傳輸線和集總參數(shù)元件

傳輸線和集總參數(shù)元件第1頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月

在交流狀態(tài)下,有“集膚效應(yīng)”；在射頻（f≥500MHz）范圍此導(dǎo)線相對于直流狀態(tài)的電阻和電感可分別表示為（1-3a）

（1-3b）

一般在δ＜＜a條件下成立第2頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月

δ=(πfμσ)-1/2

（1-4）

定義為“集膚深度”。集膚深度與頻率之間滿足平方反比關(guān)系,隨著頻率的升高,集膚深度按平方率減小。 電流密度為（1-5）

p2=-jωμσ。第3頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月圖

1-1交流狀態(tài)下銅導(dǎo)線橫截面電流密度對直流情況的歸一化值第4頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月 金屬導(dǎo)線本身有一定的電感量,這個電感在射頻/微波電路中,會影響電路的工作性能。電感值與導(dǎo)線的長度、形狀和工作頻率有關(guān)。 金屬導(dǎo)線還可以看作一個電極,它與地線或其他電子元件之間存在一定的電容量,這個電容對射頻/微波電路的工作性能也有較大的影響。第5頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月

集中參數(shù)元件尺寸小、價格低，可實現(xiàn)寬帶，這些優(yōu)點特適合HMIC和MMIC，目前應(yīng)用可達60GHz以上。 集總參數(shù)元件的射頻特性

在微波頻段，集中參數(shù)元件可看作一段很小的TEM傳輸線來設(shè)計，設(shè)計時需要考慮綜合一些數(shù)學(xué)模型，建立模型時需考慮接地面的存在、鄰近效應(yīng)、邊緣場、寄生參數(shù)等。第6頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月電阻 基本功能是將電能轉(zhuǎn)換成熱產(chǎn)生電壓降。 電子電路中,一個或多個電阻可構(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載電阻完成某些特定功能。通常有：

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和鋁或鈹基材料薄膜片電阻。 在射頻/微波電子電路中使用最多的是薄膜片電阻,一般使用表面貼裝元件（SMD）。第7頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月所希望使用的薄膜電阻特性是： 穩(wěn)定性好的電阻值，不隨時間變化；低的電阻溫度系數(shù)（TCR）；足夠的散熱能力；寄生參量足夠??；最大長度小于0.1λ，使得傳輸線效應(yīng)可以忽略。第8頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月

物質(zhì)的電阻的大小與物質(zhì)內(nèi)部電子和空穴的遷移率有關(guān)。從外部看,

定義薄片電阻,則

(1-6a)(1-6b)第9頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月圖1-3物質(zhì)的體電阻圖1-4電阻的等效電路

圖

1-5線繞電阻的等效電路

第10頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月圖1-6電阻的阻抗絕對值與頻率的關(guān)系電阻及其寄生電容和電感在高頻上隨頻率變化，是所有電阻器的一個共同問題第11頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月電容

在低頻率下,電容器的電容量定義為 在射頻/微波頻率下,實際的介質(zhì)內(nèi)部存在傳導(dǎo)電流,也就存在相應(yīng)的損耗,介質(zhì)中的帶電粒子還有一定的質(zhì)量和慣性,在電磁場的作用下,很難隨之同步振蕩,在時間上有滯后現(xiàn)象,也會引起能量的損耗。第12頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月

所以

在射頻/微波應(yīng)用中,還要考慮引線電感L以及引線導(dǎo)體損耗的串聯(lián)電阻Rg和介質(zhì)損耗電阻Re。

（1-8）

（1-9）

第13頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月平面式電容器由金屬-絕緣體-金屬結(jié)構(gòu)組成，氮化硅、氧化硅和聚酰亞胺是其經(jīng)常使用的絕緣體。第14頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月交指型電容器圖1-7射頻電容的等效電路

