第二章講義140423

1、電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義第二章 微波平面?zhèn)鬏斁€電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義目錄2.1 2.1 引言引言2.2 2.2 微帶線微帶線2.32.3帶狀線帶狀線2.42.4懸置微帶和倒置微帶懸置微帶和倒置微帶2.52.5槽線和共面波導(dǎo)槽線和共面波導(dǎo)2.62.6鰭線鰭線2.72.7其他平面?zhèn)鬏斁€其他平面?zhèn)鬏斁€電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義微波常用傳輸線矩形波導(dǎo)圓波導(dǎo)平行雙線同軸線微帶線2.1 引言電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義2.1 引言平面?zhèn)鬏斁€平面?zhèn)鬏斁€微帶線微帶線帶狀線帶狀線懸置微帶和倒懸置微帶和倒置微帶置微

2、帶槽線與共面波導(dǎo)槽線與共面波導(dǎo)相速和波長(zhǎng)相速和波長(zhǎng)特性阻抗特性阻抗衰減常數(shù)衰減常數(shù)功率容量功率容量設(shè)計(jì)原則設(shè)計(jì)原則電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義微波平面?zhèn)鬏斁€通常由微波平面?zhèn)鬏斁€通常由介質(zhì)基片介質(zhì)基片、介質(zhì)基片上的、介質(zhì)基片上的導(dǎo)帶導(dǎo)帶與與金金屬接地層屬接地層組成，制備工藝包括厚膜工藝和薄膜工藝。組成，制備工藝包括厚膜工藝和薄膜工藝。2.1 引言電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義對(duì)基片材料的要求對(duì)基片材料的要求: :（1 1）較高的介電常數(shù)，使電路小型化）較高的介電常數(shù)，使電路小型化( (針對(duì)微波頻率針對(duì)微波頻率) )；（2 2）低損耗；）低損耗；（3 3）介電常數(shù)）介電常數(shù)

3、穩(wěn)定；穩(wěn)定；（4 4）純度高，性能一致性好；）純度高，性能一致性好；（5 5）表面光潔度高，金屬附著力好；）表面光潔度高，金屬附著力好；（6 6）擊穿強(qiáng)度高）擊穿強(qiáng)度高, , 導(dǎo)熱性好，以適用于較大的功率。導(dǎo)熱性好，以適用于較大的功率。2.1 引言電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義材料名稱(chēng)材料名稱(chēng)表面粗糙表面粗糙度（度（umum）10GHz10GHz時(shí)的時(shí)的損耗正切（損耗正切（1010-4 -4）介電常介電常數(shù)數(shù)導(dǎo)熱率導(dǎo)熱率（W/cmW/cm）應(yīng)用與特點(diǎn)應(yīng)用與特點(diǎn)聚四氟乙烯聚四氟乙烯纖維加強(qiáng)板纖維加強(qiáng)板101510152.52.82.52.8厘米波段厘米波段MICMIC價(jià)格低，加工容易價(jià)

4、格低，加工容易氧化鋁氧化鋁99%99%215215252599.599.50.30.3厘米至毫米波段厘米至毫米波段藍(lán)寶石藍(lán)寶石0.510.511 199.599.50.40.4毫米波毫米波MICMIC高介陶瓷高介陶瓷1212208020800.010.050.010.05用于小尺寸電路用于小尺寸電路DuroidDuroid2.24.02.24.0毫米波毫米波MICMIC石英石英0.10.50.10.51 13.83.80.010.01毫米波毫米波MICMIC，但易，但易碎碎氧化鈹氧化鈹2102101 16.66.62.52.5導(dǎo)熱好，用于功率導(dǎo)熱好，用于功率器件器件硅硅1 1101001010

5、012121.51.5MMICMMIC砷化鎵砷化鎵1 16 612.912.90.460.46MMICMMIC磷化銦磷化銦14140.680.68MMICMMIC碳化硅碳化硅10103.33.3MMICMMIC2.1 引言電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義2.1 引言性能：性能：超常的層間結(jié)合；超常的層間結(jié)合；低吸水率；低吸水率；增強(qiáng)的尺寸穩(wěn)定性；增強(qiáng)的尺寸穩(wěn)定性；低低Z Z軸膨脹；軸膨脹；頻率使用范圍穩(wěn)定的介電常數(shù)；頻率使用范圍穩(wěn)定的介電常數(shù)；增強(qiáng)的撓性強(qiáng)度。增強(qiáng)的撓性強(qiáng)度。應(yīng)用：功率放大器；濾波器和連結(jié)器；無(wú)源元器件；天線。應(yīng)用：功率放大器；濾波器和連結(jié)器；無(wú)源元器件；天線。電子科技

