[互联网]chap2 25 26 微波集成电路用的导波系统

1. 波导正规模的特性？ 2. 模式正交性 有哪几种？ 3. 带状线的主模？,复习,窄条带,图2.49,一 带状线,(2.188),d0/wt/w,二者的等效关系，由保角变换法求出如图2.50所示。,(2.189),当 时，也可用下面的近似公式计算,图2.50,一 带状线,(2.190),若t=0，则得d0=W/2。于是零厚度窄条带带状线的特性阻抗近似为,带状线的衰减一般包括三部分：导体衰减、介质衰减和辐射引起的衰减。详见课本。 带状线传输中等功率，设计合理时也可传输较大功率。,一 带状线,(二) 带状线的主要特性参量,一 带状线,3. 带状线功率容量,4. 衰减常数,二 微带线,图2.52,(1)种类和结构,二 微带线,优点：体积小、重量轻、频带宽、可集成化； 缺点：损耗大，效率低，功率容量低。,二 微带线,3.2 微带线 微带线可以看作由双线传输线演变而来。在两根导线之间插入极薄的理想导体平板，它并不影响原来的场分布，而后去掉板下的一根导线，并将留下的一根“压扁”，即构成了微带线。微带线中的主模是准TEM模,二 微带线,准TEM模(电磁场的纵向分量很小)具有色散特性，这点与纯TEM模不同，而且随着工作频率的升高，这两种模之间的差别也愈大。,二 微带线,图2.53 微带线,为了减少辐射损耗，通常还将微带线装入金属屏蔽盒中，这样就可以使微带线的辐射损耗进一步减少。 微带线是由沉积在介质基片上的金属导体带条和接地板构成。 常用的介质基片材料是 99% Al2O3 瓷、石英蓝宝石或聚四氟乙烯、玻璃纤维等低损耗介质，接地板和导体带条常用铜等良导体做成。,微带线的主要特性,二 微带线,微带线虽是双导体传输线，又可视为双线演变而来。但它的主模并不是TEM模，这是由于微带线中填充有两种介质(基片与空气介质)，属于分区填充介质的导波系统。TEM波不能满足介质基片与空气分界面上的边界条件。要满足微带线的边界条件，场必须有纵向分量。即Ez、Hz不全为零或都不为零。但是由于实际微带线的场主要集中在介质中，空气中的场较弱，因此电磁场纵向分量很小。对于这种具有很小纵向分量的波，因与TEM波差别甚小而称为准TEM波。微带线的主模就是准TEM模。,试证明在均匀各向同性无耗微带电路中，其传输主模式为准TEM模,两种理想介质分界面上的边界条件,2.7.2 两种常见的情况,在两种理想介质分界面上，在自然状态下没有电荷和电流分布，即JS0、S0，故,证明：设微带电路的传播方向为z向，在空气和介质贩交界面上有： 切向电场 ， (a) 法向电场 (b) 切向磁场 , (c) 法向磁场 (d) 其中带撇的表示界面的介质一侧的场量，不带撇的表示界面两侧的空气一侧的场量。界面两侧的电磁场当然满足麦克斯韦方程，,介质中 空气中 分别对以上两边取x分量，则得到 在界面上利用边界条件(a),于是有 (e),再利用边界条件(d),并注意到对于相位常数为 的单模导行波有 把这些关系代入式(e),整理后可得 (f) 这是介质界面两侧的磁场所必须满足的关系。由于在介质-空气交界面上，垂直于界面的磁场分量Hy不可能处处为零，而且介质片的 ，故式(f)的右边不等于零；由此推出其左边也一定不等于零，这就证明了必定有磁场的纵向分量存在。,同理可得到 (g) 因此只要垂直于界面的电场分量不处处为零，则必然存在电场的纵向分量。 这样我们就一般地证明了微带中的任何导行波必定有纵向场分量。换句话说，纯的TEM波是不可能在微带中单独存在的。这个结论是严格推理的结果，是无可怀疑的。由以上分析可以看出，微带中的模式非TEM波，是由空气介质面处的边缘分量Ez和Hz引起的，与导体的横向场分量相比，纵向场分量很小，所以微带中的主模式称为准TEM模。