第15頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月交指型電容器交指型電容器的最大電容值受限于物理尺寸，其最大可工作的頻率受限于指間的分布特性。交指型電容器特別適合于用做調(diào)諧、耦合和匹配元件，這些場合要求電容量小、量值精確的電容器。交指型電容器和平面式電容器（金屬-絕緣體-金屬（MIM）電容器）兩者都能用于射頻集成電路中。平面式電容器在實現(xiàn)大容量值的隔直流模塊和去耦電路時需特別注意功率容量。第16頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月圖1-8電容阻抗的絕對值與頻率的關(guān)系注：也可用一段很短的開路傳輸線來模擬電容器第17頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月

電感

常用的電感器一般是線圈結(jié)構(gòu),在高頻率也稱為高頻扼流圈，其結(jié)構(gòu)一般是用直導(dǎo)線沿柱狀結(jié)構(gòu)纏繞而成。圖1-9在電感線圈中的分布電容和串聯(lián)電阻注：一段很短的短路傳輸線也可用來模擬電感器第18頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月

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，細長螺線管的電感量為

（1-10）

在考慮了寄生旁路電容Cs以及引線導(dǎo)體損耗的串聯(lián)電阻Rs后，電感的等效電路如圖1-10所示。圖1-10高頻電感的等效電路第19頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月圖1-11電感阻抗的絕對值與頻率的關(guān)系 銅電感線圈的高頻特性：在諧振點之前阻抗升高很快,而在諧振點之后,由于寄生電容Cs的影響已經(jīng)逐步處于優(yōu)勢地位而逐漸減小。第20頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月射頻/微波集成電路電感器可分為：（1）帶狀電感器（2）單圈環(huán)形電感器（3）多匝螺旋電感器第21頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月知識回顧

傳輸線基本理論第22頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月(1-13)

當(dāng)R=G=0時,傳輸線沒有損耗,無耗傳輸線的傳輸常數(shù)γ及特性阻抗Z0分別為第23頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月α定義為傳輸線的衰減常數(shù):

定義為相移常數(shù)：

波長相速度輸入阻抗第24頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月1.傳輸線上距負載為半波長整數(shù)倍的各點的輸入阻抗等于負載阻抗；2.距負載為四分之一波長奇數(shù)倍的各點的輸入阻抗等于特性阻抗的平方與負載阻抗的比值；第25頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月反射系數(shù)為終端反射系數(shù)輸入阻抗與反射系數(shù)的關(guān)系駐波比駐波比與反射系數(shù)的關(guān)系第26頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月史密斯圓圖 史密斯圓圖是將歸一化阻抗（Z=r+jx）的復(fù)數(shù)半平面（r>0）變換到反射系數(shù)復(fù)數(shù)平面上。 將等電阻圓和等電抗圓兩組圓圖重疊起來就是阻抗圓圖。阻抗圓圖內(nèi)任一點的阻抗值及其對應(yīng)的反射系數(shù)可以讀出。依同樣的方法,也可得出導(dǎo)納圓圖。第27頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月第28頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月特點特殊點位置||VSWRrxl匹配點中心（0,0）0110開路點（1,0）10短路點（-1,0）100第29頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月特點圓圖上有三條特殊軌跡實軸對應(yīng)純電阻軌跡，即x＝0。正實軸OD直線為電壓波腹點（電流波節(jié)點）的軌跡，且歸一化電阻等于駐波系數(shù)；負實軸OC直線為電壓波節(jié)點（電流波腹點）的軌跡，且歸一化電阻等于行波系數(shù)；最外圓為純電抗圓，即||=1的全反射圓第30頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月阻抗圓圖----特點圓圖上有兩個特殊的面圓圖的上半平面x>0，感性電抗的軌跡圓圖的下半平面x<0，容性電抗的軌跡兩個旋轉(zhuǎn)方向順時針向波源逆時針向負載第31頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月阻抗圓圖----特點Smith圓圖可以直接提供如下信息直接給出歸一化輸入阻抗值zin