6、大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義對(duì)于金屬材料的要求：對(duì)于金屬材料的要求：（1 1）高的導(dǎo)電率；）高的導(dǎo)電率；（2 2）低的電阻溫度系數(shù)；）低的電阻溫度系數(shù)；（3 3）對(duì)基片的附著性能好）對(duì)基片的附著性能好; ;（4 4）好的刻蝕性和可焊接性）好的刻蝕性和可焊接性; ;（5 5）易于淀積和電鍍。）易于淀積和電鍍。2.1 引言電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義材料材料 表面電阻率表面電阻率(f單位單位:Hz)趨膚深度趨膚深度2GHz（m）熱膨脹系數(shù)熱膨脹系數(shù)（10-8/）與介質(zhì)與介質(zhì)附著力附著力工藝方法工藝方法銀（銀（Ag）2.51.421差差蒸發(fā)蒸發(fā)銅（銅（Cu）2.61.518差差電鍍電

7、鍍/蒸發(fā)蒸發(fā)/淀積淀積金（金（Au）3.01.715差差電鍍電鍍/蒸發(fā)蒸發(fā)鋁（鋁（Al）3.31.926差差蒸發(fā)蒸發(fā)鉻（鉻（Cr）4.72.79好好蒸發(fā)蒸發(fā)鈀（鈀（pd）3.611中中蒸發(fā)蒸發(fā)/電鍍電鍍/濺射濺射鉭鉭(Ta)7.24.06.6好好濺時(shí)濺時(shí)2.1 引言電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義MICMIC主要工藝過(guò)程：主要工藝過(guò)程：2.1 引言電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義 薄膜與厚膜工藝產(chǎn)品之差異分析薄膜與厚膜工藝產(chǎn)品之差異分析2.1 引言薄膜工藝薄膜工藝厚膜工藝厚膜工藝精度精度高，高， 1%1%較低，較低， 10%10%鍍層材料鍍層材料材料穩(wěn)定度高材料穩(wěn)定度高易受漿料

8、影響易受漿料影響鍍層表面鍍層表面表面平整度高，誤差表面平整度高，誤差0.30.3 m m較差，誤差較差，誤差33 m m設(shè)備設(shè)備成本高成本高成本低成本低鍍層附著鍍層附著性性無(wú)需高溫?zé)Y(jié)，不含無(wú)需高溫?zé)Y(jié)，不含氧化物、附著性好氧化物、附著性好易受基板材質(zhì)影易受基板材質(zhì)影響響電路對(duì)準(zhǔn)電路對(duì)準(zhǔn)使用曝光顯影，對(duì)準(zhǔn)使用曝光顯影，對(duì)準(zhǔn)性高性高易受絲網(wǎng)張力及易受絲網(wǎng)張力及使用次數(shù)影響，使用次數(shù)影響，對(duì)準(zhǔn)性較差對(duì)準(zhǔn)性較差電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義2.2 微帶線微帶線微帶線目前是混合微波集成電路（微帶線目前是混合微波集成電路（HMICHMIC）和單片微波集成電）和單片微波集成電路（路（MMICMM

9、IC）以及多芯片組件（）以及多芯片組件（MCMMCM）使用最多的一種）使用最多的一種平面型平面型傳輸線傳輸線。微帶線結(jié)構(gòu)及內(nèi)部場(chǎng)結(jié)構(gòu)微帶線結(jié)構(gòu)及內(nèi)部場(chǎng)結(jié)構(gòu)電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義 微帶線的優(yōu)缺點(diǎn)：微帶線的優(yōu)缺點(diǎn)：與波導(dǎo)、同軸線等立體電路相比的與波導(dǎo)、同軸線等立體電路相比的主要優(yōu)點(diǎn)主要優(yōu)點(diǎn)在于：在于：（1 1）體積小、重量輕；）體積小、重量輕；（2 2）采用的半空間開(kāi)放電路結(jié)構(gòu)，便于與固體器件進(jìn)行）采用的半空間開(kāi)放電路結(jié)構(gòu)，便于與固體器件進(jìn)行連接；連接；（3 3）電路的可靠性和性能得到改善，同時(shí)制造成本低。）電路的可靠性和性能得到改善，同時(shí)制造成本低。但也存在以下問(wèn)題有待解決：但

10、也存在以下問(wèn)題有待解決：（1 1）傳輸線的損耗較大；）傳輸線的損耗較大；（2 2）散熱較差、介質(zhì)基片在高電壓下容易擊穿問(wèn)題。）散熱較差、介質(zhì)基片在高電壓下容易擊穿問(wèn)題。2.2 微帶線微帶線電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義微帶線可以看成由微帶線可以看成由平行雙線平行雙線演變而來(lái)演變而來(lái)2.2.1 概要概要平行雙線到微帶線的演變過(guò)程平行雙線到微帶線的演變過(guò)程電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義微帶線發(fā)展歷史微帶線發(fā)展歷史 1952年年， Grieg and Engelmann，首次發(fā)表關(guān)于帶狀，首次發(fā)表關(guān)于帶狀線（線（stripline）的報(bào)道，）的報(bào)道， “Microstrip-A

