微波集成電路第二章講義

1、第二章 微波平面?zhèn)鬏斁€電子科技大學電子工程學院微波集成電路講義目錄2.1 2.1 引言引言2.2 2.2 微帶線微帶線2.32.3帶狀線帶狀線2.42.4懸置微帶和倒置微帶懸置微帶和倒置微帶2.52.5槽線和共面波導槽線和共面波導2.62.6鰭線鰭線2.72.7其他平面?zhèn)鬏斁€其他平面?zhèn)鬏斁€微波常用傳輸線矩形波導圓波導平行雙線同軸線微帶線2.1 引言2.1 引言平面?zhèn)鬏斁€平面?zhèn)鬏斁€微帶線微帶線帶狀線帶狀線懸置微帶和倒懸置微帶和倒置微帶置微帶槽線與共面波導槽線與共面波導相速和波長相速和波長特性阻抗特性阻抗衰減常數(shù)衰減常數(shù)功率容量功率容量設(shè)計原則設(shè)計原則微波平面?zhèn)鬏斁€通常由介質(zhì)基片、介質(zhì)基片上的導帶

2、與金微波平面?zhèn)鬏斁€通常由介質(zhì)基片、介質(zhì)基片上的導帶與金屬接地層組成，制備工藝包括厚膜工藝和薄膜工藝。屬接地層組成，制備工藝包括厚膜工藝和薄膜工藝。2.1 引言對基片材料的要求對基片材料的要求: :（1 1）較高的介電常數(shù)，使電路小型化）較高的介電常數(shù)，使電路小型化( (針對微波頻率針對微波頻率) )；（2 2）低損耗；）低損耗；（3 3）介電常數(shù)）介電常數(shù) 穩(wěn)定；穩(wěn)定；（4 4）純度高，性能一致性好；）純度高，性能一致性好；（5 5）表面光潔度高，金屬附著力好；）表面光潔度高，金屬附著力好；（6 6）擊穿強度高）擊穿強度高, , 導熱性好導熱性好( (針對大功率針對大功率) )。2.1 引言材

3、料名稱材料名稱表面粗糙表面粗糙度（度（umum）10GHz10GHz時的時的損耗正切（損耗正切（10-10-4 4）介電常介電常數(shù)數(shù)導熱率導熱率（W/cmW/cm）應用與特點應用與特點FR4FR4環(huán)氧玻環(huán)氧玻纖布基板纖布基板101510152.52.82.52.8厘米波段厘米波段MICMIC價格低，加工容易價格低，加工容易氧化鋁氧化鋁99%99%215215252599.599.50.30.3厘米至毫米波段厘米至毫米波段藍寶石藍寶石0.510.511 199.599.50.40.4毫米波毫米波MICMIC高介陶瓷高介陶瓷1212208020800.010.050.010.05用于小尺寸電路用于

4、小尺寸電路聚四氟乙烯聚四氟乙烯纖維加強板纖維加強板4304302.24.02.24.0毫米波毫米波MICMIC石英石英0.10.50.10.51 13.83.80.010.01毫米波毫米波MICMIC，但易，但易碎碎氧化鈹氧化鈹2102101 16.66.62.52.5導熱好，用于功率導熱好，用于功率器件器件硅硅1 1101001010012121.51.5MMICMMIC砷化鎵砷化鎵1 16 612.912.90.460.46MMICMMIC磷化銦磷化銦14140.680.68MMICMMIC碳化硅碳化硅10103.33.3MMICMMIC2.1 引言2.1 引言性能：性能：超常的層間結(jié)合；

5、超常的層間結(jié)合；低吸水率；低吸水率；增強的尺寸穩(wěn)定性；增強的尺寸穩(wěn)定性；低低Z Z軸膨脹；軸膨脹；頻率使用范圍穩(wěn)定的介電常數(shù)；頻率使用范圍穩(wěn)定的介電常數(shù)；增強的撓性強度。增強的撓性強度。應用：功率放大器；濾波器和連結(jié)器；無源元器件；天線。應用：功率放大器；濾波器和連結(jié)器；無源元器件；天線。Rogers RT/duroid 5880Rogers RT/duroid 5880高頻層高頻層壓板使用在壓板使用在: :商用航空電話電路商用航空電話電路微帶線和帶狀線電路微帶線和帶狀線電路毫米波應用毫米波應用軍用雷達系統(tǒng)軍用雷達系統(tǒng)導彈制導系統(tǒng)導彈制導系統(tǒng)點對點數(shù)字無線電天線點對點數(shù)字無線電天線2.1 引言

6、2.1 引言有機物柔性基板：有機物柔性基板：LCPLCP、polyimide filmpolyimide filmConsiderably cheaper than the Teflon-like dielectrics.Considerably cheaper than the Teflon-like dielectrics.Mechanical stability is a few times higher than for a polyiMechanical stability is a few times higher than for a polyimide.mide.Its CTE

7、 of 16 ppm/Its CTE of 16 ppm/ C is close to that of a copper conducC is close to that of a copper conductor, resulting in low warpage after etch.tor, resulting in low warpage after etch.High moisture and chemical resistance.High moisture and chemical resistance.Nearly constant dielectric permittivit

