微波技術(shù)基礎(chǔ)電子科大第次課

微波技術(shù)基礎(chǔ)詹銘周電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院地點(diǎn)：清水河校區(qū)科研樓B336

電話：61830860

電郵：mzzhan@本課內(nèi)容1、第三章、微波集成傳輸線常用集成傳輸線的種類(lèi)和主要特點(diǎn)2、第四章介質(zhì)波導(dǎo)和光波導(dǎo)1、傳播條件和波型2、特性阻抗3、波長(zhǎng)，相速4、功率容量5、衰減了解微波集成傳輸線

微波集成傳輸線的最大特點(diǎn)是平面化五種重要的傳輸線：帶狀線（Stripline）微帶線（Microstripline）槽線（Slotline）鰭線（Finline）共面線（Coplanarline）注意耦合線結(jié)構(gòu)共面波導(dǎo)（CPW）共面帶線（CPS）接地共面波導(dǎo)（CBCPW）Conducter-backedCPW指元器件、傳輸線導(dǎo)帶等在同一平面按傳播模分類(lèi)均勻介質(zhì)的多導(dǎo)體傳輸線均勻介質(zhì)的單導(dǎo)體傳輸線非均勻介質(zhì)的平面?zhèn)鬏斁€結(jié)構(gòu)帶狀線鰭線準(zhǔn)TEM模一、回顧帶狀線

1950年，R.M.Barrett發(fā)明了帶狀線，是一種三導(dǎo)體TEM波傳輸線。上下兩塊導(dǎo)體板是接地板，中間的導(dǎo)體帶位于上下板的對(duì)稱(chēng)面上，導(dǎo)體帶與接地板之間可以是空氣介質(zhì)或填充其它介質(zhì)。故又稱(chēng)為三板線或夾心線。

為減少帶狀線在橫截面方向的能量泄露，上下接地板的寬度D和接地板間距必須滿(mǎn)足D>(3~6)W和帶狀線的最高工作頻率取微波集成傳輸線－帶狀線

惠勒1978年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)<10時(shí)，精度優(yōu)于0.5%另外一種公式：H.Howe,Jr.,StriplineCircuitDesign,ArtechHouse,Dedham,MA,1974.

式中微波集成傳輸線－帶狀線

帶狀線—優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用1、改變線寬一個(gè)參數(shù)就改變電路參數(shù)（特性阻抗）。2、在饋線、功分器，耦合器，濾波器，混頻器，開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)中，體積小，重量輕，大批量生產(chǎn)的重復(fù)性好。3、立體電路的設(shè)計(jì)，適用于多層微波電路，LTCC等，輻射小。4、封閉的電路，調(diào)試難。5、電路需要同軸或波導(dǎo)饋入，引入不連續(xù)性，需要在設(shè)計(jì)時(shí)補(bǔ)償。6、在多層電路設(shè)計(jì)中，存在不同節(jié)點(diǎn)常數(shù)的介質(zhì)之間的連接，介質(zhì)與金屬導(dǎo)體的連接，分析方法非常復(fù)雜，尤其對(duì)3D電路，尚缺少各種不連續(xù)性的模型和相關(guān)設(shè)計(jì)公式，采用全波分析法或者準(zhǔn)靜態(tài)場(chǎng)分析。3.2微帶線D.D.GriegandH.F.Englemann,“Microstrip—ANewTransmissionTechniquefortheKilomegacycleRange,”P(pán)roc.IRE,Vol.40,pp.1644–1650,Dec.1952.

