帶狀線和微帶線.ppt

1、08:55:25，A，1 a，1，帶狀線和微帶線，廖同慶，安徽大學電子科學與技術(shù)學院，A，2，矩形截面，這是最早使用的導向系統(tǒng)之一，現(xiàn)在廣泛使用。高功率系統(tǒng)、毫米波系統(tǒng)、精密測試系統(tǒng)、矩形波導、A、3、TM波(E波)、邊界條件、B、A、X、Y、Z、理想導體表面、電“站”、在Z常數(shù)的橫截面中，導波場具有駐波分布的特性。每個場分量的振幅系數(shù)d取決于激發(fā)的強度。任何一對m和n的值對應于一個基本波函數(shù)，這是一個本征解，所以這些波函數(shù)的組合也應該是方程(48)的解，所以方程的通解是(56)，a，5，2的場結(jié)構(gòu)。te10模式(2)，a，b，X，y，X，電場只有Ey分量，不隨y變化，但隨X正弦變化。磁場結(jié)構(gòu)

2、為，z，(60)，A，6，2.TE10模式(3)，磁場在xz平面上為閉合橢圓曲線，h x隨x正弦變化，h z隨z余弦變化，Hx和Hz在一側(cè)有半駐波分布。圓形波導管，圓形波導管是一種空心金屬管。用圓柱坐標系來處理圓波導是很方便的。我們?nèi)匀徊捎镁匦尾▽У乃枷?，從公?24)開始。僅，(69)，(24)，A，9，圓波導中的TM波，得到，(1)有限值條件：波導中任何地方的場都是有限值，(。2，0，使用邊界條件確定系數(shù)，A，10，是Jn(u)的第I個零，它必須是Jn(u)的零。(3)邊界條件：理想導體壁，在ra處，縱向電場Ez(r，z)的通解為，11，TM波，其中umn為m，TM波的通解為：A，12。這

3、種表示考慮了圓波導的軸對稱性，因此場的偏振方向是不確定的，這使得導波的場分布有兩種可能的分布：cosm和sinm，它們獨立存在，彼此正交，并且具有相同的截止波長，并且構(gòu)成相同導模的偏振簡并模。同軸線，同軸線是一種典型的雙導體傳輸系統(tǒng)，它由兩個同軸導體柱組成，中間有一個支撐介質(zhì)。A，14，同軸線中的主模TEM模，如圖所示，采用圓柱坐標系。和，因為，得到了勢函數(shù)滿足橫向平面上的拉普拉斯方程：A，15，邊界條件為：應用分離變量法的一般解：A，16，和，是單值條件：波導中任何地方的場必須是單值(周期邊界)，n0，1，2，A，11。A，18，A，19，所以電場為：磁場為：A，20，同軸瞬變電磁導模場結(jié)構(gòu)

4、，E，H，A，21，傳輸特性，相速度和波導波長，瞬變電磁：相速度，波導波長，A .同軸線路中的高階模，同軸線路中的TM波，邊界條件：同軸線路中的理想導體壁，ra，B，A，26，n1，2，A，27，TE波，邊界條件：ra，B，A，28，n1，n1處的理想導體壁從以上分析可以看出，同軸線中最低的子波導模式是TE11。其中min是最小工作波長。(固定b不變)，A，30，(固定b不變)，A，31，微波集成傳輸線，常規(guī)金屬波導傳輸系統(tǒng)具有損耗小，結(jié)構(gòu)牢固，功率容量大，電磁波局限在導管內(nèi)等優(yōu)點，但其缺點是相對較重，高頻批量成本高，頻帶窄等。隨著航空航天工業(yè)的發(fā)展，要求微波設(shè)備體積小，重量輕，可靠性高，性能

5、優(yōu)越。 一致性好且成本低，這導致微波技術(shù)與半導體器件和集成電路的結(jié)合，產(chǎn)生微波集成電路。，A，33，基本要求，微波集成傳輸元件的基本要求之一是它必須具有平面結(jié)構(gòu)，這樣它的傳輸特性可以通過調(diào)整單個平面的尺寸來控制，從而實現(xiàn)微波電路的集成。A，34可分為四類：準TEM波傳輸線，主要包括微帶傳輸線和共面波導；非透射電磁波傳輸線主要包括槽線、鰭線等。開放式介質(zhì)波導傳輸線主要包括介質(zhì)波導、鏡面波導和半開放式介質(zhì)波導，主要包括H形波導和G形波導。A，35，微帶傳輸線，微帶傳輸線的基本結(jié)構(gòu)有兩種形式：帶狀線和微帶線。帶狀線是由同軸線演變而來的，即在同軸線的外導體被分成兩半后，兩個外導體被左右壓扁，內(nèi)導體被制