这种模式实际上是一种混合模式 。,微带线的主要特性,微带线的主模：准TEM模。,二 微带线,微带线中的高次模有两种：波导模和表面波模。,波导模是指在金属导带与接地板之间构成有限宽度的平板波导中存在的TE、TM模。平板波导的最低TE模和TM模是TE10模、TM01模。,(2.201a),图2.54,考虑到导带两边的边缘效应，上式修正为,(2.201b),二 微带线,(2.202),二 微带线,图2.55,由此可见，要抑制微带线中的波导模，需满足条件,(2.205),二 微带线,表面波模是指微带线导带的两侧可视为金属板上涂敷介质的表面波波导,它能传播表面波模。表面波中最低的TM模是TM0模，最低的TE模是TE1模。它们的截止波长为,表面波模,(2.203),(2.204),(2.206),对于表面波模，因TM0模的截止波长为无穷大，无法通过选择尺寸来抑制，通过选择尺寸只能抑制TE1模。,二 微带线,(2.207),故微带线的单模工作条件常取为,即有因为波导模式中TM01模的截止波长比表面波TE1模的截止波长要短,波导模TE10 表面波模TE1,微带线的主要特性参量,1.微带线上导波的相速 vp,(2.207),二 微带线,(2.211),(2.212),于是有效介电常数可以通过C1和 来求得,式中,二 微带线,(2.216),二 微带线,图2.56,图2.57(a),从而,二 微带线,2.微带线的波导波长和特性抗,(2.219),(2.218),(2.220),二 微带线,惠勒导出的零厚度真实微带线特性阻抗近似公式为,的窄微带线,上式的误差约1。当 时，将式中W改用 代入。其中W由式(2.217)计算。,(2.221a),(2.221b),二 微带线,的宽微带线,二 微带线,(2.217),(2.221c),惠勒还给出了宽、窄微带线通用的近似式为,式中,此式误差小于2。,二 微带线,一 带状线,微带线的特性阻抗和相位改变可由ADS软件中自带的程序计算，需要输入的微带线各参数的含义如下： H：基板厚度，即微带线到底部接地导体板的距离 r：基板相对介电常数 Mur：相对磁导率 Cond：金属电导率 Hu：如果微带线处于一个金属盒中，这是金属盒的高度 T：金属层厚度 TanD：介电损耗角正切 Roungh：表面粗糙度 L：微带线长 Rough：介质表面方均根粗糙度,3.微带线的衰减,一般情况下，微带线的衰减包括导体、介质和辐射引起的衰减三部分。即,二 微带线,微带线是开放性结构，容易产生辐射。但实际上因介质基片很大，只要选择尺寸合适，辐射仍是很小的，仍可略去不计，故只考虑导体和介质衰减。 微带线因是部分填充介质，故介质衰减应比全填充介质情况的小。,高、低阻抗低通滤波器,二 微带线,4.平行耦合微带线,图 耦合微带线结构示意图,准TEM模 耦合微带线主要用于耦合器和滤波器,耦合带状线,耦合带状线和耦合微带线,奇偶模方法采用奇模激励和偶模激励两种状态对它进行分析，其它的激励状态可看作是这两种状态的叠加。,(a)薄带侧耦合 (b)厚带侧耦合 (c)夹层侧耦合,(d)薄带垂直宽面耦合 (e)厚带垂直宽面耦合 (f)薄带平行宽面耦合,(g)厚带平行宽面耦合 (h)厚带错位耦合,耦合微带线,耦合带状线和耦合微带线,奇模激励在耦合线的两个中心导体带上加的电压幅度相等，而相位相反 中心对称面为电壁 偶模激励在耦合线的两个中心导体带上加的电压幅度相等，相位相同 中心对称面为磁壁,二 微带线,微带滤波器的设计(补充),平行耦合线带通滤波器的设计 下图是一个微带带通滤波器及其等效电路，它由平行的耦合线节相连组成，并且是左右对称的，每一个耦合线节长度约为四分之一波长(对中心频率而言)，构成谐振电路。