微帶線的特性參量，如相位常數(shù)，特性阻抗等可由橫向截面的參數(shù)全部確定，方便與有源器件連接，是目前HMIC和MMIC中使用最廣泛的平面?zhèn)鬏斁€。

二、微帶線

微帶線1.直流到高頻均可傳輸2.方便與器件連接，（串并聯(lián)）3.方便器件和電路的在線測(cè)試(開(kāi)放式平面?zhèn)鬏斀Y(jié)構(gòu))4.傳輸線的波導(dǎo)波長(zhǎng)小，電路尺寸小5.結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，電路可靠性高，能夠承受高電壓和中等功率水平微波波集集成成傳傳輸輸線線－－微帶帶線線微帶帶線線可可以以看看作作由由雙雙線線傳傳輸輸線線演演變變而而來(lái)來(lái)。。在在兩兩根根導(dǎo)導(dǎo)線線之之間間插插入入極極薄薄的的理理想想導(dǎo)導(dǎo)體體平平板板，，它它并并不不影影響響原原來(lái)來(lái)的的場(chǎng)場(chǎng)分分布布，，而而后后去去掉掉板板下下的的一一根根導(dǎo)導(dǎo)線線，，并并將將留留下下的的一一根根““壓壓扁扁””，，即即構(gòu)構(gòu)成成了了微微帶帶線線。。微微帶帶線線中中的的主主模模是是準(zhǔn)TEM模準(zhǔn)TEM模（電電磁磁場(chǎng)場(chǎng)的的縱縱向向分分量量很很小?。┚呔哂杏猩⑸⒊殖中孕裕?，這這與與純純TEM模不不同同，，而而且且隨隨著著工工作作頻頻率率的的升升高高，，這這兩兩種種模模之之間間的的差差別別也也愈愈大大。。微波波集集成成傳傳輸輸線線－－微帶帶線線傳輸輸媒媒質(zhì)質(zhì)為為空空氣氣和和介介質(zhì)質(zhì)的的非非均均勻勻媒媒質(zhì)質(zhì)，，微微帶帶線線的的電電磁磁場(chǎng)場(chǎng)存存在在縱縱向向分分量量，，不不能能傳傳播播純純TEM波。。但是是，，主主模模的的縱縱向向場(chǎng)場(chǎng)分分量量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小小于于橫橫向向場(chǎng)場(chǎng)分分量量。。因因此此，，主模模具具有有純純TEM相似似的的特特性性；；純TEM的分分析析方方法法也也對(duì)對(duì)微微帶帶線線適適用用。?！獪?zhǔn)TEM近似似法法1970,Vendelin指出出微微帶帶線線中中除除了了準(zhǔn)準(zhǔn)TEM模外外，，還還可可能能存存在在其其它它兩兩種種高高次次模模式式：：波導(dǎo)導(dǎo)模模（（橫橫向向諧諧振振模模））和和表表面面波波模模波導(dǎo)導(dǎo)模模是是指指在在金金屬屬導(dǎo)導(dǎo)帶帶與與接接地地板板之之間間構(gòu)構(gòu)成成有有限限寬寬度度的的平平板板波波導(dǎo)導(dǎo)中中存存在在的的TE、TM模（（寬導(dǎo)導(dǎo)體體情情況況下下）。。最最低低橫橫向向諧諧振振模模為為T(mén)E模，，與與準(zhǔn)準(zhǔn)TEM模發(fā)發(fā)生生強(qiáng)強(qiáng)耦耦合合。。平板波導(dǎo)的的最低TE模和TM模是TE10模、TM01模，邊緣修正微波集成傳傳輸線－微帶線表面波模：：具有金屬屬接地板的的介質(zhì)中傳傳播，存在在于導(dǎo)帶的的兩側(cè)。表表面波中最最低的TE和TM模分別是TE1模和TM0模。它們的截截止波長(zhǎng)分分別為：TE1模激勵(lì)頻率率低，但是是相速高，，與TEM發(fā)生強(qiáng)耦合合的最低模模的首先是是TM0模。波導(dǎo)橫向諧諧振模易消消除。表面面波限制了了微帶線的的工作頻率率上限。