8、y and a low dielectric Nearly constant dielectric permittivity and a low dielectric loss tangent (r = 3, tan = 0.004 at 35 GHz) up to 11loss tangent (r = 3, tan = 0.004 at 35 GHz) up to 110 GHz.0 GHz.對于金屬材料的要求：對于金屬材料的要求：（1 1）高的導電率；）高的導電率；（2 2）低的電阻溫度系數(shù)；）低的電阻溫度系數(shù)；（3 3）對基片的附著性能好）對基片的附著性能好; ;（4 4）好的刻蝕性和

9、可焊接性）好的刻蝕性和可焊接性; ;（5 5）易于淀積和電鍍。）易于淀積和電鍍。2.1 引言材料材料 表面電阻表面電阻率率(f單位單位:Hz)趨膚深度趨膚深度2GHz（m）熱膨脹系數(shù)熱膨脹系數(shù)（10-8/）與介質(zhì)與介質(zhì)附著力附著力工藝方法工藝方法銀（銀（Ag）2.51.421差差蒸發(fā)蒸發(fā)銅（銅（Cu）2.61.518差差電鍍電鍍/蒸發(fā)蒸發(fā)/淀積淀積金（金（Au）3.01.715差差電鍍電鍍/蒸發(fā)蒸發(fā)鋁（鋁（Al）3.31.926差差蒸發(fā)蒸發(fā)鉻（鉻（Cr）4.72.79好好蒸發(fā)蒸發(fā)鈀（鈀（pd）3.611中中蒸發(fā)蒸發(fā)/電鍍電鍍/濺射濺射鉭鉭(Ta)7.24.06.6好好濺射濺射2.1 引言常用的

10、是二至四層結(jié)構(gòu)，如鉻常用的是二至四層結(jié)構(gòu)，如鉻- -金（金（Cr-AuCr-Au）、鎳鉻）、鎳鉻- -金（金（Ni Cr-AuNi Cr-Au）、鈦）、鈦- -鉑鉑- -金金（Ti-Pt-AuTi-Pt-Au）、鈦）、鈦- -鈀鈀- -金（金（Ti-Pd-AuTi-Pd-Au）、鈦）、鈦- -銅銅- -金（金（Ti-Cu-AuTi-Cu-Au）、鉻）、鉻- - -銅銅- -鉻鉻- -金（金（Cr-Cr-Cu-Cr-AuCu-Cr-Au）等。）等。MICMIC主要工藝過程：主要工藝過程：2.1 引言基片處理基片處理研磨拋光研磨拋光鍍膜鍍膜金屬層減薄金屬層減薄版圖制作版圖制作圖形放大圖形放大照相制

11、版照相制版光刻腐蝕光刻腐蝕甩膠甩膠曝光曝光腐蝕腐蝕接地接地/ /電鍍電鍍接地金屬化接地金屬化電鍍防護電鍍防護 光刻薄膜工藝光刻薄膜工藝2.1 引言曝光（曝光（Exposure）a、接觸式曝光（、接觸式曝光（Contact Printing） 1970年前，設(shè)備簡單年前，設(shè)備簡單,污染嚴重，壽命污染嚴重，壽命低，分辨率低，分辨率 0.5m。b、接近式曝光（、接近式曝光（Proximity Printing） 1970年后，間距大約為年后，間距大約為1050m，引入衍射效應，分辨率引入衍射效應，分辨率 24m。c、投影式曝光（、投影式曝光（Projection Printing） 使用透鏡聚集光實

12、現(xiàn)曝光，提高了分使用透鏡聚集光實現(xiàn)曝光，提高了分辨率，掩模板的制作更加容易，掩膜辨率，掩模板的制作更加容易，掩膜板上的缺陷影響減小。板上的缺陷影響減小。70年代末年代末80年代初，掃描投影曝光，年代初，掃描投影曝光， 1m工藝；掩模板比例工藝；掩模板比例1：1；80年代末年代末90年代，步進重復投影曝光年代，步進重復投影曝光， 0.35m0.25，比例，比例4：190年代末至今，掃描步進投影曝光，年代末至今，掃描步進投影曝光， 0.18m工藝工藝2.1 引言 電子束刻蝕薄膜工藝電子束刻蝕薄膜工藝2.1 引言 薄膜與厚膜工藝產(chǎn)品之差異分析薄膜與厚膜工藝產(chǎn)品之差異分析2.1 引言薄膜工藝薄膜工藝厚

13、膜工藝厚膜工藝精度精度高，高， 1%1%較低，較低， 10%10%鍍層材料鍍層材料材料穩(wěn)定度高材料穩(wěn)定度高易受漿料影響易受漿料影響鍍層表面鍍層表面表面平整度高，誤差表面平整度高，誤差0.3m0.3m較差，誤差較差，誤差3m3m設(shè)備設(shè)備成本高成本高成本低成本低鍍層附著鍍層附著性性無需高溫燒結(jié)，不含無需高溫燒結(jié)，不含氧化物、附著性好氧化物、附著性好易受基板材質(zhì)影易受基板材質(zhì)影響響電路對準電路對準使用曝光顯影，對準使用曝光顯影，對準性高性高易受絲網(wǎng)張力及易受絲網(wǎng)張力及使用次數(shù)影響，使用次數(shù)影響，對準性較差對準性較差2.2 微帶線微帶線微帶線目前是混合微波集成電路（微帶線目前是混合微波集成電路（HMI