11、New Transmission Technique for the Klilomegacycle Range” ，IRE proceeding 1955年，年， ITT Ferearl Telecommunications Laboratories（New Jersey）, 報(bào)道了多篇關(guān)于微帶報(bào)道了多篇關(guān)于微帶線的報(bào)道，線的報(bào)道，IEEE transactions on Microwave Theory and Technique. 1960年，年，薄基片厚度的微帶線流行。薄基片厚度的微帶線流行。2.2.1 概要概要電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義微帶線由微帶線由介質(zhì)基片介質(zhì)基片、介

12、質(zhì)基片、介質(zhì)基片上的上的導(dǎo)帶導(dǎo)帶與與金屬接地層金屬接地層組成。組成。2.2.1 概要概要微帶線構(gòu)成微帶線構(gòu)成電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義微帶線的微帶線的特性參數(shù)特性參數(shù)0( )( )dV zI z Z dz 0( )( )dI zV z Y dz22002( )( )( )d V zZ YV zV zdz22002( )( )( )d I zZ Y I zI zdz傳輸線電壓、電流波動(dòng)方程傳輸線電壓、電流波動(dòng)方程均勻傳輸線電壓、電流微均勻傳輸線電壓、電流微分方程或電報(bào)方程分方程或電報(bào)方程000ZRj L000YGj C2.2.2 微帶線特性分析微帶線特性分析 空氣微帶線特性阻抗：空

13、氣微帶線特性阻抗：Zv C010011傳輸波的相速范圍傳輸波的相速范圍 vvvprp0單位長(zhǎng)度分布電容范圍單位長(zhǎng)度分布電容范圍 CCCr01001特性阻抗范圍特性阻抗范圍 ZZZr01001 TEMTEM模無(wú)耗傳輸線的模無(wú)耗傳輸線的特性阻抗特性阻抗： Zv Cp001當(dāng)微帶線的周?chē)坑孟鄬?duì)介電常數(shù)為當(dāng)微帶線的周?chē)坑孟鄬?duì)介電常數(shù)為 的介質(zhì)填充時(shí)，的介質(zhì)填充時(shí)，其特性阻抗為其特性阻抗為rZZr0012.2.2 微帶線特性分析微帶線特性分析電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義vvpre0相速為相速為相波長(zhǎng)為相波長(zhǎng)為 pre0單位長(zhǎng)度分單位長(zhǎng)度分布電容為布電容為 CCre001特性阻抗為特性

14、阻抗為 ZZre001rerCCq00111式中式中q q為填充因子，表示介質(zhì)填充的程度為填充因子，表示介質(zhì)填充的程度 qhw121110122.2.2 微帶線特性分析微帶線特性分析微帶線的周?chē)鸀榉蔷鶆蚪橘|(zhì)填充時(shí)，引入微帶線的周?chē)鸀榉蔷鶆蚪橘|(zhì)填充時(shí)，引入相對(duì)等效介電常數(shù)相對(duì)等效介電常數(shù)電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義微帶線的分析方法微帶線的分析方法 19521952年時(shí)，年時(shí)， Grieg and Engelmann采用采用分析方法基于分析方法基于平行雙線平行雙線的準(zhǔn)靜態(tài)分析。的準(zhǔn)靜態(tài)分析。 2020世紀(jì)世紀(jì)6060年代，年代，保角變換、格林函數(shù)、有限差分法等發(fā)展；保角變換、格林函數(shù)、

15、有限差分法等發(fā)展； 19711971年時(shí)，年時(shí)，嚴(yán)格的場(chǎng)解方法已經(jīng)能夠計(jì)算色散特性。嚴(yán)格的場(chǎng)解方法已經(jīng)能夠計(jì)算色散特性。2.2.2 微帶線特性分析微帶線特性分析電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義微帶線特性分析微帶線特性分析u微帶線分析方法有兩種：微帶線分析方法有兩種：（1 1）準(zhǔn)靜態(tài)法）準(zhǔn)靜態(tài)法（2 2）全波分析法）全波分析法u把微帶線的工作模式當(dāng)作把微帶線的工作模式當(dāng)作TEMTEM模來(lái)分析，這種分析方法模來(lái)分析，這種分析方法稱(chēng)為稱(chēng)為“準(zhǔn)靜態(tài)分析法準(zhǔn)靜態(tài)分析法” 。u全波分析全波分析法是法是利用利用高等電磁理論高等電磁理論，求，求滿足滿足完整完整MaxwellMaxwell方方程式及程式