微波集成傳傳輸線－微帶線工作頻率上上限最后，抑制制波導(dǎo)模和和表面波，，保證單模模傳輸為微帶線設(shè)計(jì)計(jì)中，金屬屬屏蔽盒高高度取H≥（5~6）h，接地板寬度度取L≥（5~6）W微波集成傳傳輸線－微帶線有效相對(duì)介介電常數(shù)→準(zhǔn)TEM波引入的H.A.Wheeler,Transmission-linepropertiesofparallelwidestripsbyaconformalmappingapproximation,IEEETrans.MicrowaveTheoryTech.12:280–289(May1964).H.A.Wheeler,Transmission-linepropertiesofparallelstripsseparatedbyadielectricsheet,IEEETrans.MicrowaveTheoryTech.13:172–185(March1965).或者微波集成成傳輸線線－微帶線3.2-14特性阻抗抗W/h>2的寬微帶帶線W/h<2的窄微帶帶線微波集成成傳輸線線－微帶線介質(zhì)影響響傳播速速度E.HammerstadandO.Jensen,AccurateModelsformicrostripcomputer-aideddesign,IEEEMTT-SInt.MicrowaveSymp.Digest,1980,pp.407–409.色散以上關(guān)于于微帶線線的結(jié)論論都是在在準(zhǔn)TEM近似下得得出的。?！行Ы殡婋姵?shù)、、傳播速速度、波波導(dǎo)波長(zhǎng)長(zhǎng)等與頻頻率無(wú)關(guān)關(guān)。事實(shí)上由由于微帶帶線結(jié)構(gòu)構(gòu)存在空空氣和介介質(zhì)的突突變，在在此邊界界上會(huì)有有縱向場(chǎng)場(chǎng)分量，，微帶線線實(shí)際傳傳播的是是混合波波。色散：電電磁波的的傳播速速度隨頻頻率變化化的現(xiàn)象象。微帶線——相對(duì)介電電常數(shù)隨隨頻率變變化——電磁波能能量的傳傳播速度度隨頻率率變化——脈沖信號(hào)號(hào)個(gè)各個(gè)個(gè)頻率分分量將以以不同速速度在微微帶線上上傳播——信號(hào)失真真。4.頻率接近近的TE1表面波截截止頻率率時(shí)相速速度出現(xiàn)現(xiàn)拐點(diǎn)：E.HammerstadandO.Jensen,Accuratemodelsformicrostripcomputeraideddesign,IEEEMTT-SInt.MicrowaveSymp.Digest,1980,pp.407–409.M.Kobayashi,AdispersionformulasatisfyingrecentrequirementsinmicrostripCAD,IEEETrans.MicrowaveTheoryTech.MTT-36:1246–1250(1988).微帶線的的衰減導(dǎo)體損耗耗，介質(zhì)質(zhì)損耗（（耗散作作用）——主要輻射損耗耗，寄生生模式損損耗——可忽略導(dǎo)體損耗耗介質(zhì)損耗耗懸置或倒倒置微帶帶線中，，電磁場(chǎng)場(chǎng)的大部部分處于于空氣中中，介質(zhì)質(zhì)影響不不大，其其有效相相對(duì)介電電常數(shù)εre接近于1，從而其其特性參參量接近近空氣中中的參量量，線中中損耗大大減小，具有比比微帶線線更高的Q值(500-1500)，接近于于無(wú)色散，并且可可實(shí)現(xiàn)的的阻抗值值范圍大大，因此此特別適適合應(yīng)用用于濾波波器、諧諧振電路路等Q值較高的的場(chǎng)合。。