14、CHMIC）和單片微波集成電）和單片微波集成電路（路（MMICMMIC）以及多芯片組件（）以及多芯片組件（MCMMCM）使用最多的一種平面型）使用最多的一種平面型傳輸線。傳輸線。微帶線結(jié)構(gòu)及內(nèi)部場結(jié)構(gòu)微帶線結(jié)構(gòu)及內(nèi)部場結(jié)構(gòu) 微帶線的優(yōu)缺點：微帶線的優(yōu)缺點： 與波導、同軸線等立體電路相比的主要優(yōu)點在于：與波導、同軸線等立體電路相比的主要優(yōu)點在于： （1 1）體積小、重量輕；）體積小、重量輕； （2 2）采用的半空間開放電路結(jié)構(gòu)，便于與固體器件進）采用的半空間開放電路結(jié)構(gòu)，便于與固體器件進行連接；行連接； （3 3）電路的可靠性和性能得到改善，同時制造成本低）電路的可靠性和性能得到改善，同時制造成

15、本低。 但也存在以下問題有待解決：但也存在以下問題有待解決： （1 1）傳輸線的損耗較大；）傳輸線的損耗較大； （2 2）散熱較差、介質(zhì)基片在高電壓下容易擊穿問題。）散熱較差、介質(zhì)基片在高電壓下容易擊穿問題。2.2 微帶線微帶線微帶線可以看成由平行雙線演變而來微帶線可以看成由平行雙線演變而來2.2.1 概要概要平行雙線到微帶線的演變過程平行雙線到微帶線的演變過程微帶線發(fā)展歷史微帶線發(fā)展歷史 1952年，年， Grieg and Engelmann，首次發(fā)表關(guān)于帶狀，首次發(fā)表關(guān)于帶狀線（線（stripline）的報道，）的報道， “Microstrip-A New Transmission Te

16、chnique for the Klilomegacycle Range” ，IRE proceeding 1955年，年， ITT Ferearl munications Laboratories（New Jersey）, 報道了多篇關(guān)于微帶線的報道，報道了多篇關(guān)于微帶線的報道，IEEE transactions on Microwave Theory and Technique. 1960年，薄基片厚度的微帶線流行。年，薄基片厚度的微帶線流行。2.2.1 概要概要微帶線由介質(zhì)基片、介質(zhì)基片微帶線由介質(zhì)基片、介質(zhì)基片上的導帶與金屬接地層組成。上的導帶與金屬接地層組成。2.2.1 概要概要微帶

17、線構(gòu)成微帶線構(gòu)成微帶線的微帶線的特性參數(shù)特性參數(shù)0( )( )dV zI z Z dz 0( )( )dI zV z Y dz22002( )( )( )d V zZ YV zV zdz22002( )( )( )d I zZ Y I zI zdz傳輸線電壓、電流波動方程傳輸線電壓、電流波動方程均勻傳輸線電壓、電流微均勻傳輸線電壓、電流微分方程或電報方程分方程或電報方程000ZRj L000YGj C2.2.2 微帶線特性分析微帶線特性分析 空氣微帶線特性阻抗：空氣微帶線特性阻抗：Zv C010011傳輸波的相速范圍傳輸波的相速范圍 vvvprp0單位長度分布電容范圍單位長度分布電容范圍 CC

18、Cr01001特性阻抗范圍特性阻抗范圍 ZZZr01001 TEMTEM模無耗傳輸線的特性阻抗：模無耗傳輸線的特性阻抗： Zv Cp001當微帶線的周圍全部用相對介電常數(shù)為當微帶線的周圍全部用相對介電常數(shù)為 的介質(zhì)填充時，的介質(zhì)填充時，其特性阻抗為其特性阻抗為rZZr0012.2.2 微帶線特性分析微帶線特性分析vvpre0相速為相速為相波長為相波長為 pre0單位長度分單位長度分布電容為布電容為 CCre001特性阻抗為特性阻抗為 ZZre001rerCCq00111式中式中q q為填充因子，表示介質(zhì)填充的程度為填充因子，表示介質(zhì)填充的程度 qhw121110122.2.2 微帶線特性分析微

19、帶線特性分析微帶線的周圍為非均勻介質(zhì)填充時，引入相對等效介電常數(shù)微帶線的周圍為非均勻介質(zhì)填充時，引入相對等效介電常數(shù)微帶線的分析方法微帶線的分析方法1952年時，年時， Grieg and Engelmann采用分析方法基于平行雙線的準靜態(tài)分采用分析方法基于平行雙線的準靜態(tài)分析。析。20世紀世紀60年代，保角變換、格林函數(shù)、年代，保角變換、格林函數(shù)、有限差分法等發(fā)展；有限差分法等發(fā)展；1971年時，嚴格的場解方法已經(jīng)能夠計年時，嚴格的場解方法已經(jīng)能夠計算色散特性。算色散特性。2.2.2 微帶線特性分析微帶線特性分析微帶線特性分析微帶線特性分析u微帶線分析方法有兩種：微帶線分析方法有兩種：u（1

