《微波技术与天线》第3章课件

第三章微波集成传输线规则金属波导传输系统：优点----具有损耗小、结构牢固、功率容量高及电磁波限定在导管内等；缺点---比较笨重、高频下批量成本高、频带较窄等对微波集成传输元件的基本要求之一就是它必须具有平面型结构，这样可以通过调整单一平面尺寸来控制其传输特性，从而实现微波电路的集成化。随着航空、航天事业发展的需要，对微波设备提出了体积小、重量轻、可靠性高、性能优越、一致性好、成本低等要求，这就促使微波技术与半导体器件及集成电路的结合，产生了微波集成电路（microwaveintegratedcircuit)。各种微波集成传输系统，归纳起来可以分为四大类微带线共面波导槽线鳍线介质波导镜像线H形波导G形波导准TEM波传输线非TEM波传输线开放式介质波导半开放式介质波导本章内容3.1微带传输线3.2介质波导3.3光纤3.1微带传输线微带传输线的基本结构有二种形式：带状线和微带线，它们都属于双导体传输系统。本节要点带状线(stripline)微带线(microstripline)耦合微带线(couplingmicrostripline)1.带状线(stripline)带状线是由同轴线演化而来的，即将同轴线的外导体对半分开后，再将两半外导体向左右展平，并将内导体制成扁平带线。从其电场分布结构可见其演化特性。显然带状线仍可理解为与同轴线一样的对称双导体传输线，传输的主模是TEM模。也存在高次TE和TM模。传输特性参量主要有：特性阻抗、衰减常数、相速和波导波长。带状线的演化过程及结构带状线又称三板线，它由两块相距为b的接地板与中间的宽度为W、厚度为t的矩形截面导体构成，接地板之间填充均匀介质或空气(1)特性阻抗(characteristicimpedance)由于带状线上传输主模为TEM模，因此可以用准静态的分析方法求得单位长分布电容C和分布电感L，从而有：0p1/ZLCC其中，vp为相速。只要求出带状线的单位长分布电容C，则就可求得其特性阻抗。求解分布电容的方法很多，但常用的有等效电容法和保角变换法。带线电容带线电容分成板间电容Cp和边缘电容Cf′。W／b愈大，C愈大，特性阻抗Z0愈小。W／b愈大，Cf′影响愈小。由于计算结果中包含了椭圆积分函数而且对有厚度的情形还需修正，不便于工程应用(a)导带厚度为零时的特性阻抗计算公式)(441.030er0bwbZ式中，we是中心导带的有效宽度，由下式给出：35.0/35.0/)/35.0(02ebwbwbwbwbw比较实用的公式，分为导带厚度为零(S.B.Cohn科恩)和导带厚度不为零(H.A.Wheeler惠勒)两种情况。精确度约为1.5%27.61π8181π41ln302r0mmmZ式中，tbwtbwmnxbwxxxxxtbw1.1/0796.02ln5.01)1(2xxn13212btx精确度优于0.5%（b）导带厚度不为零时的特性阻抗计算公式带状线特性阻抗与w/b及t/b的关系曲线可见：带状线特性阻抗随着w/b的增大而减小，而且也随着t/b的增大而减小。w/bw/b带状线的损耗包括由中心导带和接地板导体引起的导体损耗、两接地板间填充的介质损耗及辐射损耗。由于带状线接地板通常比中心导带大得多，辐射损耗可忽略不计dc介质衰减常数由以下公式给出：)dB/m(tan3.272100rdGZ其中，G为带状线单位长漏电导，tan为介质材料的损耗角正切。(2)衰减常数1tandQ1tandcQQQ,,,tan导体衰减可由增量电感法求解,通常由以下公式给出（单位Np/m）：12016.0120)(30107.20r00r03cZBbZRZAtbZRsrStwwttwbBttbtbtbtbwAπ4ln21414.05.07.05.012ln121其中，Rs为导体的表面电阻，而由于带状线传输的主模为TEM模，故其相速和波导波长分别为：rcv/pr0/g（4）带状线的尺寸选择带状线传输的主模是TEM模，但若尺寸选择不合理也会引起高次模TE模和TM模。在TE模中最低次模是模TE10,在TM模中最低次模是模TM10，为抑制高次模，带状线的最短工作波长应满足：rTMcmin0rcTEmin0221010bw于是带状线的尺寸应满足rrbw2,2min0min0（3）相速和波导波长空气带线功率容量223max22204602101(1)2PttbPZbb上式中，Pmax——最大入射峰值击穿功率，单位KW；——驻波比VSWR；P——大气压(atm)；b——单位cm。(5)带状线功率容量2.微带线(microstripline)微带线在中心导带和接地板之间加入了介质，可以证明在两种不同介质的传输系统中不可能存在单纯的TEM波，而只能存在TE模和TM模的混合模，因此纵向分量Ez和Hz必然存在。但是当频率不很高时，微带线基片厚度h远小于微带波长，此时纵向分量很小，其场结构与TEM模相似，一般称之为准TEM模(quasi-TEMmode)。我们来分析微带传输线的主要传输特性hw微带线是由沉积在介质基片上的金属导体带和接地板构成的一个特殊传输系统，导体带宽度为w、厚度为t微带线的演化过程及结构插入金属板微带线演化过程及结构LCCCLZ/11/pp0m/s1038pcv对准TEM模而言，如忽略损耗，则式中，L和C分别为微带线的单位长分布电感和分布电容。