懸置微微帶線的的缺點(diǎn)是是，與標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)微帶帶線相比比，結(jié)構(gòu)構(gòu)不緊湊湊。懸置置或倒置置微帶線線傳輸?shù)牡闹髂Ｊ鞘菧?zhǔn)TEM模微帶的改改型——懸置微帶帶線和倒倒置微帶帶線3.4懸置微帶帶線和倒倒置微帶帶線懸置微帶帶線倒置微帶帶線當(dāng)0.2<a/b<1，1<W/b<8,,精度在時(shí)時(shí)優(yōu)于1%；3.4懸置微帶帶線和倒倒置微帶帶線3.3耦合帶狀狀線和耦耦合微帶帶線奇偶模方方法→采用奇模模激勵(lì)和和偶模激激勵(lì)兩種種狀態(tài)對(duì)對(duì)它進(jìn)行行分析，，其它的的激勵(lì)狀狀態(tài)可看看作是這這兩種狀狀態(tài)的疊疊加。奇模激勵(lì)勵(lì)→在耦耦合線的的兩個(gè)中中心導(dǎo)體體帶上加加的電壓壓幅度相相等，而而相位相相反→→中心對(duì)對(duì)稱(chēng)面為為電壁偶模激勵(lì)勵(lì)→在耦耦合線的的兩個(gè)中中心導(dǎo)體體帶上加加的電壓壓幅度相相等，相相位相同同→中中心對(duì)稱(chēng)稱(chēng)面為磁磁壁3.3耦合帶狀狀線和耦耦合微帶帶線先求奇偶偶模電容容、再求求奇偶模模阻抗槽線屬于于分區(qū)填填充介質(zhì)質(zhì)的導(dǎo)波波系統(tǒng)，，非TEM模，即Ez和Hz都不為零零，屬于于一種波波導(dǎo)模。。便于于安置固固體器件件，但但難以得得到低于于60Ω的特性阻阻抗。。三、槽線無(wú)截至頻頻率εre=(εr+1)/2槽線四、共共面?zhèn)鬏斴斁€共面?zhèn)鬏斴斁€分共共面波導(dǎo)導(dǎo)（CPW）、共面面帶線（（CPS）等等。。明顯優(yōu)點(diǎn)點(diǎn)是與有有源器件件和無(wú)源源元件連連接十分分方便。。工作模式式非TEM模傳播→便于MMIC共面波導(dǎo)導(dǎo)共面波導(dǎo)導(dǎo)3.6共面?zhèn)鬏斴斁€共面帶線線第一類(lèi)完完全橢圓圓函數(shù)、、余函數(shù)數(shù)3.6共面?zhèn)鬏斴斁€2.共面帶線線式中五、鰭線雙側(cè)鰭線單側(cè)鰭線雙側(cè)非對(duì)稱(chēng)鰭線對(duì)脊鰭線絕緣鰭線安裝在金金屬矩形形波導(dǎo)E面上的平平面電路路，金屬屬鰭印刷刷在介質(zhì)質(zhì)基片上上→應(yīng)用用于毫米米波頻段段。工作模式式為混合模，特性參參量計(jì)算算較為復(fù)復(fù)雜，采采用譜域域法等數(shù)數(shù)值方法法。3.7鰭線用到了：：微帶線線，懸置置微帶線線，耦合合線，鰭鰭線，共共面線，，矩形波波導(dǎo)，以以及傳輸輸線之間間的轉(zhuǎn)換換結(jié)構(gòu)。。在上方端端口處一一般會(huì)接接上同軸軸接頭，，還會(huì)用用到同軸軸線。毫米波鰭鰭線混頻頻器介質(zhì)波導(dǎo)導(dǎo)和光波波導(dǎo)當(dāng)毫米波波波段→→亞毫米米波段→→太赫茲茲波段時(shí)時(shí)普通的微微帶線將將出現(xiàn)一一系列新新問(wèn)題1）高次模模的出現(xiàn)現(xiàn)使微帶帶的設(shè)計(jì)計(jì)和使用用復(fù)雜2）金屬波波導(dǎo)的單單模工作作條件限限制了其其橫向尺尺寸不能能超過(guò)大大約一個(gè)個(gè)波長(zhǎng)的的范圍。這在厘厘米波段段和毫米米波低頻頻段不成成問(wèn)題。。但到毫毫米波高高頻段，，單模波波導(dǎo)的尺尺寸就顯顯得太小小，不僅僅制造工工藝?yán)щy難，而且且隨著工工作頻率率的提高高，功率率容量越越來(lái)越小小，壁上上損耗越越來(lái)越大大，衰減減大到不不能容忍忍的地步步。