20、 1）準靜態(tài)法）準靜態(tài)法u（2 2）全波分析法）全波分析法u把微帶線的工作模式當作把微帶線的工作模式當作TEMTEM模來分析，這種分析方法模來分析，這種分析方法稱為稱為“準靜態(tài)分析法準靜態(tài)分析法” ” 。u全波分析法是利用高等電磁理論，求滿足完整全波分析法是利用高等電磁理論，求滿足完整MaxwellMaxwell方方程式及邊界條件的電磁場之解。程式及邊界條件的電磁場之解。2.2.2 微帶線特性分析微帶線特性分析28準靜態(tài)分析：步驟準靜態(tài)分析：步驟1 假設(shè)介質(zhì)不存在，金屬導體之外到處都是空氣，算假設(shè)介質(zhì)不存在，金屬導體之外到處都是空氣，算出其每單位長電容及電感分別為出其每單位長電容及電感分別為C

21、0C0及及L0L0，此時，此時: : 特性阻抗為特性阻抗為相位傳播常數(shù)為相位傳播常數(shù)為 000/CLZa000CLa2.2.2 微帶線特性分析微帶線特性分析29準靜態(tài)分析：步驟準靜態(tài)分析：步驟2u放入介質(zhì)，利用數(shù)值方法（如：保角變換、有限差分、放入介質(zhì)，利用數(shù)值方法（如：保角變換、有限差分、積分方程和變分法）求出其單位長電容積分方程和變分法）求出其單位長電容C C，每單位長電感，每單位長電感仍為仍為L0L0，于是微帶線的特性阻抗與相位傳播常數(shù)分別為，于是微帶線的特性阻抗與相位傳播常數(shù)分別為: :000aLCZZCC00aCLCC2.2.2 微帶線特性分析微帶線特性分析兩種情況下，上述準靜態(tài)兩種

22、情況下，上述準靜態(tài)法將不適用：法將不適用：介質(zhì)厚度和波長相比擬；介質(zhì)厚度和波長相比擬；頻率較高時，例如毫米波頻率較高時，例如毫米波頻段的高端。頻段的高端。原因：存在高階模式！原因：存在高階模式！利用全波法求解，可獲得利用全波法求解，可獲得更為準確的微帶線特性阻更為準確的微帶線特性阻抗和有效介電常數(shù)?？购陀行Ы殡姵?shù)。fre,Zc2.2.2 微帶線特性分析微帶線特性分析不論準靜態(tài)分析或全波分析都很難找到簡單的公式不論準靜態(tài)分析或全波分析都很難找到簡單的公式解，而必需利用數(shù)值方法，以電腦計算數(shù)值解。解，而必需利用數(shù)值方法，以電腦計算數(shù)值解。市面上有許多商用軟件可作微帶線的準靜態(tài)分析及市面上有許多商

23、用軟件可作微帶線的準靜態(tài)分析及全波分析全波分析 。優(yōu)缺點：精度高、但計算效率太低，無法滿足工程優(yōu)缺點：精度高、但計算效率太低，無法滿足工程需要。需要。半經(jīng)驗解析公式半經(jīng)驗解析公式利用近似物理模型或純經(jīng)驗表達式與測量結(jié)果，導利用近似物理模型或純經(jīng)驗表達式與測量結(jié)果，導出傳播常數(shù)與特性阻抗的公式；出傳播常數(shù)與特性阻抗的公式；例：例：Bahl Bahl 與與Garg Garg 的準靜態(tài)公式的準靜態(tài)公式( (與實驗結(jié)果結(jié)果相與實驗結(jié)果結(jié)果相當吻合當吻合) )2.2.2 微帶線特性分析微帶線特性分析uBahl Bahl 與與 Garg Garg 準靜態(tài)公式計算結(jié)果準靜態(tài)公式計算結(jié)果 介質(zhì)基板厚度介質(zhì)基板

24、厚度100mm，金屬，金屬帶條厚度帶條厚度3mm； 相同的頻率、基板厚度、及金相同的頻率、基板厚度、及金屬帶條厚度之下，微帶線的特屬帶條厚度之下，微帶線的特性阻抗與傳播特性只與金屬帶性阻抗與傳播特性只與金屬帶條寬度有關(guān)；條寬度有關(guān)； 其他條件固定時，金屬帶條越其他條件固定時，金屬帶條越寬，其特性阻抗越小，而相對寬，其特性阻抗越小，而相對介電常數(shù)越大；介電常數(shù)越大； 可輕易在同一塊電路板作出不可輕易在同一塊電路板作出不同特性阻抗傳輸線。同特性阻抗傳輸線。r,w,hre,Zc2.2.2 微帶線特性分析微帶線特性分析2.2.2 微帶線特性分析微帶線特性分析r=934色散色散(Dispersion)u

25、 色散：電磁波的傳播速度隨其頻率變化而變化的現(xiàn)象。色散：電磁波的傳播速度隨其頻率變化而變化的現(xiàn)象。u微帶線不傳播微帶線不傳播TEMTEM波波u全波分析顯示其有效相對介點常數(shù)（全波分析顯示其有效相對介點常數(shù)（ re) re)和特性阻抗都和特性阻抗都會隨頻率變化，稱為色散；會隨頻率變化，稱為色散；u有效相對介電常數(shù)有效相對介電常數(shù)rere下相位傳播常數(shù)為：下相位傳播常數(shù)為：u也有研究人員提出色散模型的半經(jīng)驗公式也有研究人員提出色散模型的半經(jīng)驗公式u例：例：HammerstadHammerstad與與JensenJensen的特性阻抗公式的特性阻抗公式 ；u例：例：M.KobayashiM.Koba