，乘以特性阻抗即為實際值；直接給出反射系數(shù)的模值||及其相位；根據(jù)反射系數(shù)模值計算出駐波系數(shù)的值第32頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月平面?zhèn)鬏斁€的特性 對于適合在微波集成電路中作為電路元件的傳輸線結(jié)構(gòu)，主要要求之一是這種結(jié)構(gòu)應(yīng)是“平面”的，即電路的特性可以由單一平面內(nèi)的結(jié)構(gòu)和尺寸來決定?？稍贛IC中使用的各種形式的平面?zhèn)鬏斁€中，帶狀線、微帶線、懸置（倒置）微帶線、槽線、共面波導(dǎo)和共面帶狀線是有代表性的幾種。第33頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月常用射頻/微波傳輸線第34頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月

微帶線 微帶線是一種準(zhǔn)TEM波傳輸線，結(jié)構(gòu)簡單,工程效果佳,便于器件的安裝和電路調(diào)試,產(chǎn)品化程度高,已成為射頻/微波電路中首選的電路結(jié)構(gòu)。

1.微帶線基本設(shè)計參數(shù)（1）基板參數(shù):基板介電常數(shù)εr、基板介質(zhì)損耗角正切tanδ、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。（2）電特性參數(shù):特性阻抗Z0、工作頻率f0、工作波長λ0、波導(dǎo)波長λg和電長度（角度）θ。（3）微帶線參數(shù)：寬度W、長度L和單位長度衰減量AdB。第35頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月第36頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月

2.微帶線的設(shè)計方法 微帶線設(shè)計的實質(zhì)就是求給定介質(zhì)基板情況下阻抗與導(dǎo)帶寬度的對應(yīng)關(guān)系。目前使用的方法主要有： （1）查表格。 用法步驟是：①按相對介電常數(shù)選表格；②查阻抗值、寬高比W/h、有效介電常數(shù)εe三者的對應(yīng)關(guān)系；③計算,通常h已知,則W可得,由εe求出波導(dǎo)波長,進而求出微帶線長度。

（2）用軟件。

仿真軟件AWR的MicrowaveOffice，AgilentADS，CST，HFSS，AnsotDesigner

數(shù)學(xué)計算軟件matlab第37頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月

3.微帶線常用材料

1）介質(zhì)材料 高速傳送信號的基板材料一般有陶瓷材料、玻纖布、聚四氟乙烯、其他熱固性樹脂等。 2）銅箔種類及厚度選擇 3）環(huán)境適應(yīng)性選擇與電解銅箔相比，壓延銅箔更適合于制造高精密圖形

濕度和通孔對基板選擇的影響第38頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月表1-2覆銅板基材的國內(nèi)外主要生產(chǎn)廠家

第39頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月

3.微帶線的局限

最高工作頻率受許多因素限制，譬如寄生模的激勵、較高的損耗、嚴格的制造公差、處理過程中的脆性、顯著的不連續(xù)效應(yīng)、不連續(xù)處的輻射引起低的Q值?；遄畲蠛穸仁芪Ь€不連續(xù)處高輻射損耗的限制，譬如開路端、間隙、裂縫、寬度裂變、拐彎等不連續(xù)點。第40頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月

懸置微帶線與倒置微帶線 比微帶線有更高的Q值，可以實現(xiàn)很寬范圍內(nèi)的阻抗值，特別適用于濾波器。 第41頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月

共面波導(dǎo)（CPW）和共面帶狀線（CPS）

兩種結(jié)構(gòu)互補，無論安裝并聯(lián)還是串聯(lián)的有源或無源元件都很方便，無需開孔和開槽。 第42頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月

帶狀線 TEM波為其主模,性能更好，結(jié)構(gòu)稍為復(fù)雜。

槽線 傳播模式基本是橫電波（TE），適用于高阻抗線、串聯(lián)短線、短路電路。 第43頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月耦合線 由彼此平行放得非常近的兩根傳輸線構(gòu)成，在定向耦合器、濾波器、移相器、對稱—不對稱變換器等多種電路中廣泛用作基本元件。寬邊耦合帶狀線廣泛應(yīng)用于緊耦合的場合。 第44頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月不連續(xù)性

第45頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月不連續(xù)性對電路的影響窄帶電路中頻率偏移輸入輸出電壓駐波比變差寬帶電路指標(biāo)較大起伏多功能電路中接口問題由于電路性能變壞使成品