微带线周围不是填充一种介质，一部分为基片介质，另一部分为空气，这二部分对相速均产生影响，其影响程度由介电常数和边界条件共同决定。当不存在介质基片即空气填充时，这时传输的是纯TEM波，此时的相速与真空中光速几乎相等，即(1)特性阻抗与相速rpcv/因此介质部分填充的微带线（简称介质微带）的相速必然介于和之间。crc/2pe)/(vc有效介电常数的取值就在1与之间，具体数值由相对介电常数和边界条件决定。rr当微带线周围全部用介质填充，此时也是纯TEM波，其相速为引入有效介电常数(effectiverelativepermittivity))1(1reqq=0时，，对应于全空气填充；q=1时，，对应于全介质填充。1ere与的关系为：qhw/21121121whq工程上，用填充因子q来定义有效介电常数，即ep/cve00aZZ可见，只要求得空气微带线的特性阻抗Z0a及有效介电常数e，就可求得介质微带线的特性阻抗。介质微带线相速为介质微带线的特性阻抗Z0与空气微带线的特性阻抗Z0a有以下关系：06859.952ln(1)4119.904(1)2.420.441ahwwhwhZwhwhhhww122re12r1112[10.041(1)](1)2211121(1)22rrhwwhwhhwhw1wh式中，w/h是微带的形状比，w是微带的导带宽度，h为介质基片厚度。为窄带微带线1wh为宽带微带线1)导带厚度为零时的空气微带的特性阻抗Z0a及有效介电常数e2)导带厚度不为零时的空气微带的特性阻抗Z0a及有效介电常数e导体厚度t0时，导带的边缘电容增大，相当于导体宽度w加宽为we。当th、tw/2时相应的修正公式为：214ln1212ln1ehwtwhthwhwthhthwhw在前述零厚度特性阻抗计算公式中用we/h代替w/h即可得非零厚度时的特性阻抗。微带特性阻抗与w/h的关系介质微带特性阻抗随着w/h增大而减小；相同尺寸条件下，r越大，特性阻抗越小。已知微带线的特性阻抗Z0及介质的相对介电常数r来求w/h对于窄导带（也就是当Z044–2r），则•其中，1exp418)exp(AAhw4ln12ln1219.11912rrr0rZA有效介电常数表达式为2rre4ln12ln121121rrA其中的A由上式给出。微带线设计问题2164ln2whwhA对于宽导带（也就是当Z044–2r），则rrr517.0293.01ln112ln12BBBhwr02π95.59ZB由此可算出有效介电常数555.0rre1012121wh若先知道Z0也可由下式求得e，即rerr00.960.1090.004lg101Z若作为w/h的函数由下式给出e0/g显然，微带线的波导波长与有效介电常数e有关，也就是与W/h有关，亦即与特性阻抗Z0有关。微带线的波导波长也称为带内波长，即(3)微带线的衰减常数由于微带线是半开放结构，因此除了有导体损耗和介质损耗之外，还有一定的辐射损耗。不过当基片厚度很小，相对介电常数较大时，绝大部分功率集中在导带附近的空间里，所以辐射损耗是很小的，和其它二种损耗相比可以忽略。(2)波导波长微带线的金属导体带和接地板上都存在高频表面电流，因此存在热损耗。工程上一般采用近似计算公式。a)导体衰减常数c202c0esee8.6811ln40.16248.68211ln0.1622π4wthhcetwhhseeZhwhhwhRhwwZhwhhhtwhRhwwth降低导体的损耗（1）选择表面电阻率很小的导体材料（金、银、铜）（2）加大导体带厚度，这是由于趋肤效应的影响，导体带越厚，则导体损耗越小，故一般取导体厚度超过5-8倍的趋肤深度；（3）导体带表面的粗糙度要尽可能小，一般应在微米量级以下。eeeec0e22seeπ28.6821ln20.094πln20.94whtan3.272121e0e00edqqGZZG由于实际微带只有部分介质填充，介质衰减常数修正如下：微带线的导体衰减远大于介质衰减，因此一般可忽略介质衰减。但当用硅和砷化镓等半导体材料作为介质基片时，微带线的介质衰减相对较大，不可忽略。对均匀介质传输线；其介质衰减常数由下式决定tan3.27210r0dGZ其中，)1()1(reereq为介质损耗角的填充系数。b）介质衰减常数)GHz(1955.004rmaxhZfmm1,9,500hZr色散是指电磁波的相速随频率而变的现象。当频率较低时，微带线上传播的波基本上是准TEM模，故可以不考虑色散。其中，Z0的单位为，h的单位是mm。例如，无色散最高频率为fmax=4GHz设不考虑色散时的频率为fmax，对于给定结构的微带线来说其fmax是一定的。（4）微带线的色散(dispersive)特性当频率较高时，微带线的特性阻抗和相速随着频率变化而变化，也即具有色散特性。频率升高时，相速vp要降低，e应增大，而相应的特性阻抗Z0应减小。一般用修正公式来计算介质微带线传输特性。当、以及时162r16/06.0