26、yashi的有效相對介電常數(shù)公式；的有效相對介電常數(shù)公式；u均不必記，可寫成函數(shù)，使用時調(diào)用就可均不必記，可寫成函數(shù)，使用時調(diào)用就可 re002.2.2 微帶線特性分析微帶線特性分析Hammerstad特性阻抗公式（誤差范圍特性阻抗公式（誤差范圍0，則需要對，則需要對前式中帶條寬度前式中帶條寬度w以有效寬度以有效寬度we進行修正，即進行修正，即： we=w+w。在介電常數(shù)。在介電常數(shù)2 r 6、w/h1.25和和0.1t/w5h，側(cè)壁與微帶間距，側(cè)壁與微帶間距5w時，可以時，可以忽略。忽略。2.2.2 微帶線特性分析微帶線特性分析37u色散效應影響色散效應影響 特性阻抗和有效介電常數(shù)隨頻率變化

27、很特性阻抗和有效介電常數(shù)隨頻率變化很小，我們可以引用一經(jīng)驗公式：小，我們可以引用一經(jīng)驗公式： 其中其中fdfd的單位為的單位為GHzGHz，h h的單位為的單位為cmcm。當。當ffdffd時，色散效應可以時，色散效應可以忽略。忽略。 例例 采用相對介電常數(shù)為采用相對介電常數(shù)為2.22.2，厚度為，厚度為0.254mm0.254mm的介質(zhì)基片作為微的介質(zhì)基片作為微帶線的襯底時，對于帶線的襯底時，對于5050歐姆阻抗線而言，色散效應可以忽略的歐姆阻抗線而言，色散效應可以忽略的最高頻率是多少？最高頻率是多少？2.2.2 微帶線特性分析微帶線特性分析2.2.2 微帶線特性分析微帶線特性分析微帶線中傳

28、輸模式微帶線中傳輸模式u空氣介質(zhì)的微帶線存在無色散的空氣介質(zhì)的微帶線存在無色散的TEM模。模。u實際微帶線是制作在介質(zhì)基片上的，是實際微帶線是制作在介質(zhì)基片上的，是TE模和模和TM模的模的混合模?；旌夏！微帶線中的傳輸模式類似于微帶線中的傳輸模式類似于TEM模，故稱為準模，故稱為準TEM模。模。2.2.2 微帶線特性分析微帶線特性分析40微帶線無法傳播微帶線無法傳播TEM波說明波說明u空氣與介質(zhì)的交界面上電場的空氣與介質(zhì)的交界面上電場的切線方向分量連續(xù)，因此切線方向分量連續(xù)，因此axdxEE 下標下標d和和a分別表示交界面的分別表示交界面的介質(zhì)側(cè)及空氣側(cè)。介質(zhì)側(cè)及空氣側(cè)。2.2.2 微帶線特

29、性分析微帶線特性分析41微帶線無法傳播微帶線無法傳播TEM波說明波說明u利用利用Maxwell 方程式可得方程式可得u在直角坐標系展開，且利用交界在直角坐標系展開，且利用交界面兩側(cè)磁場強度法線方向分量連面兩側(cè)磁場強度法線方向分量連續(xù)的條件續(xù)的條件(假定介質(zhì)的假定介質(zhì)的r=1) axdxHH)()(zHyHyHyrdzazr12.2.2 微帶線特性分析微帶線特性分析微帶線無法傳播微帶線無法傳播TEM波說明波說明u由于由于 大于大于1，而且界面上的，而且界面上的Hy不為零，它對不為零，它對z的變化也不為零，的變化也不為零，因此式右邊的項不會是零，依據(jù)因此式右邊的項不會是零，依據(jù)上面的公式，其左方的

30、項因此不上面的公式，其左方的項因此不能為零，所以能為零，所以Hz也就不可以是也就不可以是0。rzHyHyHyrdzazr1無法滿足無法滿足TEMTEM波波Hz=0Hz=0！ 2.2.2 微帶線特性分析微帶線特性分析uTE10TE10模截止波長為模截止波長為 uTM01TM01模截止波長為模截止波長為 波導模波導模: : u微帶線中的高次模：波導模和表面波模微帶線中的高次模：波導模和表面波模波導模是指在金屬導帶與接地板之間構(gòu)成有限寬度的平板波波導模是指在金屬導帶與接地板之間構(gòu)成有限寬度的平板波導中存在的導中存在的TETE、TMTM模。平板波導的最低模。平板波導的最低TETE模和模和TMTM模是模

31、是TE10TE10模、模、TM01TM01模。模。rcw210TEh2rc2.2.2 微帶線特性分析微帶線特性分析微帶線中的主模和高次模微帶線中的主模和高次模u表面波模表面波模TE1TE1模截止波長模截止波長: :u表面波表面波TM0TM0模截止波長：模截止波長：表面波模表面波模: : 141crTEh0cTM微帶線的單模工作條件微帶線的單模工作條件: :min(20.8 )41rrWhh 例例 ：對于石英基片，相對介電常數(shù)為：對于石英基片，相對介電常數(shù)為3.83.8，工作在，工作在100GHz100GHz時，時，要求最低表面模與準要求最低表面模與準TEMTEM模之間耦合可以忽略下，石英基片的