16、及邊界條件邊界條件的的電磁場(chǎng)電磁場(chǎng)之解之解。2.2.2 微帶線特性分析微帶線特性分析電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義23準(zhǔn)靜態(tài)準(zhǔn)靜態(tài)分析：分析：步驟步驟1 假設(shè)介質(zhì)假設(shè)介質(zhì)不存在，不存在，金屬導(dǎo)體之外金屬導(dǎo)體之外到到處都是空氣，處都是空氣，算算出其每出其每單位長(zhǎng)電容單位長(zhǎng)電容及及電感電感分別分別為為C C0 0及及L L0 0，此時(shí)此時(shí): : 特性阻抗特性阻抗為為相位相位傳播常數(shù)為傳播常數(shù)為 000/CLZa000CLa2.2.2 微帶線特性分析微帶線特性分析電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義24準(zhǔn)靜態(tài)準(zhǔn)靜態(tài)分析：分析：步驟步驟2u放入放入介質(zhì)，介質(zhì)，利用利用數(shù)值數(shù)值方法方法（如

17、：保角變換、有限差分、（如：保角變換、有限差分、積分方程和積分方程和變分法變分法）求出其求出其單位長(zhǎng)電容單位長(zhǎng)電容C，每每單位長(zhǎng)電感單位長(zhǎng)電感仍仍為為L(zhǎng) L0 0，于是微帶線于是微帶線的特性阻抗的特性阻抗與與相位相位傳播常數(shù)分別為傳播常數(shù)分別為: :000aLCZZCC00aCLCC2.2.2 微帶線特性分析微帶線特性分析電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義兩種情況下，上述準(zhǔn)靜態(tài)兩種情況下，上述準(zhǔn)靜態(tài)法將不適用：法將不適用：u介質(zhì)厚度和波長(zhǎng)相比擬；介質(zhì)厚度和波長(zhǎng)相比擬；u頻率較高時(shí)，例如毫米波頻頻率較高時(shí)，例如毫米波頻段的高端。段的高端。原因：存在高階模式！原因：存在高階模式！利用利用全波

18、法求解，可獲得全波法求解，可獲得更為準(zhǔn)確的更為準(zhǔn)確的微帶線特性阻微帶線特性阻抗和有效介電常數(shù)。抗和有效介電常數(shù)。fre,Zc2.2.2 微帶線特性分析微帶線特性分析電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義不不論準(zhǔn)靜態(tài)分析論準(zhǔn)靜態(tài)分析或全波分析都很或全波分析都很難難找到找到簡(jiǎn)單的簡(jiǎn)單的公式公式解，而必需利用解，而必需利用數(shù)值數(shù)值方法，以方法，以電腦計(jì)算數(shù)值解。電腦計(jì)算數(shù)值解。u市面上有市面上有許多許多商用商用軟件軟件可作可作微帶線微帶線的的準(zhǔn)靜態(tài)準(zhǔn)靜態(tài)分析及全波分析及全波分析分析 。u優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)缺點(diǎn)：精度高、但計(jì)算效率太低，無(wú)法滿足工精度高、但計(jì)算效率太低，無(wú)法滿足工程需要。程需要。半半經(jīng)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)

19、解析公式解析公式u利用近似物理模型或利用近似物理模型或純經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式與測(cè)量純經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式與測(cè)量結(jié)果，結(jié)果，導(dǎo)出傳導(dǎo)出傳播播常數(shù)常數(shù)與與特性阻抗的公式特性阻抗的公式；u例：例：Bahl Bahl 與與Garg Garg 的的準(zhǔn)靜態(tài)準(zhǔn)靜態(tài)公式公式( (與實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果結(jié)果結(jié)果相當(dāng)相當(dāng)吻合吻合) )2.2.2 微帶線特性分析微帶線特性分析電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義uBahl Bahl 與與 Garg Garg 準(zhǔn)靜態(tài)準(zhǔn)靜態(tài)公式公式計(jì)算結(jié)果計(jì)算結(jié)果 介質(zhì)介質(zhì)基板厚度基板厚度100mm，金屬金屬帶條帶條厚度厚度3mm； 相同的相同的頻率頻率、基板基板厚度、及厚度、及金金屬帶條屬帶條厚度之下

20、，微厚度之下，微帶線帶線的特的特性阻抗性阻抗與傳播與傳播特性只特性只與金屬帶與金屬帶條寬度條寬度有有關(guān)；關(guān)； 其他其他條件條件固定固定時(shí)時(shí)，金屬帶條越金屬帶條越寬寬，其特性阻抗，其特性阻抗越越小，而相小，而相對(duì)對(duì)介電常數(shù)越介電常數(shù)越大大； 可可輕易輕易在同一在同一塊電塊電路板作出不路板作出不同特性阻抗同特性阻抗傳輸線。傳輸線。r,w,hre,Zc2.2.2 微帶線特性分析微帶線特性分析電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義2.2.2 微帶線特性分析微帶線特性分析電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義29色散色散(Dispersion)u 色散：電磁波的傳播速度隨其頻率變化而變化的現(xiàn)象。色散

