第2章毫米波傳輸線20140222-平面?zhèn)鬏斁€

1、2.1 引言2.2 平面?zhèn)鬏斁€2.3 波導(dǎo)2.4 鰭線第二章 毫米波傳輸線毫米波傳輸線的要求損耗低；弱色散，單模傳輸；具備一定的功率容量；成本低；便于電路和系統(tǒng)集成；體積小、重量輕。2.1 引言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 引言毫米波傳輸線2.1 引言毫米波傳輸線分類平面?zhèn)鬏斁€微帶、懸置微帶、倒置微帶共面波導(dǎo)、共面帶線、槽線準(zhǔn)平面?zhèn)鬏斁€鰭線（準(zhǔn)TE10）金屬波導(dǎo)矩形波導(dǎo)圓波導(dǎo)等介質(zhì)波導(dǎo)矩形介質(zhì)波導(dǎo)介質(zhì)鏡像波導(dǎo)等H波導(dǎo)、槽波導(dǎo)等2.1 引言平面?zhèn)鬏斁€通常由介質(zhì)基片、介質(zhì)基片上的導(dǎo)帶與金屬接地層組成，制備工藝包括厚膜工藝和薄膜工藝。2.2 平面?zhèn)鬏斁€對(duì)基片材料的要求:（1

2、）較高的介電常數(shù)，使電路小型化？；（2）低損耗；（3）在給定的頻率和溫度范圍內(nèi)介電常數(shù) 穩(wěn)定；（4）純度高，性能一致性好；（5）表面光潔度高；（6）擊穿強(qiáng)度高；（7）導(dǎo)熱性好，以適用于較大的功率；（8）適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)。2.2平面?zhèn)鬏斁€材料名稱表面粗糙度（um）10GHz時(shí)的損耗正切（10-4）介電常數(shù)導(dǎo)熱率（W/cm）應(yīng)用與特點(diǎn)聚四氟乙烯纖維加強(qiáng)板10152.52.8厘米波段MIC價(jià)格低，加工容易氧化鋁99%2152599.50.3厘米至毫米波段藍(lán)寶石0.51199.50.4毫米波MIC高介陶瓷1220800.010.05用于小尺寸電路Duroid2.24.0毫米波MIC石英0.10.513.

3、80.01毫米波MIC，但易碎氧化鈹21016.62.5導(dǎo)熱好，用于功率器件硅110100121.5MMIC砷化鎵1612.90.46MMIC磷化銦140.68MMIC碳化硅103.3MMIC2.2平面?zhèn)鬏斁€性能：超常的層間結(jié)合；低吸水率；增強(qiáng)的尺寸穩(wěn)定性；低Z軸膨脹；頻率使用范圍穩(wěn)定的介電常數(shù)；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；無源元器件；天線。2.2平面?zhèn)鬏斁€薄膜與厚膜工藝產(chǎn)品之差異分析2.2平面?zhèn)鬏斁€薄膜工藝厚膜工藝精度高，1%較低，10%鍍層材料材料穩(wěn)定度高易受漿料影響鍍層表面表面平整度高，誤差0.3m較差，誤差3m設(shè)備成本高成本低鍍層附著性無需高溫?zé)Y(jié)，不含氧化物、附

4、著性好易受基板材質(zhì)影響電路對(duì)準(zhǔn)使用曝光顯影，對(duì)準(zhǔn)性高易受絲網(wǎng)張力及使用次數(shù)影響，對(duì)準(zhǔn)性較差對(duì)于金屬材料的要求：（1）高的導(dǎo)電率；（2）低的電阻溫度系數(shù)；（3）對(duì)基片的附著性能好;（4）好的刻蝕性和可焊接性;（5）易于淀積和電鍍。2.2平面?zhèn)鬏斁€材料 表面電阻率(f單位:Hz)趨膚深度2GHz（m）熱膨脹系數(shù)（10-8/）與介質(zhì)附著力工藝方法銀（Ag）2.51.421差蒸發(fā)銅（Cu）2.61.518差電鍍/蒸發(fā)/淀積金（Au）3.01.715差電鍍/蒸發(fā)鋁（Al）3.31.926差蒸發(fā)鉻（Cr）4.72.79好蒸發(fā)鈀（pd）3.611中蒸發(fā)/電鍍/濺射鉭(Ta)7.24.06.6好濺時(shí)2.2平面