32、模之間耦合可以忽略下，石英基片的厚度不能超過多少？厚度不能超過多少？2.2.2 微帶線特性分析微帶線特性分析2.2.3微帶線的損耗微帶線的損耗微帶線的損耗主要分為三部分：微帶線的損耗主要分為三部分：（1 1）介質(zhì)損耗：當電流通過介質(zhì)時，由于介質(zhì)分子）介質(zhì)損耗：當電流通過介質(zhì)時，由于介質(zhì)分子交替著極化和晶格來回碰撞，而產(chǎn)生的損耗。交替著極化和晶格來回碰撞，而產(chǎn)生的損耗。（2 2）導體損耗：微帶線的導體帶條和接地板均具有）導體損耗：微帶線的導體帶條和接地板均具有有限的電導率，電流通過時必然引起損耗，是微帶線有限的電導率，電流通過時必然引起損耗，是微帶線損耗的主要部分。損耗的主要部分。（3 3）輻射

33、損耗：由微帶線場結(jié)構(gòu)的半開放性所引起。）輻射損耗：由微帶線場結(jié)構(gòu)的半開放性所引起。為避免輻射，減小損耗，并防止有其他電路的影響，為避免輻射，減小損耗，并防止有其他電路的影響，一般的微帶電路均裝在金屬屏蔽盒中。一般的微帶電路均裝在金屬屏蔽盒中。2.2.3微帶線的損耗微帶線的損耗20llPPe20(1)lPPe21-2lel001=22PpPlPp p為單位長度傳輸線的功率損耗為單位長度傳輸線的功率損耗 在電場作用下，能產(chǎn)生極化的一切物質(zhì)又被稱之為電介質(zhì)。在電場作用下，能產(chǎn)生極化的一切物質(zhì)又被稱之為電介質(zhì)。 如果將一塊電介質(zhì)放入一平行電場中，則可發(fā)現(xiàn)在介質(zhì)表面如果將一塊電介質(zhì)放入一平行電場中，則可

34、發(fā)現(xiàn)在介質(zhì)表面感應出了電荷，即正極板附近的電介質(zhì)感應出了負電荷，負感應出了電荷，即正極板附近的電介質(zhì)感應出了負電荷，負極板附近的介質(zhì)表面感應出正電荷。極板附近的介質(zhì)表面感應出正電荷。 這種電介質(zhì)在電場作用下產(chǎn)生感生電荷的現(xiàn)象，稱之為電介這種電介質(zhì)在電場作用下產(chǎn)生感生電荷的現(xiàn)象，稱之為電介質(zhì)的極化。感應電荷產(chǎn)生的原因在于介質(zhì)內(nèi)部質(zhì)點質(zhì)的極化。感應電荷產(chǎn)生的原因在于介質(zhì)內(nèi)部質(zhì)點( (原子、原子、分子、離子分子、離子) )在電場作用下正負電荷重心的分離，變成了偶在電場作用下正負電荷重心的分離，變成了偶極子。不同的偶極子有不同的電偶極矩，電偶極矩的方向與極子。不同的偶極子有不同的電偶極矩，電偶極矩的方

35、向與外電場方向一致。外電場方向一致。2.2.3微帶線的損耗微帶線的損耗u電介質(zhì)基本概念電介質(zhì)基本概念材料極化2.2.3微帶線的損耗微帶線的損耗電介質(zhì)參數(shù)：電介質(zhì)參數(shù)：介電常數(shù)：以絕緣材料為介質(zhì)與以真介電常數(shù)：以絕緣材料為介質(zhì)與以真空為介質(zhì)制成同尺寸電容器的電容空為介質(zhì)制成同尺寸電容器的電容量之比值。量之比值。 表示在單位電場中，單位體積內(nèi)表示在單位電場中，單位體積內(nèi)積蓄的靜電能量的大小。是表征電積蓄的靜電能量的大小。是表征電介質(zhì)極化并儲存電荷的能力，是個介質(zhì)極化并儲存電荷的能力，是個宏觀物理量。宏觀物理量。介質(zhì)損耗介質(zhì)損耗 ： 置于交流電場中的介質(zhì)，置于交流電場中的介質(zhì)，以內(nèi)部發(fā)熱以內(nèi)部發(fā)熱(

36、溫度升高溫度升高)形式表現(xiàn)出來形式表現(xiàn)出來的能量損耗。的能量損耗。2.2.3微帶線的損耗微帶線的損耗電介質(zhì)參數(shù)：電介質(zhì)參數(shù)：介質(zhì)損耗角介質(zhì)損耗角 對電介質(zhì)施加交流電壓，介質(zhì)內(nèi)對電介質(zhì)施加交流電壓，介質(zhì)內(nèi)部流過的電流相量與電壓相量之間部流過的電流相量與電壓相量之間的夾角的余角。的夾角的余角。介質(zhì)損耗角正切介質(zhì)損耗角正切 對電介質(zhì)施以正弦波電壓對電介質(zhì)施以正弦波電壓,外施外施電壓與相同頻率的電流之間相角的電壓與相同頻率的電流之間相角的余角余角的正切值的正切值tg.其物理意義是：其物理意義是：2.2.3微帶線的損耗微帶線的損耗分子結(jié)構(gòu)極性越強, 和tg越大.非極性材料的極化程度小,和tg都較小. t