21、：電磁波的傳播速度隨其頻率變化而變化的現(xiàn)象。u微微帶線帶線不不傳播傳播TEMTEM波波 全波分析全波分析顯示顯示其有效相其有效相對(duì)對(duì)介介點(diǎn)常數(shù)（點(diǎn)常數(shù)（ re e) )和特性阻抗都和特性阻抗都會(huì)隨頻率變會(huì)隨頻率變化，稱(chēng)為化，稱(chēng)為色散色散； 有效相有效相對(duì)介電常數(shù)對(duì)介電常數(shù)re下相位傳播常數(shù)為：下相位傳播常數(shù)為：u也有研究人也有研究人員員提出色散模型的半提出色散模型的半經(jīng)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)公式公式 例例：HammerstadHammerstad與與JensenJensen的特性阻抗公式的特性阻抗公式 ； 例例：M.KobayashiM.Kobayashi的有效的有效相對(duì)介電常數(shù)相對(duì)介電常數(shù)公式公式；均不必均

22、不必記記，可，可寫(xiě)成函數(shù)寫(xiě)成函數(shù)，使用時(shí)調(diào)用就可使用時(shí)調(diào)用就可 re002.2.2 微帶線特性分析微帶線特性分析電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義Hammerstad特性阻抗公式（誤差范圍特性阻抗公式（誤差范圍1%0，則需要對(duì)前式中帶條，則需要對(duì)前式中帶條寬度寬度w以有效寬度以有效寬度we進(jìn)行修正，即：進(jìn)行修正，即： we=w+w。在。在介電常數(shù)介電常數(shù)2 r 6、w/h1.25和和0.1t/w5h，側(cè)壁與微帶間距，側(cè)壁與微帶間距5w時(shí)，可以忽略。時(shí)，可以忽略。2.2.2 微帶線特性分析微帶線特性分析電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義32u色散色散效應(yīng)影響效應(yīng)影響 特性阻抗和有效介

23、電常數(shù)隨頻率變化很小，我們可特性阻抗和有效介電常數(shù)隨頻率變化很小，我們可以引用一經(jīng)驗(yàn)公式：以引用一經(jīng)驗(yàn)公式： 其中其中fd d的單位為的單位為GHzGHz，h h的單位為的單位為cmcm。當(dāng)。當(dāng)ffd時(shí)，色散效應(yīng)可以時(shí)，色散效應(yīng)可以忽略。忽略。 例例 采用相對(duì)介電常數(shù)為采用相對(duì)介電常數(shù)為2.22.2，厚度為，厚度為0.254mm0.254mm的介質(zhì)基片作為微的介質(zhì)基片作為微帶線的襯底時(shí)，對(duì)于帶線的襯底時(shí)，對(duì)于5050歐姆阻抗線而言，色散效應(yīng)可以忽略的歐姆阻抗線而言，色散效應(yīng)可以忽略的最高頻率是多少？最高頻率是多少？2.2.2 微帶線特性分析微帶線特性分析電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義

24、2.2.2 微帶線特性分析微帶線特性分析電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義Rogers RT/duroid 5880Rogers RT/duroid 5880高頻層高頻層壓板使用在壓板使用在: :商用航空電話電路商用航空電話電路微帶線和帶狀線電路微帶線和帶狀線電路毫米波應(yīng)用毫米波應(yīng)用軍用雷達(dá)系統(tǒng)軍用雷達(dá)系統(tǒng)導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)字無(wú)線電天線點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)字無(wú)線電天線2.2.2 微帶線特性分析微帶線特性分析電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義微帶線中傳輸模式微帶線中傳輸模式u空氣介質(zhì)的微帶線存在無(wú)色散的空氣介質(zhì)的微帶線存在無(wú)色散的TEM模模。u實(shí)際微帶線是制作在介質(zhì)基片上的，是實(shí)際

25、微帶線是制作在介質(zhì)基片上的，是TE模和模和TM模模的的混合?；旌夏！微帶線中的傳輸模式類(lèi)似于微帶線中的傳輸模式類(lèi)似于TEM模，故稱(chēng)為模，故稱(chēng)為準(zhǔn)準(zhǔn)TEM模模。2.2.2 微帶線特性分析微帶線特性分析電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義36微微帶線無(wú)帶線無(wú)法法傳播傳播TEM波波說(shuō)明說(shuō)明u空氣與介質(zhì)空氣與介質(zhì)的交界面上的交界面上電場(chǎng)電場(chǎng)的的切切線線方向分量方向分量連續(xù)，因此連續(xù)，因此axdxEE 下下標(biāo)標(biāo)d和和a分別表示交界面的分別表示交界面的介介質(zhì)側(cè)質(zhì)側(cè)及空及空氣側(cè)。氣側(cè)。2.2.2 微帶線特性分析微帶線特性分析電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義37微微帶線無(wú)法傳播帶線無(wú)法傳播TEM