6、成扁平的帶狀線。顯然，帶狀線仍然可以理解為像同軸線一樣的對稱雙導體傳輸線，它主要傳輸瞬變電磁波。A，36，微帶線，是一種由沉積在介質(zhì)基片上的金屬導體條和接地板組成的特殊傳輸系統(tǒng)，可以看作是由雙導體傳輸線演化而來，即無限薄的導體板垂直插入兩個導體之間，A，37，由于導體板垂直于所有的電力線，它不影響原有的場分布，然后導體柱被轉(zhuǎn)換成導體條，在導體條之間加入介質(zhì)材料，從而形成微帶線。38，帶狀線，也稱為三板線，由兩個距離為b的接地板和中間寬度為w、厚度為t的矩形截面導體組成，接地板之間填充均勻的介質(zhì)或空氣。從前面的分析可以看出，帶狀線是由同軸線演化而來的，所以它具有與同軸線相似的特性，這主要體現(xiàn)在它

7、的傳輸主模是透射電子顯微鏡，還有高階的透射電子顯微鏡和透射電子顯微鏡。帶狀線的傳輸特性參數(shù)主要包括：1。帶狀線，A，39。由于帶狀線上的傳輸模式是透射模式，所以單位長度的分布電容c和分布電感l(wèi)可以通過準靜態(tài)分析方法獲得，從而可以獲得相速度(c是自由空間中的光速)。根據(jù)上述公式，只要得到單位長度帶狀線的分布電容c，就可以得到它的特性阻抗。1)特性阻抗Z0，A，40。求解分布電容的方法很多，但常用的是等效電容法和共形變換法。由于計算結(jié)果中包含橢圓函數(shù)，且厚度需要修正，不便于工程應用。本文給出了一組實用公式，分為兩種情況：導帶厚度為零和導帶厚度不為零。A，41，(1)當導帶厚度為零時的特性阻抗計算公

8、式，其中我們是中心導帶的有效寬度，當導帶厚度不為零時的特性阻抗計算公式由以下公式給出：0w/b0.35 (0.35-w/b) 2w/b0.35，A，42，(2)，A，43，計算帶狀線特性阻抗的計算程序由MATLAB編寫，計算結(jié)果如圖所示。從圖中可以看出，帶狀線的特性阻抗隨w/b和t/b的增大而減小，特性阻抗，A，44，2)帶狀線的衰減常數(shù)帶狀線的損耗包括中心導帶導體和接地板引起的導體損耗，兩個接地板之間填充的介質(zhì)損耗和輻射損耗。因為帶狀線的接地板通常比中心導帶大得多，所以帶狀線的輻射損耗可以忽略不計。因此，帶狀線的衰減主要由導體損耗和介質(zhì)損耗引起，即在=c d公式中，a是帶狀線的總衰減常數(shù)；A

9、c是導體的衰減常數(shù)；Ad是介電衰減常數(shù)。式中，g是單位長度帶狀線的泄漏電導，tan是電介質(zhì)材料的損耗角正切。介電衰減常數(shù)由下面的公式：A，47給出，導體衰減通常由下面的公式給出(單位為NP/mTE模式中最低的子模式是截止波長為的TE10模式，而TM模式中最低的子模式是截止波長為的TM10模式。因此，為了抑制高階模式，帶狀線的最短工作波長應該滿足0分特10=0分特10=，4)帶狀線尺寸選擇，A，50，因此帶狀線尺寸應該滿足，A，51。微帶線可以從雙導體系統(tǒng)發(fā)展而來，但是因為在中心導帶和接地板之間添加了介質(zhì)，所以由微帶線在介質(zhì)基片上傳輸?shù)牟ú辉偈菢藴实耐干潆娮语@微鏡波，但是縱向分量Ez和Hz必須存

10、在。下面，我們首先從麥克斯韋方程中證明縱向分量的存在。A，52，微帶線及其坐標、A，53，介質(zhì)邊界兩側(cè)的電磁場滿足無源麥克斯韋方程3360。由于理想的介質(zhì)表面既沒有傳導電流也沒有自由電荷，根據(jù)連續(xù)性原理，電場和磁場的切向分量在介質(zhì)和空氣的界面上是連續(xù)的，即Ex1=Ex2，Ez1=Ez2hx1=HX2。在y=h時，電磁場的正常分量應滿足：Ey2=rEy1Hy2=Hy1。首先，考慮磁場，其可以從公式(1)中的第一公式和邊界條件A，55獲得。假設(shè)波在微帶線中的傳播方向是z方向，那么電磁場的相位因子是ej(t-z)，并且1=2=，所以存在。然而，當頻率不高時，因為微帶線襯底的厚度h比微帶波長小得多，所

11、以縱向分量很小，并且其場結(jié)構(gòu)類似于透射電子顯微鏡模式，所以它通常被稱為準透射電子顯微鏡模式。57，1)特征阻抗Z0和相速度微帶傳輸線像其他傳輸線一樣滿足傳輸線方程。因此，對于瞬變電磁模式，如果忽略損耗，l和c分別是微帶線上每單位長度的分布電感和電容。然而，因為微帶線沒有填充介質(zhì)，介質(zhì)之一是襯底介質(zhì)，另一個是空氣，這兩者都對相速度有影響，并且影響程度由介電常數(shù)和邊界條件決定。當沒有介質(zhì)基片，即空氣填充時，透射純透射電子顯微鏡波，相速度幾乎等于真空中的光速，即vpc=3108m米/秒；當微帶線完全充滿電介質(zhì)時，它也是一個純的透射電子顯微鏡波，其相速度vp=c/，A，59。可以看出，部分填充電介質(zhì)的