37、g 大，損耗大，材料發(fā)熱。 電容介質(zhì) ： 大，tg 小 作絕緣材料或電容器材料的高聚物,介電損耗越小越好 航空航天材料 小，tg 大，靜電小 高頻焊接：薄膜封口，tg 大 需要通過高頻加熱進行干燥,模塑或?qū)λ芰线M行高頻焊接時,要求高聚物的介電損耗越大越好. 高頻電纜用PE(非極性)而不用PVC (極性) 2.2.3微帶線的損耗微帶線的損耗u介質(zhì)損耗：介質(zhì)損耗：010122ddpP11為介質(zhì)的介電常數(shù)，為介質(zhì)的介電常數(shù)， 0 0為導磁率，并把存在的介質(zhì)損耗為導磁率，并把存在的介質(zhì)損耗用一個等效損耗電導用一個等效損耗電導1 1 來表示。來表示。 當有介質(zhì)損耗時，其有功電流密度和無功電流密度各為當有

38、介質(zhì)損耗時，其有功電流密度和無功電流密度各為1E1E和和j1Ej1E。兩者大小比值的正切是衡量介質(zhì)損耗的一個。兩者大小比值的正切是衡量介質(zhì)損耗的一個基本參量，稱為損耗角正切：基本參量，稱為損耗角正切： 11tan =dtan27.3/gdB cm通常該損耗與導體損耗相比往往可以忽略不計，但在介質(zhì)吸通常該損耗與導體損耗相比往往可以忽略不計，但在介質(zhì)吸水或含有其他雜質(zhì)時，介質(zhì)損耗將會增大。水或含有其他雜質(zhì)時，介質(zhì)損耗將會增大。2.2.3微帶線的損耗微帶線的損耗電場全部浸在電場全部浸在介質(zhì)中時介質(zhì)中時u導體損耗：導體損耗：00=(/)0.86822cccRRN mZZ（dB/m）表面電阻系數(shù)表面電阻

39、系數(shù)R0c趨膚深度趨膚深度c表面不平度表面不平度c要求：要求：1.表面粗糙度表面粗糙度5趨附深度。趨附深度。2.2.3微帶線的損耗微帶線的損耗總損耗隨基片厚度的變化情況總損耗隨基片厚度的變化情況f,r,hT2.2.3微帶線的損耗微帶線的損耗Q一段微帶線上的最大儲能 2一段微帶線一個周期內(nèi)的損耗能量品質(zhì)因數(shù)品質(zhì)因數(shù)Q Q值的定義：值的定義： 由于傳輸線上損耗的能量分成介質(zhì)、導體和輻射損耗，因由于傳輸線上損耗的能量分成介質(zhì)、導體和輻射損耗，因此也有相應的此也有相應的Qc(Qc(導體損耗對應導體損耗對應Q Q值值) )、QdQd（介質(zhì)損耗對應（介質(zhì)損耗對應Q Q值）值）和輻射損耗和輻射損耗Qr( Q

40、r( 輻射損耗對應的輻射損耗對應的Q Q值值), ),它們的關(guān)系是它們的關(guān)系是 ：1111=cdrQQQQ微帶線的品質(zhì)因素微帶線的品質(zhì)因素2.2.4微帶線的品質(zhì)因素微帶線的品質(zhì)因素與波導、同軸線相比，微帶的與波導、同軸線相比，微帶的Q Q值通常要低一至二個數(shù)量級值通常要低一至二個數(shù)量級品質(zhì)因數(shù)隨基片厚度的變化情況品質(zhì)因數(shù)隨基片厚度的變化情況對一個給定頻率，存在一個對一個給定頻率，存在一個使使Q值最大的最佳基片厚度值最大的最佳基片厚度hoptf,rhopt（原因：輻射損耗（原因：輻射損耗 ）2.2.4微帶線的品質(zhì)因素微帶線的品質(zhì)因素毫米波電路尺寸小，制造公差問題比較突出毫米波電路尺寸小，制造公差

41、問題比較突出公差的影響公差的影響低介電常數(shù)的薄低介電常數(shù)的薄基片允許的公差基片允許的公差相對大一些相對大一些2.2.5微帶線的公差影響微帶線的公差影響rerS0rZSu最高工作頻率受限于最高工作頻率受限于u寄生模的激勵寄生模的激勵u過高的損耗過高的損耗u色散色散u嚴重的不連續(xù)效應嚴重的不連續(xù)效應u輻射引起的輻射引起的Q Q值降低值降低u嚴格的制造公差嚴格的制造公差u加工安裝損壞加工安裝損壞u制造工藝的限制制造工藝的限制 頻率上限頻率上限2.2.6 微帶線的工作頻率極限微帶線的工作頻率極限目前理論表明，普目前理論表明，普通微帶線結(jié)構(gòu)最高通微帶線結(jié)構(gòu)最高工作頻率工作頻率110GHz.(36)W 和

42、和 2.3 帶狀線帶狀線特性阻抗：特性阻抗： 惠勒（Wheeler，H.A.）用保角變換法得到了如下有限厚度導體帶帶狀線特性阻抗公式2304 18 18 1Zln 1.6.27crmmmtbWtbWmnxbWxxxxxtbW1 . 1/0796. 02ln5 . 01)1 (2btxxx，1.3212n式中式中t t為導體帶的厚度。當為導體帶的厚度。當W / (b - t)10W / (b - t)h(Wh(即邊緣場的作用不大即邊緣場的作用不大) )時可用下列近似公式計算其特時可用下列近似公式計算其特性阻抗和等效介電常數(shù)：性阻抗和等效介電常數(shù)： cceZZ120 ()cahZw(1)rerca