因此此，對(duì)毫毫米波段段的高端端及來(lái)說(shuō)說(shuō)，封閉閉的金屬屬波導(dǎo)已已不再適適用。于于是，適適合于毫毫米波高高頻段、、亞毫米米波的傳傳輸線———介質(zhì)質(zhì)波波導(dǎo)導(dǎo)等等非非封封閉閉式式的的傳傳輸輸線線（（或或稱(chēng)稱(chēng)開(kāi)開(kāi)波波導(dǎo)導(dǎo)））便便應(yīng)應(yīng)運(yùn)運(yùn)而而生生矩形形介介質(zhì)質(zhì)波波導(dǎo)導(dǎo)介質(zhì)質(zhì)鏡鏡像像波波導(dǎo)導(dǎo)隔離離介介質(zhì)質(zhì)波波導(dǎo)導(dǎo)倒置置帶帶狀狀介介質(zhì)質(zhì)波波導(dǎo)導(dǎo)圓柱柱介介質(zhì)質(zhì)波波導(dǎo)導(dǎo)光纖纖介質(zhì)質(zhì)波波導(dǎo)導(dǎo)和和光光波波導(dǎo)導(dǎo)圓柱柱介介質(zhì)質(zhì)波波導(dǎo)導(dǎo)要求求傳輸輸?shù)牡碾婋姶糯挪ú闉楸肀砻婷娌úǎ?，是是混混合合模模，，Hz≠0和Ez≠0分析析方方法法與與金金屬屬園園波波導(dǎo)導(dǎo)一一樣樣，，采采用用圓圓柱柱坐坐標(biāo)標(biāo)系系、、縱縱向向場(chǎng)場(chǎng)法法介質(zhì)質(zhì)波波導(dǎo)導(dǎo)和和光光波波導(dǎo)導(dǎo)在不不同同介介質(zhì)質(zhì)kc中取取不不同同值值在介介質(zhì)質(zhì)柱柱內(nèi)內(nèi)，，Ⅰ區(qū)在介介質(zhì)質(zhì)柱柱內(nèi)內(nèi)，，Ⅱ區(qū)且（沿r方向?yàn)闉樗p減場(chǎng)））介質(zhì)Ⅰ區(qū)中，，場(chǎng)沿沿r呈駐波波分布布介質(zhì)Ⅱ區(qū)中，，場(chǎng)沿r為指數(shù)數(shù)衰減減圓柱介介質(zhì)波波導(dǎo)內(nèi)內(nèi)：和和圓柱介介質(zhì)波波導(dǎo)外外：和和介質(zhì)波波導(dǎo)和和光波波導(dǎo)通解第一、、二類(lèi)類(lèi)變形形貝塞塞爾函函數(shù)將上述述通解解應(yīng)用用于討討論的的實(shí)際際情況況，則則有（1）圓柱柱介質(zhì)質(zhì)內(nèi)部部因中中心軸軸處場(chǎng)場(chǎng)應(yīng)為為有限限值，，故B1＝0；（2）圓柱柱介質(zhì)質(zhì)外部部因無(wú)無(wú)窮遠(yuǎn)遠(yuǎn)處場(chǎng)場(chǎng)應(yīng)為為0，故A2＝0；（3）圓柱柱介質(zhì)質(zhì)圓周周方向向上，，場(chǎng)應(yīng)應(yīng)為單單值，，故m為整數(shù)數(shù)。圓柱介介質(zhì)內(nèi)內(nèi)部通通常取取B3＝0的圓極極化解解（當(dāng)當(dāng)然也也可取取cosmφ和sinnφ的線極極化解解）介質(zhì)波波導(dǎo)和和光波波導(dǎo)圓柱介介質(zhì)內(nèi)內(nèi)部（（Ⅰ區(qū)）圓柱介介質(zhì)外外部（（Ⅱ區(qū)）由橫－－縱場(chǎng)場(chǎng)關(guān)系系，可可對(duì)應(yīng)應(yīng)求出出圓柱柱介質(zhì)質(zhì)內(nèi)、、外橫橫向場(chǎng)場(chǎng)分量量邊界條條件在在r＝a處E0z1＝E0z2，E0φ1＝E0φ2，H0z1＝H0z2，H0φ1＝H0φ2介質(zhì)波波導(dǎo)和和光波波導(dǎo)最后得得圓柱柱介質(zhì)