5、傳輸線2.2平面?zhèn)鬏斁€薄膜工藝制備過程：基片處理研磨拋光鍍膜金屬層減薄版圖制作圖形放大照相制版光刻腐蝕甩膠曝光腐蝕接地/電鍍接地金屬化電鍍防護(hù)2.2 平面?zhèn)鬏斁€平面?zhèn)鬏斁€微帶線帶狀線懸置微帶和倒置微帶槽線與共面波導(dǎo)相速和波長特性阻抗衰減常數(shù)功率容量設(shè)計(jì)原則2.2.1 微帶線 微帶線目前是混合微波毫米波集成電路和單片微波毫米波集成電路使用最多的一種平面型傳輸線。微帶線結(jié)構(gòu)及內(nèi)部場結(jié)構(gòu)1952年， Grieg and Engelmann，首次發(fā)表關(guān)于微帶線的報(bào)道，“Microstrip-A New Transmission Technique for the Klilomegacycle Rang

6、e”，IRE proceeding。1955年， ITT Ferearl Telecommunications Laboratories（New Jersey）, 報(bào)道了多篇關(guān)于微帶線的報(bào)道，IEEE transactions on Microwave Theory and Technique.1960年，薄基片厚度的微帶線流行。2.2.1 微帶線微帶線由介質(zhì)基片、介質(zhì)基片上的導(dǎo)帶與金屬接地層組成。微帶線的構(gòu)成2.2.1 微帶線微帶線的分析方法1952年時(shí)， Grieg and Engelmann采用分析方法基于平行雙線的準(zhǔn)靜態(tài)分析。20世紀(jì)60年代，保角變換、格林函數(shù)、有限差分法等發(fā)展；19

7、71年時(shí)，嚴(yán)格的場解方法已經(jīng)能夠計(jì)算色散特性。2.2.1 微帶線微帶線特性分析微帶線分析方法有兩種：（1）準(zhǔn)靜態(tài)法（2）全波分析法把微帶線的工作模式當(dāng)作TEM模來分析，這種分析方法稱為“準(zhǔn)靜態(tài)分析法” 。全波分析法是利用高等電磁理論，求滿足完整Maxwell方程式及邊界條件的電磁場之解。2.2.1 微帶線20準(zhǔn)靜態(tài)分析：步驟1 假設(shè)介質(zhì)不存在，金屬導(dǎo)體之外到處都是空氣，算出其每單位長電容及電感分別為C0及L0，此時(shí): 特性阻抗為相位傳播常數(shù)為 2.2.1 微帶線21準(zhǔn)靜態(tài)分析：步驟2放入介質(zhì)，利用數(shù)值方法（如：保角變換、有限差分、積分方程和變分法）求出其單位長電容C，每單位長電感仍為L0，于是

8、微帶線的特性阻抗與相位傳播常數(shù)分別為:2.2.1 微帶線兩種情況下，上述準(zhǔn)靜態(tài)法將不適用：介質(zhì)厚度和波長相比擬；頻率較高時(shí)，例如毫米波頻段的高端。原因：存在高階模式！利用全波法求解，可獲得更為準(zhǔn)確的微帶線特性阻抗和有效介電常數(shù)。2.2.1 微帶線fre,Zc23不論準(zhǔn)靜態(tài)分析或全波分析都很難找到簡單的公式解，而必需利用數(shù)值方法，以電腦計(jì)算數(shù)值解。市面上有許多商用軟件可作微帶線的準(zhǔn)靜態(tài)分析及全波分析 。優(yōu)缺點(diǎn)：精度高、但計(jì)算效率太低，無法滿足工程需要。半經(jīng)驗(yàn)解析公式利用近似物理模型或純經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式與測量結(jié)果，導(dǎo)出傳播常數(shù)與特性阻抗的公式；例：Bahl 與Garg 的準(zhǔn)靜態(tài)公式(與實(shí)驗(yàn)結(jié)果結(jié)果相當(dāng)吻