43、hbah2.4 懸置微帶和倒置微帶2.5 槽線和共面波導槽線的場結(jié)構(gòu)和電流分布槽線的場結(jié)構(gòu)和電流分布槽線結(jié)構(gòu)示意圖槽線結(jié)構(gòu)示意圖TE波槽線的介質(zhì)基片必須用槽線的介質(zhì)基片必須用高介電常數(shù)材料高介電常數(shù)材料 共面波導有一個獨特的性質(zhì)，即其特性阻抗與共面波導有一個獨特的性質(zhì)，即其特性阻抗與基片的厚度幾乎無關(guān)。因此，可以利用低損耗基片的厚度幾乎無關(guān)。因此，可以利用低損耗高介電常數(shù)的材料作為基片來減小縱向電路尺高介電常數(shù)的材料作為基片來減小縱向電路尺寸，這對于低頻段的微波集成電路來說是特別寸，這對于低頻段的微波集成電路來說是特別重要的。重要的。共面波導的結(jié)構(gòu)示意圖共面波導的結(jié)構(gòu)示意圖共面波導的場強示意圖

44、共面波導的場強示意圖2.5 槽線和共面波導 準準TEMTEM模傳輸截止頻率高，適合極高頻集成電路應模傳輸截止頻率高，適合極高頻集成電路應用；色散效應比微帶線弱，適合寬帶電路設(shè)計。用；色散效應比微帶線弱，適合寬帶電路設(shè)計。100GHz 100GHz 放大器單片電路放大器單片電路2.5 槽線和共面波導缺點：缺點：微帶線的損耗要低于共面波導；微帶線的損耗要低于共面波導；微帶線的等效介電常數(shù)要高于共面波微帶線的等效介電常數(shù)要高于共面波導，因此具有更短的波長，從而具導，因此具有更短的波長，從而具有更小的分布效應；有更小的分布效應；共面波導的模型更為復雜，建模困難共面波導的模型更為復雜，建模困難。5-55

45、GHz 5-55GHz 分分布式放大器布式放大器單片電路單片電路2.5 槽線和共面波導 微帶線是一種非常好的傳輸線結(jié)構(gòu)，目前最高頻率可達微帶線是一種非常好的傳輸線結(jié)構(gòu)，目前最高頻率可達100GHz100GHz以上。但是在毫米波高端仍舊存在問題：以上。但是在毫米波高端仍舊存在問題：1. 1.輻射損耗大，電路中寄生模耦合明顯增加，電路輻射損耗大，電路中寄生模耦合明顯增加，電路Q Q值降值降低。低。2. 2.強烈的色散效應以及隨之而來的高次模傳輸?shù)目赡苄员貜娏业纳⑿约半S之而來的高次模傳輸?shù)目赡苄员厝粚е码娐贩€(wěn)定性下降。然導致電路穩(wěn)定性下降。3. 3.把多個電路集成在一起時，為減小電路間的有害耦

46、合必把多個電路集成在一起時，為減小電路間的有害耦合必須采用模式隔離或諧振吸收裝置。須采用模式隔離或諧振吸收裝置。2.6鰭線鰭線1972年，P.J.Meier提出的鰭線（Fishline）一種由介質(zhì)片支撐具有薄脊的加脊波導，或者一種帶有金屬鰭的介質(zhì)平板加載波導。鰭線傳播模式鰭線傳播的不是準TEM模，是TE和TM模系組成的混合模。若以TE模為主，習慣叫HE模（磁電模），若以TM為主，則用EH模（電磁膜）表示。設(shè)計得當，可以保證傳輸?shù)臑橹髂蔜E10模，最高工作頻率140GHz。鰭線的組成鰭線可認為是準平面結(jié)構(gòu)，既要制作電路圖形，又要考慮金屬波導盒影響。鰭線常用的基片材料為軟基板，例如RT-duroid 5880?；ǔ０卜旁诰匦尾▽面中心，用尼龍或者其他金屬螺釘固定裝配。為保持金屬鰭和金屬波導內(nèi)壁的射頻連續(xù)性，基片放置處的金屬波導寬壁壁厚應等于g/4。2.6鰭線鰭線2.6鰭線鰭線 鰭線橫截面結(jié)構(gòu)示意圖鰭線橫截面結(jié)構(gòu)示意圖（a a）雙側(cè)鰭線；（）雙側(cè)鰭線；（b b）單側(cè)鰭線；（）單側(cè)鰭線；（c c）斜對側(cè)鰭線；）斜對側(cè)鰭線；（d d）單側(cè)絕緣鰭線；（）單側(cè)絕緣鰭線；（e e）雙側(cè)絕緣鰭線）雙側(cè)絕緣鰭線損耗小，最常用損耗小，最常用隔離鰭線，隔離鰭線，偏置偏置低阻低阻抗電抗電路使路使用用雙面做電路，雙面做電路，但損耗較大但損耗較大2.6鰭線鰭線（a a）濾波器；諧振器；）濾波器；諧振器