第三章--微波传输线

2020/6/191MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong主要内容微波集成传输线导波原理矩形波导2020/6/192MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong引言微波传输线定向传输微波信号和微波能量的传输线微波传输线分类TEM模传输线（双导线传输线）平行双线、同轴线、带状线及微带线TE模和TM模传输线（金属波导传输线）矩形波导,圆波导、椭圆波导、脊波导表面波传输线（混合模）介质波导,介质镜像线2020/6/193MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong3-1微波集成传输线特点体积小、重量轻、频带宽微波集成电路、空间技术损耗大、功率容量小微带线(重点)2020/6/194MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong3-1-1微带线结构双线的变形带状线微带线xyhzEH接地导体介质带状导体2020/6/195MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong3-1-1微带线传输模式特性阻抗波导波长微带线衰减色散特性微带线尺寸设计微带元件应用2020/6/196MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong传输模式EjHHjE无源Maxwell’sEquationsxy2020/6/197MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong传输模式21212121,,zzxxzzxxHHHHEEEE0)B-(B)D-(DJ)H-(H0)E-(E12121212nnnnˆˆˆˆss边界条件1212yyyryHHEEhyx2y1znˆ2020/6/198MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong传输模式x2y1z1011xryzEjzHyH2022xyzEjzHyH边界条件相位因子)(ztje)(2211zHyHzHyHyzryz22yyHjzH11yyHjzH2020/6/199MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong传输模式221)1(yrzrzHjyHyHx2y1z221)11(yrzrzEjyEyE结论：当εr≠1时,必然存在纵向分量Ez和Hz,亦即不存在纯TEM模。2020/6/1910MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong传输模式微带线中的主模准TEM模微带传输系统中存在两种边界，一种是金属和介质间的边界，一种是介质和空气间的边界。因此，微带线内的介质是非均匀的空气与介质分界面上必然存在场的不连续场沿空气与介质分界面也不均匀由于纵向场分量较小准TEM模微带线不能传输纯TEM模2020/6/1911MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong传输模式2020/6/1912MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong传输模式2020/6/1913MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong传输模式2020/6/1914MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong特性阻抗微带线的特性阻抗LCvCvCLZpp1102020/6/1915MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong空气微带线介质全填充实际微带线特性阻抗0001CvZa00/vvvpr010CCCr2020/6/1916MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong有效介电常数为εe的介质，均匀填充微带线，保持它的尺寸和特性阻抗与原来的实际微带线相同特性阻抗20pevvepvv0有效介电常数εe的取值就在1与εr之间,具体数值由相对介电常数εr和边界条件决定。2020/6/1917MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong特性阻抗有效介电常数εe就是介质微带线的分布电容C1和空气微带线的分布电容C0之比结论：微带线特性阻抗的计算归结为求空气微带线的特性阻抗Z0a和相对等效介电常数εe。10011LCvLCvp0101CCCCeeeaZZ002020/6/1918MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong特性阻抗导带厚度t=0时，空气微带的特性阻抗Z0a有效介电常数1144.042.2904.119148ln952.5960hwwhhwhwhwhwwhZa1/12121211/1041.0121212121221hwwhhwhwwhrrrre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2020/6/1919MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong微带线有效介电常数随变化曲线hw/利用Matlab计算0.1110024681012r=1r=2r=3r=4.6r=7r=10r=12w/heff?2-11??????????????????????w/h???εεεεεεεε2020/6/1920MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong结论：微带特性阻抗随着增大而减小;相同尺寸条件下,εr越大,特性阻抗越小。hw/0.11105101kr=1r=2r=3r=4.6r=10r=12r=7Z0,w/h?2-12????????w/h???εεεεεεε2020/6/1921MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong特性阻抗工程上，有时用填充因子q定义有效介电常数εeq为填充因子,表示介质填充的程度q=0,εe=1,表示无介质填充q=1,εe=εr,表示全部介质填充)1(1req2020/6/1922MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong特性阻抗工程上，很多时候是已知微带线的特性阻抗及Z0介质的相对介电常数εr反过来求w/h①Z044-2εrΩ:1exp418)exp(AAhwπ4ln12πln1219.11912rrrr0ZA24ln12ln121121rrrreA2020/6/1923MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong特性阻抗工程上，很多时候是已知微带线的特性阻抗及Z0介质的相对介电常数εr反过来求w/h①Z044-2εrΩ:rrr517.0293.01ln112ln12BBBhwr0295.59ZB555.0rr1012121whe2020/6/1924MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong特性阻抗若先知道Z0也可由下式求得εe,即110lg004.0109.096.00rreZr上述相互转换公式在微带器件的设计中是十分有用的。2020/6/1925MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong特性阻抗导带厚度t≠0时，t＜h,t＜w/2时相应的修正公式为π214ln1ππ212ln1πehwtwhthwhwthhthwhw2020/6/1926MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong波导波长微带线的波导波长也称为带内波长,即结论：微带线的波导波长与有效介电常数εe有关,也就是与w/h有关,亦即与特性阻抗Z0有关。对同一工作频率,不同特性阻抗的微带线有不同的波导波长。e0g2020/6/1927MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong微带线损耗微带线的损耗欧姆损耗（导体衰减常数αc）基片的厚度h减小，两导体之间的磁力线密度增大，损耗将增加。导体表面的光洁度下降，或导体的电导率减小，损耗将增加。工作频率升高，微带线的损耗将增加。2020/6/1928MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong微带线损耗介质损耗（介质衰减常数αd）比欧姆损耗小得多tanδ为介质材料的损耗角正切辐射损耗导体带的宽度W越小，微带线的辐射损耗越大基片的介电常数大，辐射损耗小tan3.272100rdGZatan3.27re0rdqa2020/6/1929MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong色散特性2020/6/1930MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong色散特性微带线的色散特性色散是指电磁波的传播速度随其频率变化而变化的现象。一般分析都认为微带线上传播的是TEM模，波导波长、相速或有效介电常数均与频率无关，即没有色散现象。实际微带线的真正模式是TE模和TM模组成的混合模。色散的低频时，混合模就趋近于TEM模，称为准TEM模。高频，当传输线尺寸远大于四分之一波长时，就必须考虑微带线的色散性质，此时高次模已经存在。频率愈高,等效介电常数愈大,则相速度愈小，特性阻抗愈低。2020/6/1931MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong当频率f低于某一个临界值f0时,微带线的色散可以不予考虑f4GHz001/40.95()(1)rzfGHzh色散特性2020/6/1932MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong微带线尺寸设计微带线尺寸的设计0)4.0(202rrcTE10thwtw波导模式表面波模式TE10TM01rcTM201hTE1TM014rcTE1h∞为抑制高次模的产生,微带的尺寸应满足hw4.02)(rmin02020/6/1933MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong微带线设计微带线设计参数基板参数:基板介电常数εr、基板介质损耗角正切tanδ、基板高度h和导线厚度t。电特性参数:特性阻抗Z0、工作频率f0、工作波长λ0、波导波长λg和电长度（角度）θ。微带线参数：宽度W、长度L和单位长度衰减量AdB。2020/6/1934