9、合)2.2.1 微帶線24Bahl 與 Garg 準(zhǔn)靜態(tài)公式計(jì)算結(jié)果介質(zhì)基板厚度100mm，金屬帶條厚度3mm；相同的頻率、基板厚度、及金屬帶條厚度之下，微帶線的特性阻抗與傳播特性只與金屬帶條寬度有關(guān)；其他條件固定時(shí)，金屬帶條越寬，其特性阻抗越小，而相對(duì)介電常數(shù)越大；可輕易在同一塊電路板作出不同特性阻抗傳輸線。2.2.1 微帶線r,w,hre,Zc2.2.1 微帶線26色散(Dispersion) 色散：電磁波的傳播速度隨其頻率變化而變化的現(xiàn)象。微帶線不傳播TEM波全波分析顯示其有效相對(duì)介點(diǎn)常數(shù)（ re)和特性阻抗都會(huì)隨頻率變化，稱為色散；有效相對(duì)介電常數(shù)re下相位傳播常數(shù)為：也有研究人員提出

10、色散模型的半經(jīng)驗(yàn)公式例：Hammerstad與Jensen的特性阻抗公式 ；例：M.Kobayashi的有效相對(duì)介電常數(shù)公式；均不必記，可寫成函數(shù)，使用時(shí)調(diào)用就可 2.2.1 微帶線Hammerstad特性阻抗公式（誤差范圍0，則需要對(duì)前式中帶條寬度w以有效寬度we進(jìn)行修正，即： we=w+w。在介電常數(shù)2 r 6、w/h1.25和0.1t/w5h，側(cè)壁與微帶間距5w時(shí)，可以忽略。2.2.1 微帶線29色散效應(yīng)影響 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：2.2.1 微帶線 其中fd的單位為GHz，h的單位為cm。當(dāng)ffd時(shí)，色散效應(yīng)可以忽略。例 采用相對(duì)介電常數(shù)為2.2

11、，厚度為0.254mm的介質(zhì)基片作為微帶線的襯底時(shí)，對(duì)于50歐姆阻抗線而言，色散效應(yīng)可以忽略的最高頻率是多少？2.2.1 微帶線Rogers RT/duroid 5880高頻層壓板使用在:商用航空電話電路微帶線和帶狀線電路毫米波應(yīng)用軍用雷達(dá)系統(tǒng)導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)字無線電天線2.2.1 微帶線微帶線中傳輸模式空氣介質(zhì)的微帶線存在無色散的TEM模。實(shí)際微帶線是制作在介質(zhì)基片上的，是TE模和TM模的混合模。微帶線中的傳輸模式類似于TEM模，故稱為準(zhǔn)TEM模。2.2.1 微帶線33微帶線無法傳播TEM波說明空氣與介質(zhì)的交界面上電場的切線方向分量連續(xù)，因此2.2.1 微帶線 下標(biāo)d和a分別表示交界面的

12、介質(zhì)側(cè)及空氣側(cè)。34微帶線無法傳播TEM波說明利用Maxwell 方程式可得在直角坐標(biāo)系展開，且利用交界面兩側(cè)磁場強(qiáng)度法線方向分量連續(xù)的條件(假定介質(zhì)的r=1) 2.2.1 微帶線微帶線無法傳播TEM波說明由于 大于1，而且界面上的Hy不為零，它對(duì)z的變化也不為零，因此式右邊的項(xiàng)不會(huì)是零，依據(jù)上面的公式，其左方的項(xiàng)因此不能為零，所以Hz也就不可以是。2.2.1 微帶線無法滿足TEM波Hz=0！ TE10模截止波長為 TM01模截止波長為 波導(dǎo)模: 2.2.1 微帶線微帶線中的高次模：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導(dǎo)中存在的TE、TM模。平板波導(dǎo)的最低TE模