,等效电路,二 微带线,悬置微带线和倒置微带线,悬置微带线和倒置微带线,悬置或倒置微带线中，电磁场的大部分处于空气中，介质影响不大，其有效相对介电常数re接近于1，从而其特性参量接近空气中的参量，线中损耗大大减小，具有比微带线更高的Q值，接近于无色散，因此特别适合应用于滤波器、谐振电路等Q值较高的场合。悬置微带线的缺点是，与标准微带线相比，结构不紧凑。悬置或倒置微带线传输的主模是准TEM模,悬置微带线和倒置微带线,悬置微带线和倒置微带线,悬置微带线和倒置微带线,悬置微带线和倒置微带线,悬置微带线,倒置微带线,在和0.2 a / b 1，式(3-68)的精度在时优于1%；在时，精度优于2%,三 共面传输线(共面波导),三 共面传输线,共面传输线分共面波导(CPW)、共面带线(CPS)。 明显优点是与有源器件和无源元件连接十分方便 。 工作模式非TEM模传播 便于MMIC,共面波导,三 共面传输线(共面波导),介质基片采用高介电常数介质以保证波导波长g小于自由空间电磁波的波长0，从而使场集中在介质与空气的分界面附近。,三 共面传输线,图2.59,工作模式是准TEM模。,三 共面传输线,三 共面传输线,共面波导,第一类完全椭圆函数、余函数,三 共面传输线,2.共面带线,式中,四 槽线,图2.61,四 槽线,槽线属于分区填充介质的导波系统，非TEM模，即Ez和Hz都不为零，属于一种波导模 。便于安置固体器件 ，但难以得到低于60的特性阻抗 。,四 槽线,槽线与微带、共面传输线类似，属于分区填充介质的导波系统。槽线两导电层上加有电压，电场横跨于槽，在槽中介质表面上由于位移电流不连续，使磁场在垂直于槽的纵平面上形成闭合曲线，因此槽线工作在非TEM波。,四 槽线,槽线中的电磁场主要集中在槽的附近,且大部分场的传播发生在介质基片里,基片的介电常数越高,基片中聚积的电磁能量就越大,电磁辐射就越小。电力线分布主要是横跨过槽,而槽中的磁力线既有平行于也有垂直于槽的分量。槽线中传输的不是TEM模，也不是准TEM模，而是一种波导模，该波导模无截止频率，但具有色散特性。,(二)槽线的特性参量,四 槽线,(2.228),1.槽线波长,式中 为等效介电常数，r为介质基片的相对介电常数。,2.槽线特性阻抗,(2.229),(2.230),式中A为槽线总宽度，W为槽宽。,四 槽线,图2.62,槽线特性阻抗Zc与W/A的关系曲线如图2.62所示。,四 槽线,共面传输线、槽线的共同优点是： (1)结构上易于并联集总参数元器件； (2)磁场存在圆极化区，便于作成非互易铁氧体元件； (3)它们除被单独使用外，均可和微带结合使用，即在介质基片的另一侧制作微带以构成微小型微波电路。,四 槽线,五 鳍线,五 鳍线,鳍线的结构可视为带屏蔽波导的槽线。鳍线的基片可穿过波导宽壁，鳍与屏蔽波导间也可加介质隔离片以供安装固体器件施加偏压，在这种情况下，壁厚应为g/4才能保证鳍与屏蔽波导内壁射频短路。,五 鳍线,五 鳍线,(a)双侧鳍线 (b)单侧鳍线,(a)斜对侧鳍线对极 (b)单侧绝缘鳍线 (c)双侧绝缘鳍线,五 鳍线,五 鳍线,安装在金属矩形波导E面上的平面电路，金属鳍印刷在介质基片上应用于毫米波频段。 工作模式为混合模，特性参量计算较为复杂，采用谱域法等数值方法。,(a)滤波器、谐振器,(b)阻抗变换器、耦合器,(c) 渐变式 (d) 多阶梯式 P91,(2.231),(2.232),式中e是等效相对介电常数， c和Z c是脊波导结构的截止波长和高频极限阻抗。,五 鳍线,而,(2.233a),(2.233b),(2.234),式中F为修正因子， 它是 的函数。,五 鳍线,波导-对极鳍线-微带过渡器 对极鳍线示意图,1.6 各种导波系统的主模,各类传输线内传输的主模及其截止波长和单模传输条件列表如下：,