12、微帶線(簡稱電介質(zhì)微帶)的相速度vp必須在c和c/之間。因此，我們引入有效介電常數(shù)e，使介質(zhì)微帶線的相速度為0，使有效介電常數(shù)e的值在1和r之間，具體值由相對介電常數(shù)r和邊界條件決定。假設(shè)空氣微帶線的分布電容為C0，介質(zhì)微帶線的分布電容為C1，因此，A，60，C1=eC0或e=0。可以看出，有效介電常數(shù)E是介質(zhì)微帶線的分布電容C1與空氣微帶線的分布電容C0之比。因此，介質(zhì)微帶線的特性阻抗Z0和空氣微帶線的特性阻抗Z0具有以下關(guān)系：A，61?？梢钥闯觯灰玫娇諝馕Ь€的特性阻抗Z0和有效介電常數(shù)e，就可以得到介質(zhì)微帶線的特性阻抗。通過保角變換和復變函數(shù)可以得到Z0和E的嚴格解，但其結(jié)果仍然是復

13、超越函數(shù)，工程上一般采用近似公式。下面給出了一組實用公式。(1)當導帶厚度為零時，空氣微帶的特征阻抗Z0和有效介電常數(shù)e，a，62，a，63，其中w/h是微帶的形狀比；w是微帶的導帶寬度；h是電介質(zhì)襯底的厚度。在工程中，有效介電常數(shù)E有時由填充因子Q來定義，即Q的值反映了介電填充的程度。當q=0，e=1時，對應于充滿空氣；當q=1時，e=r，對應于完全電介質(zhì)填充。q和w/h的關(guān)系是e=1 q(r-1)，A，65。當導帶厚度不為零時，有效介電常數(shù)根據(jù)上述公式，利用MATLAB編制了計算微帶線特性阻抗的計算程序，計算了不同導帶厚度的微帶線在r=3.78和r=9.6條件下的特性阻抗，如圖3-6所示。

14、從圖中可以看出，介質(zhì)微帶的特性阻抗隨著增加而減??；在相同尺寸條件下，r越大，特性阻抗越小。67，顯然，微帶線的波導波長與有效介電常數(shù)e有關(guān)，即與特征阻抗Z0有關(guān)。對于相同的工作頻率，具有不同特性阻抗的微帶線具有不同的波導波長。微帶線的波導波長也稱為帶內(nèi)波長，即2)波導波長g，A，68。由于微帶線是半開放結(jié)構(gòu)，除了導體損耗和介質(zhì)損耗外，還存在一定的輻射損耗。然而，當襯底厚度小且相對介電常數(shù)R大時，大部分功率集中在導帶附近的空間，因此輻射損耗非常小，并且與其他兩種損耗相比可以忽略。因此，下面將著重討論由導體損耗和介質(zhì)損耗引起的衰減。3)微帶線的衰減常數(shù)，A，69。由于微帶線的金屬導體條和接地板中存

15、在高頻表面電流，因此存在熱損耗，但由于表面電流的精確分布難以獲得，因此難以獲得計算導體衰減的精確計算公式。一般情況下，工程中采用以下近似計算公式：(1)導體衰減常數(shù)c、a和70。為了減少導體損耗，除了選擇表面電阻率小的導體材料(金、銀、銅)外，對微帶線的加工工藝也有嚴格的要求。一方面，導體帶的厚度增加，這是由于集膚效應的影響。導體帶越厚，導體損耗越小，因此導體厚度的趨膚深度一般取58倍；另一方面，導體帶表面的粗糙度應盡可能小，一般低于微米級。A，71，其中是介質(zhì)損耗角的填充因子。一般來說，微帶線的導體衰減遠大于介質(zhì)衰減，所以介質(zhì)衰減一般可以忽略。然而，當諸如硅和砷化鎵的半導體材料被用作電介質(zhì)襯底時，微帶線的電介質(zhì)衰減相對較大，并且不能被忽略。對于均勻介質(zhì)傳輸線，介質(zhì)衰減常數(shù)由下式確定：(2)介質(zhì)衰減常數(shù)d，A，72，4)微帶線的色散特性。當頻率較低時，這個假設(shè)是現(xiàn)實的。甲，73。然而，實驗表明，當工作頻率高于5GHz時，介質(zhì)微帶線的特性阻抗和相速度的計算結(jié)果與實際情況相差很大。這表明當頻率較高時，微帶線中由TE和TM模組成的高階模使特征阻抗和相速度隨頻率變化，即具有色散特性。事實上，當頻率增加時，相速度vp將減小，所以E應該增加，并且相應的特性阻抗Z0應該減小。因此，介質(zhì)微帶線的傳輸特性一般用修正公式計算。