26、波波說(shuō)說(shuō)明明u利用利用Maxwell 方程式可得方程式可得u在在直角坐直角坐標(biāo)標(biāo)系展系展開(kāi)開(kāi)，且利用交界，且利用交界面面兩側(cè)兩側(cè)磁磁場(chǎng)強(qiáng)場(chǎng)強(qiáng)度法度法線線方向分量方向分量連連續(xù)續(xù)的的條條件件(假定假定介質(zhì)介質(zhì)的的r=1) axdxHH)()(zHyHyHyrdzazr12.2.2 微帶線特性分析微帶線特性分析微微帶線無(wú)帶線無(wú)法法傳播傳播TEM波波說(shuō)說(shuō)明明u由由于于 大大于于1，而且，而且界界面上的面上的Hy不不為為零，它零，它對(duì)對(duì)z的的變變化也不化也不為為零零，因此因此式右式右邊邊的的項(xiàng)項(xiàng)不不會(huì)會(huì)是零是零，依據(jù)，依據(jù)上面的公式，上面的公式，其左方的其左方的項(xiàng)項(xiàng)因此不因此不能能為為零零，所以，所以

27、H Hz z也就不可以是也就不可以是。rzHyHyHyrdzazr1無(wú)法滿無(wú)法滿足足TEMTEM波波Hz=0Hz=0！ 2.2.2 微帶線特性分析微帶線特性分析電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義uTE10TE10模截止波長(zhǎng)為模截止波長(zhǎng)為 uTM01TM01模截止波長(zhǎng)為模截止波長(zhǎng)為 波導(dǎo)模波導(dǎo)模: : u微帶線中的高次模：微帶線中的高次模：波導(dǎo)模和表面波模波導(dǎo)模和表面波模波導(dǎo)模是指在金屬導(dǎo)帶與接地板之間構(gòu)成有限寬度的平板波波導(dǎo)模是指在金屬導(dǎo)帶與接地板之間構(gòu)成有限寬度的平板波導(dǎo)中存在的導(dǎo)中存在的TETE、TMTM模模。平板波導(dǎo)的最低。平板波導(dǎo)的最低TETE模和模和TMTM模是模是TETE10

28、10模、模、TMTM0101模。模。rcw210TEh2rc2.2.2 微帶線特性分析微帶線特性分析電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義微帶線中的主模和高次模微帶線中的主模和高次模u表面波模表面波模TETE1 1模截止波長(zhǎng)模截止波長(zhǎng): :u表面波表面波TMTM0 0模截止波長(zhǎng)模截止波長(zhǎng)：表面波模表面波模: : 141crTEh0cTM微帶線的微帶線的單模工作條件單模工作條件: :min(20.8 )41rrWhh 例例 ：對(duì)于石英基片，相對(duì)介電常數(shù)為：對(duì)于石英基片，相對(duì)介電常數(shù)為3.83.8，工作在，工作在100GHz100GHz時(shí)，時(shí)，要求最低表面模與準(zhǔn)要求最低表面模與準(zhǔn)TEMTEM模之

29、間耦合可以忽略下，石英基片的模之間耦合可以忽略下，石英基片的厚度不能超過(guò)多少？厚度不能超過(guò)多少？2.2.2 微帶線特性分析微帶線特性分析電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義2.2.3微帶線的損耗微帶線的損耗微帶線的損耗主要分為三部分：微帶線的損耗主要分為三部分：（1 1）介質(zhì)損耗：介質(zhì)損耗：當(dāng)電流通過(guò)介質(zhì)時(shí)，由于介質(zhì)分子交替著極當(dāng)電流通過(guò)介質(zhì)時(shí)，由于介質(zhì)分子交替著極化和晶格來(lái)回碰撞，而產(chǎn)生的損耗。化和晶格來(lái)回碰撞，而產(chǎn)生的損耗。（2 2）導(dǎo)體損耗：導(dǎo)體損耗：微帶線的導(dǎo)體帶條和接地板均具有有限的電微帶線的導(dǎo)體帶條和接地板均具有有限的電導(dǎo)率，電流通過(guò)時(shí)必然引起損耗，導(dǎo)率，電流通過(guò)時(shí)必然引起損耗

30、，是微帶線損耗的主要部是微帶線損耗的主要部分分。（3 3）輻射損耗：輻射損耗：由微帶線場(chǎng)結(jié)構(gòu)的半開(kāi)放性所引起。為避免由微帶線場(chǎng)結(jié)構(gòu)的半開(kāi)放性所引起。為避免輻射，減小損耗，并防止有其他電路的影響，一般的微帶輻射，減小損耗，并防止有其他電路的影響，一般的微帶電路均裝在電路均裝在金屬屏蔽盒金屬屏蔽盒中。中。電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義2.2.3微帶線的損耗微帶線的損耗20llPPe20(1)lPPe21-2lel001=22PpPlPp p為單位長(zhǎng)度傳輸線的功率損耗為單位長(zhǎng)度傳輸線的功率損耗電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義u介質(zhì)損耗：介質(zhì)損耗：010122ddpP 1 1為介質(zhì)的

