第七十九頁(yè)，編輯于星期日：九點(diǎn) 四十五分。 8

42、. 微帶線常用材料 構(gòu)成微帶線的材料就是金屬和介質(zhì),對(duì)金屬的要求是導(dǎo)電性能,對(duì)介質(zhì)的 要求是提供合適的介電常數(shù),而不帶來(lái)?yè)p耗。對(duì)材料的要求還與制造成本和系 統(tǒng)性能有關(guān)。 介質(zhì)材料:一般有陶瓷材料、玻纖布、 聚四氟乙烯、 其他熱固性樹(shù)脂等。第80頁(yè)/共94頁(yè)第八十頁(yè)，編輯于星期日：九點(diǎn) 四十五分。 9. 微帶線計(jì)算實(shí)例已知Z0=75,=30,f0=900MHz,負(fù)載為50,計(jì)算無(wú)耗傳輸線的特性：（1）反射系數(shù)L,回波損耗RL,電壓駐波比VSWR。（2） 輸入阻抗Zin,輸入反射系數(shù)in。（3）基板為FR4的微帶線寬度W、長(zhǎng)度L及單位損耗量AdB?；鍏?shù)：基板介電常數(shù)r=4.5, 損耗角正切ta

43、n=0.015,基板高度h=62mil,基板導(dǎo)線金屬銅,基板導(dǎo)線厚度t=0.03mm。 第81頁(yè)/共94頁(yè)第八十一頁(yè)，編輯于星期日：九點(diǎn) 四十五分。第82頁(yè)/共94頁(yè)第八十二頁(yè)，編輯于星期日：九點(diǎn) 四十五分。LTCC (Low Temperature Co-fired Ceramic)電路 LTCC低溫共燒陶瓷是MCM-C(共燒陶瓷多芯片組件)一種多層布線基板技術(shù)。 成為無(wú)源集成的主流技術(shù)，將低溫?zé)Y(jié)陶瓷粉制成厚度精確而且致密的生瓷帶，在生瓷帶上利用激光打孔、微孔注漿、精密導(dǎo)體漿料印刷等工藝制出所需要的電路圖形 。 將多個(gè)被動(dòng)組件(如低容值電容、電阻、濾波器、阻抗轉(zhuǎn)換器、耦合器等)埋入多層陶瓷

44、基板中，然后疊壓在一起，內(nèi)外電極可分別使用銀、銅、金等金屬，在900下燒結(jié)，制成三維空間互不干擾的高密度電路，也可制成內(nèi)置無(wú)源元件的三維電路基板，在其表面可以貼裝IC和有源器件，制成無(wú)源/有源集成的功能模塊，特別適合用于高頻通訊用組件。 第83頁(yè)/共94頁(yè)第八十三頁(yè)，編輯于星期日：九點(diǎn) 四十五分。第84頁(yè)/共94頁(yè)第八十四頁(yè)，編輯于星期日：九點(diǎn) 四十五分。LTCC是今后發(fā)展趨勢(shì) LTCC是今后元件制造工藝的一個(gè)趨勢(shì)，集成的趨勢(shì)非常明顯。 LTCC具有以下特點(diǎn)： LTCC材料的介電常數(shù)可以在很大范圍內(nèi)變動(dòng)，增加了電路設(shè)計(jì)的靈活性； 陶瓷材料具有優(yōu)良的高頻、高Q特性和高速傳輸特性； 使用高電導(dǎo)率的金屬材料作為導(dǎo)體材料，有利于提高電路系統(tǒng)的品質(zhì)因數(shù)