微波技术基础电子科大第10次课.ppt

微波技术基础,詹铭周 电子科技大学电子工程学院 地点：清水河校区科研楼B336 ：61830860 电邮：mzzhan@,本课内容,1、第三章、微波集成传输线 常用集成传输线的种类和主要特点 2、第四章介质波导和光波导,,,1、传播条件和波型 2、特性阻抗 3、波长，相速 4、功率容量 5、衰减,了解,微波集成传输线,微波集成传输线的最大特点是 平面化,五种重要的传输线： 带状线（Stripline） 微带线（Microstrip line） 槽线（Slotline） 鳍线（Finline） 共面线（Coplanar line）,注意耦合线结构,,,共面波导（CPW） 共面带线（CPS） 接地共面波导（CBCPW） Conducter-backed CPW,,,指元器件、传输线导带等在同一平面,,按传播模分类,,,均匀介质的多导体传输线,均匀介质的单导体传输线,非均匀介质的平面传输线结构,带状线,,鳍线,,,,,,准TEM模,,,,,一、回顾带状线,1950年，R.M. Barrett 发明了带状线，是一种三导体TEM波传输线上下两块导体板是接地板，中间的导体带位于上下板的对称面上，导体带与接地板之间可以是空气介质或填充其它介质。

故又称为三板线或夹心线为减少带状线在横截面方向的能量泄露，上下接地板的宽度D和接地板间距必须满足,D(3~6)W 和,,带状线的最高工作频率取,,微波集成传输线－带状线,惠勒1978年用保角变换法得到了如下有限厚度导体带带状线特性阻抗公式,,,,,式中t为导体带的厚度当W / (b - t)10时，精度优于0.5% 另外一种公式：H. Howe, Jr., Stripline Circuit Design, Artech House, Dedham, MA, 1974.,式中,微波集成传输线－带状线,带状线—优缺点和应用,1、改变线宽一个参数就改变电路参数（特性阻抗） 2、在馈线、功分器，耦合器，滤波器，混频器，开关的设计中，体积小，重量轻，大批量生产的重复性好 3、立体电路的设计，适用于多层微波电路，LTCC等，辐射小 4、封闭的电路，调试难 5、电路需要同轴或波导馈入，引入不连续性，需要在设计时补偿 6、在多层电路设计中，存在不同节点常数的介质之间的连接，介质与金属导体的连接，分析方法非常复杂，尤其对3D电路，尚缺少各种不连续性的模型和相关设计公式，采用全波分析法或者准静态场分析3.2 微带线 D. D. Grieg and H. F. Englemann, “Microstrip—A New Transmission Technique for the Kilomegacycle Range,” Proc. IRE, Vol. 40, pp. 1644–1650, Dec. 1952. 微带线的特性参量，如相位常数，特性阻抗等可由横向截面的参数全部确定，方便与有源器件连接，是目前HMIC和MMIC中使用最广泛的平面传输线。

二、微带线,微带线,1. 直流到高频均可传输 2. 方便与器件连接，（串并联） 3. 方便器件和电路的测试(开放式平面传输结构) 4. 传输线的波导波长小，电路尺寸小 5. 结构稳定，电路可靠性高，能够承受高电压和中等功率水平,微波集成传输线－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,准TEM模（电磁场的纵向分量很小）具有色散持性，这与纯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微波集成传输线－微带线,传输媒质为空气和介质的非均匀媒质，微带线的电磁场存在纵向分量，不能传播纯TEM波 但是，主模的纵向场分量远小于横向场分量因此， 主模具有纯TEM相似的特性； 纯TEM的分析方法也对微带线适用 ———准TEM近似法,,,,,,,1970,Vendelin指出微带线中除了准TEM模外，还可能存在其它两种高次模式：波导模（横向谐振模）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（宽导体情况下）。

最低横向谐振模为TE模，与准TEM模发生强耦合 平板波导的最低TE模和TM模是TE10模、TM01模 ，,,,,边缘修正,,微波集成传输线－微带线,,表面波模：具有金属接地板的介质中传播，存在于导带的两侧表面波中最低的TE和TM模分别是TE1模和TM0模它们的截止波长分别为：,,,TE1模激励频率低，但是相速高，与TEM发生强耦合的最低模的首先是TM0模 波导横向谐振模易消除表面波限制了微带线的工作频率上限微波集成传输线－微带线,,工作频率上限,,,最后，抑制波导模和表面波，保证单模传输为,,微带线设计中，金属屏蔽盒高度取H ≥（5 ~ 6）h， 接地板宽度取L≥（5 ~ 6）W,,,微波集成传输线－微带线,,,,,,,,,,有效相对介电常数→准TEM波引入的 H. A. Wheeler, Transmission-line properties of parallel wide strips by a conformal mapping approximation, IEEE Trans. Microwave Theory Tech. 12:280–289 (May 1964). H. A. Wheeler, Transmission-line properties of parallel strips separated by a dielectric sheet, IEEE Trans. Microwave Theory Tech. 13:172–185 (March 1965).,,,,或者,微波集成传输线－微带线,3.2-14,,,,特性阻抗,,W/h2的宽微带线,,W/h2的窄微带线,,微波集成传输线－微带线,介质影响传播速度,E. Hammerstad and O. Jensen, Accurate Models for microstrip computer-aided design, IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Digest, 1980, pp. 407–409.,色散,以上关于微带线的结论都是在准TEM近似下得出的。