31、介電常數(shù)，為介質(zhì)的介電常數(shù)， 0 0為導(dǎo)磁率，并把存在的介質(zhì)損耗為導(dǎo)磁率，并把存在的介質(zhì)損耗用一個(gè)等效損耗電導(dǎo)用一個(gè)等效損耗電導(dǎo) 1 1 來(lái)表示。來(lái)表示。 當(dāng)有介質(zhì)損耗時(shí)，其有功電流密度和無(wú)功電流密度各為當(dāng)有介質(zhì)損耗時(shí)，其有功電流密度和無(wú)功電流密度各為 1 1E E和和j j1 1E E。兩者大小比值。兩者大小比值的正切是衡量介質(zhì)損耗的一個(gè)基的正切是衡量介質(zhì)損耗的一個(gè)基本參量，本參量，稱(chēng)為稱(chēng)為損耗角正損耗角正切：切： 11tan =dtan27.3/gdB cm通常該損耗與導(dǎo)體損耗相比往往可以忽略不計(jì)通常該損耗與導(dǎo)體損耗相比往往可以忽略不計(jì)，但在介質(zhì)，但在介質(zhì)吸水或含有其他雜質(zhì)時(shí)，介質(zhì)損耗將會(huì)

32、增大吸水或含有其他雜質(zhì)時(shí)，介質(zhì)損耗將會(huì)增大。2.2.3微帶線的損耗微帶線的損耗電場(chǎng)全部浸在電場(chǎng)全部浸在介質(zhì)中時(shí)介質(zhì)中時(shí)電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義u導(dǎo)體損耗：導(dǎo)體損耗：00=(/)0.86822cccRRN mZZ（dB/m）表面電阻系數(shù)表面電阻系數(shù)R0c趨膚深度趨膚深度c表面不平度表面不平度c要求：要求：1.表面粗糙度表面粗糙度5趨附深度。趨附深度。2.2.3微帶線的損耗微帶線的損耗電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義總損耗隨基片厚度的變化情況總損耗隨基片厚度的變化情況f,r,hT2.2.3微帶線的損耗微帶線的損耗電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義Q一段微帶線上的最大儲(chǔ)

33、能 2一段微帶線一個(gè)周期內(nèi)的損耗能量品質(zhì)因數(shù)品質(zhì)因數(shù)Q Q值的定義：值的定義： 由于傳輸線上損耗的能量分成由于傳輸線上損耗的能量分成介質(zhì)、導(dǎo)體和輻射損耗介質(zhì)、導(dǎo)體和輻射損耗，因，因此也有相應(yīng)的此也有相應(yīng)的Q Qc c( (導(dǎo)體損耗對(duì)應(yīng)導(dǎo)體損耗對(duì)應(yīng)Q Q值值) )、Q Qd d（介質(zhì)損耗對(duì)應(yīng)（介質(zhì)損耗對(duì)應(yīng)Q Q值）值）和輻射損耗和輻射損耗Q Qr r( ( 輻射損耗對(duì)應(yīng)的輻射損耗對(duì)應(yīng)的Q Q值值), ),它們的關(guān)系是它們的關(guān)系是 ：1111=cdrQQQQ微帶線的品質(zhì)因素微帶線的品質(zhì)因素2.2.4微帶線的品質(zhì)因素微帶線的品質(zhì)因素電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義與波導(dǎo)、同軸線相比，微帶的與

34、波導(dǎo)、同軸線相比，微帶的Q Q值通常要低一至二個(gè)數(shù)量級(jí)值通常要低一至二個(gè)數(shù)量級(jí)品質(zhì)因數(shù)隨基片厚度的變化情況品質(zhì)因數(shù)隨基片厚度的變化情況對(duì)一個(gè)給定頻率，存在一個(gè)對(duì)一個(gè)給定頻率，存在一個(gè)使使Q值最大的最佳基片厚度值最大的最佳基片厚度hoptf,rhopt（原因：輻射損耗（原因：輻射損耗 ）2.2.4微帶線的品質(zhì)因素微帶線的品質(zhì)因素電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義毫米波電路尺寸小，制造公差問(wèn)題比較突出毫米波電路尺寸小，制造公差問(wèn)題比較突出公差的影響公差的影響低介電常數(shù)的薄低介電常數(shù)的薄基片允許的公差基片允許的公差相對(duì)大一些相對(duì)大一些2.2.5微帶線的公差影響微帶線的公差影響電子科技大學(xué)電子工