13、和TM模是TE10模、TM01模。微帶線中的主模和高次模2.2.1 微帶線表面波模TE1模截止波長:表面波TM0模截止波長：表面波模: 微帶線的單模工作條件:例：對(duì)于石英基片，相對(duì)介電常數(shù)為3.8，工作在100GHz時(shí)，要求最低表面模與準(zhǔn)TEM模之間耦合可以忽略下，石英基片的厚度不能超過多少？微帶線的損耗微帶線的損耗主要分為三部分：（1）介質(zhì)損耗：當(dāng)電流通過介質(zhì)時(shí)，由于介質(zhì)分子交替著極化和晶格來回碰撞，而產(chǎn)生的損耗。（2）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導(dǎo)率，電流通過時(shí)必然引起損耗，是微帶線損耗的主要部分。（3）輻射損耗：由微帶線場結(jié)構(gòu)的半開放性所引起。為避免輻射，減小損耗，并

14、防止有其他電路的影響，一般的微帶電路均裝在金屬屏蔽盒中。（h時(shí)，r很小，可近似忽略）2.2.1 微帶線2.2.1 微帶線p為單位長度傳輸線的功率損耗介質(zhì)損耗：2.2.1 微帶線令所有電場均浸入介質(zhì)中，介質(zhì)的介電常數(shù)為1 ，導(dǎo)磁率為 0，并把存在的介質(zhì)損耗用一個(gè)等效損耗電導(dǎo)1 來表示。當(dāng)有介質(zhì)損耗時(shí)，其有功電流密度和無功電流密度各為1E和j1E。兩者大小比值的正切是衡量介質(zhì)損耗的一個(gè)基本參量，稱為損耗角正切： , 實(shí)際上與導(dǎo)體損耗相比往往可以忽略不計(jì)，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)增大。導(dǎo)體損耗：2.2.1 微帶線表面電阻系數(shù)R0c趨膚深度c表面不平度c要求：1.表面粗糙度5趨附深度

15、?？倱p耗隨基片厚度的變化情況f,r,hT2.2.1 微帶線品質(zhì)因數(shù)Q值的定義： 由于傳輸線上損耗的能量分成介質(zhì)和導(dǎo)體損耗兩部分，因此也有相應(yīng)的Qc(導(dǎo)體損耗對(duì)應(yīng)Q值)、Qd（介質(zhì)損耗對(duì)應(yīng)Q值）和輻射損耗Qr( 輻射損耗對(duì)應(yīng)的Q值),它們的關(guān)系是 ：微帶線的品質(zhì)因素2.2.1 微帶線與波導(dǎo)、同軸線相比，微帶的Q值通常要低一至二個(gè)數(shù)量級(jí)2.2.1 微帶線品質(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)使Q值最大的最佳基片厚度hoptf,rhopt（原因：輻射損耗 ）毫米波電路尺寸小，制造公差問題比較突出公差的影響2.2.1 微帶線低介電常數(shù)的薄基片允許的公差相對(duì)大一些最高工作頻率受限于寄生模的

16、激勵(lì)過高的損耗色散嚴(yán)重的不連續(xù)效應(yīng)輻射引起的Q值降低嚴(yán)格的制造公差加工安裝損壞制造工藝的限制 頻率上限2.2.1 微帶線目前理論表明，普通微帶線結(jié)構(gòu)最高工作頻率(36)W 和 2.2.2 帶狀線特性阻抗： 惠勒（Wheeler，H.A.）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式中t為導(dǎo)體帶的厚度。當(dāng)W / (b - t)h(即邊緣場的作用不大)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)： 2.2.4槽線槽線的場結(jié)構(gòu)和電流分布槽線結(jié)構(gòu)示意圖TE波槽線的介質(zhì)基片必須用高介電常數(shù)材料共面波導(dǎo)有一個(gè)獨(dú)特的性質(zhì)，即其特性阻抗與基片的厚度幾乎無關(guān)。因此，可以利用低損耗高介電常數(shù)的材料作為基片來減小縱向電路尺寸，這對(duì)于低頻段的微波集成電路來說是特別重要的。2.2.5共面波導(dǎo)共面波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)示意圖共面波導(dǎo)的場強(qiáng)示意圖準(zhǔn)TEM模傳輸截止頻率