——有效介电常数、传播速度、波导波长等与频率无关 事实上由于微带线结构存在空气和介质的突变，在此边界上会有纵向场分量，微带线实际传播的是混合波 色散：电磁波的传播速度随频率变化的现象 微带线——相对介电常数随频率变化——电磁波能量的传播速度随频率变化——脉冲信号个各个频率分量将以不同速度在微带线上传播——信号失真4. 频率接近的TE1表面波截止频率时相速度出现拐点 ：,E. Hammerstad and O. Jensen, Accurate models for microstrip computer aided design, IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Digest, 1980, pp. 407–409. M. Kobayashi, A dispersion formula satisfying recent requirements in microstrip CAD, IEEE Trans. Microwave Theory Tech. MTT-36:1246–1250 (1988).,微带线的衰减,导体损耗，介质损耗（耗散作用）——主要 辐射损耗，寄生模式损耗——可忽略,导体损耗,介质损耗,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εre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(500-1500)，接近于无色散，并且可实现的阻抗值范围大，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,,微带的改型——悬置微带线和倒置微带线,,,,3.4 悬置微带线和倒置微带线,悬置微带线,,,,倒置微带线,,,,当0.2 a / b 1，1W/b8, , 精度在时优于1%；,3.4 悬置微带线和倒置微带线,,,,,3.3 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,,,3.3 耦合带状线和耦合微带线,先求奇偶模电容、再求奇偶模阻抗,,,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60Ω的特性阻抗 三、槽线,无截至频率,,,,ε re= (ε r + 1) / 2,槽线,四、 共面传输线,共面传输线分共面波导（CPW）、共面带线（CPS）等等 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,,共面波导,,3.6 共面传输线,共面带线,第一类完全椭圆函数、余函数,3.6 共面传输线,2.共面带线,,式中,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3.7 鳍线,用到了：微带线，悬置微带线，耦合线，鳍线，共面线，矩形波导，以及传输线之间的转换结构 在上方端口处一般会接上同轴接头，还会用到同轴线毫米波鳍线混频器,介质波导和光波导,当毫米波波段→亚毫米波段→太赫兹波段时 普通的微带线将出现一系列新问题 1）高次模的出现使微带的设计和使用复杂 2）金属波导的单模工作条件限制了其横向尺寸不能超过大约一个波长的范围 这在厘米波段和毫米波低频段不成问题但到毫米波高频段，单模波导的尺寸就显得太小，不仅制造工艺困难，而且随着工作频率的提高，功率容量越来越小，壁上损耗越来越大，衰减大到不能容忍的地步因此，对毫米波段的高端及来说，封闭的金属波导已不再适用于是，适合于毫米波高频段、亚毫米波的传输线 —— 介质波导等非封闭式的传输线（或称开波导）便应运而生,,矩形介质波导,介质镜像波导,隔离介质波导,倒置带状介质波导,圆柱介质波导,光纤,介质波导和光波导,圆柱介质波导 要求,,,,,传输的电磁波为表面波，是混合模，Hz≠0和Ez≠0,分析方法与金属园波导一样，采用圆柱坐标系、纵向场法,,,介质波导和光波导,,,在不同介质kc中取不同值,在介质柱内 ，Ⅰ区 在介质柱内 ，Ⅱ区 且,,,,（沿r 方向为衰减场）,介质Ⅰ区中，场沿r 呈驻波分布 介质Ⅱ区中，场沿r 为指数衰减,圆柱介质波导内： 和 圆柱介质波导外： 和,,,,,介质波导和光波导,通解,,,,,第一、二类变形贝塞尔函数,将上述通解应用于讨论的实际情况，则有 （1）圆柱介质内部因中心轴处场应为有限值，故B1＝0； （2）圆柱介质外部因无穷远处场应为0，故A2＝0； （3）圆柱介质圆周方向上，场应为单值，故m为整数。

圆柱介质内部通常取B3＝0的圆极化解（当然也可取cosmφ和sinnφ的线极化解）,介质波导和光波导,圆柱介质内部（Ⅰ区） 圆柱介质外部 （Ⅱ区）,,,,,由横－纵场关系，可对应求出圆柱介质内、外横向场分量,边界条件在r＝a 处 E0z1＝E0z2，E0φ1＝E0φ2，H0z1＝H0z2，H0φ1＝H0φ2,介质波导和光波导,,,,,,最后得圆柱介质波导导模的本征值方程 ，可确定各模式的横向场分布,四个齐次方程有解是系数行列式为零，得本征方程,介质波导和光波导。