35、程學(xué)院微波集成電路講義u最高工作頻率受限于最高工作頻率受限于寄生模的激勵(lì)寄生模的激勵(lì)過(guò)高的損耗過(guò)高的損耗色散色散嚴(yán)重的不連續(xù)效應(yīng)嚴(yán)重的不連續(xù)效應(yīng)輻射引起的輻射引起的Q Q值降低值降低嚴(yán)格的制造公差嚴(yán)格的制造公差加工安裝損壞加工安裝損壞制造工藝的限制制造工藝的限制 頻率上限頻率上限2.2.6 微帶線的工作頻率極限微帶線的工作頻率極限目前理論表明，普目前理論表明，普通微帶線結(jié)構(gòu)最高通微帶線結(jié)構(gòu)最高工作頻率工作頻率110GHz(36)W 和和 2.3 帶狀線帶狀線電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義特性阻抗特性阻抗： 惠勒（惠勒（WheelerWheeler，H.A.H.A.）用保角變換法得到了

36、如下有限）用保角變換法得到了如下有限厚度導(dǎo)體帶帶狀線特性阻抗公式厚度導(dǎo)體帶帶狀線特性阻抗公式2304 18 18 1Zln 1.6.27crmmmtbWtbWmnxbWxxxxxtbW1 . 1/0796. 02ln5 . 01)1 (2btxxx，1.3212n式中式中t t為導(dǎo)體帶的厚度。當(dāng)為導(dǎo)體帶的厚度。當(dāng)W / (b - t)10W / (b - t)h(Wh(即邊緣場(chǎng)的作用不大即邊緣場(chǎng)的作用不大) )時(shí)可用下列近似公式計(jì)算其特時(shí)可用下列近似公式計(jì)算其特性阻抗和等效介電常數(shù)：性阻抗和等效介電常數(shù)： cceZZ120 ()cahZw(1)rercahbah2.4 懸置微帶和倒置微帶懸置微

37、帶和倒置微帶電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義2.5 槽線和共面波導(dǎo)槽線的場(chǎng)結(jié)構(gòu)和電流分布槽線的場(chǎng)結(jié)構(gòu)和電流分布槽線結(jié)構(gòu)示意圖槽線結(jié)構(gòu)示意圖TE波槽線的介質(zhì)基片必須用槽線的介質(zhì)基片必須用高介電常數(shù)材料高介電常數(shù)材料電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義 共面波導(dǎo)有一個(gè)獨(dú)特的性質(zhì)，即其共面波導(dǎo)有一個(gè)獨(dú)特的性質(zhì)，即其特性阻抗與特性阻抗與基片的厚度幾乎無(wú)關(guān)基片的厚度幾乎無(wú)關(guān)。因此，可以利用低損耗。因此，可以利用低損耗高介電常數(shù)的材料作為基片來(lái)減小縱向電路尺高介電常數(shù)的材料作為基片來(lái)減小縱向電路尺寸，這對(duì)于寸，這對(duì)于低頻段的微波集成電路低頻段的微波集成電路來(lái)說(shuō)是特別來(lái)說(shuō)是特別重要的。重要的。共

38、面波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)示意圖共面波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)示意圖共面波導(dǎo)的場(chǎng)強(qiáng)示意圖共面波導(dǎo)的場(chǎng)強(qiáng)示意圖2.5 槽線和共面波導(dǎo)電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義 準(zhǔn)準(zhǔn)TEMTEM模傳輸截止頻率高，適合極高頻集成電路應(yīng)模傳輸截止頻率高，適合極高頻集成電路應(yīng)用；色散效應(yīng)比微帶線弱，適合寬帶電路設(shè)計(jì)。用；色散效應(yīng)比微帶線弱，適合寬帶電路設(shè)計(jì)。100GHz 100GHz 放大器單片電路放大器單片電路2.5 槽線和共面波導(dǎo)電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 微帶線的損耗要低于共面波導(dǎo)；微帶線的損耗要低于共面波導(dǎo)； 微帶線的等效介電常數(shù)要高于共面波導(dǎo)，因此微帶線的等效介電常數(shù)要高于共面波導(dǎo)，因此具有更短的波

39、長(zhǎng)，從而具有更小的分布效應(yīng)；具有更短的波長(zhǎng)，從而具有更小的分布效應(yīng)； 共面波導(dǎo)的模型更為復(fù)雜，建模困難。共面波導(dǎo)的模型更為復(fù)雜，建模困難。5-55GHz 5-55GHz 分分布式放大器布式放大器單片電路單片電路2.5 槽線和共面波導(dǎo)電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義 微帶線是一種非常好的傳輸線結(jié)構(gòu)，目前最高頻率可達(dá)微帶線是一種非常好的傳輸線結(jié)構(gòu)，目前最高頻率可達(dá)100GHz100GHz以上。但是在毫米波高端仍舊存在問(wèn)題：以上。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(chēng) Q值降值降低。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)目赡苄员匾约半S之而來(lái)的高次模傳輸?shù)目赡苄员厝粚?dǎo)致電路穩(wěn)定性下降。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)，為減小電路間的有害耦合必必須采用模式隔離或諧振吸收裝置須采用模式隔離或諧振吸收裝置。2.6鰭線鰭線1972年，P.J.Meier提出的鰭線（Fishline）電子科技大學(xué)電子工程