微波技術(shù)基礎(chǔ)

微波技術(shù)基礎(chǔ)詹銘周電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院地點(diǎn)：清水河校區(qū)科研樓C305

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電郵：mzzhan@本課內(nèi)容1、第三章、微波集成傳輸線常用集成傳輸線的種類和主要特點(diǎn)2、第四章介質(zhì)波導(dǎo)和光波導(dǎo)1、傳播條件和波型2、特性阻抗3、波長，相速4、功率容量5、衰減了解微波集成傳輸線

微波集成傳輸線的最大特點(diǎn)是平面化五種重要的傳輸線：帶狀線（Stripline）微帶線（Microstripline）槽線（Slotline）鰭線（Finline）共面線（Coplanarline）注意耦合線結(jié)構(gòu)共面波導(dǎo)（CPW）共面帶線（CPS）接地共面波導(dǎo)（CBCPW）Conducter-backedCPW指元器件、傳輸線導(dǎo)帶等在同一平面按傳播模分類均勻介質(zhì)的多導(dǎo)體傳輸線均勻介質(zhì)的單導(dǎo)體傳輸線非均勻介質(zhì)的平面?zhèn)鬏斁€結(jié)構(gòu)帶狀線鰭線準(zhǔn)TEM模一、回顧帶狀線

1950年，R.M.Barrett發(fā)明了帶狀線，是一種三導(dǎo)體TEM波傳輸線。上下兩塊導(dǎo)體板是接地板，中間的導(dǎo)體帶位于上下板的對稱面上，導(dǎo)體帶與接地板之間可以是空氣介質(zhì)或填充其它介質(zhì)。故又稱為三板線或夾心線。帶狀線—優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用1、改變線寬一個(gè)參數(shù)就改變電路參數(shù)（特性阻抗）。2、在饋線、功分器，耦合器，濾波器，混頻器，開關(guān)的設(shè)計(jì)中，體積小，重量輕，大批量生產(chǎn)的重復(fù)性好。3、立體電路的設(shè)計(jì)，適用于多層微波電路，LTCC等，輻射小。4、封閉的電路，調(diào)試難。5、電路需要同軸或波導(dǎo)饋入，引入不連續(xù)性，需要在設(shè)計(jì)時(shí)補(bǔ)償。6、在多層電路設(shè)計(jì)中，存在不同節(jié)點(diǎn)常數(shù)的介質(zhì)之間的連接，介質(zhì)與金屬導(dǎo)體的連接，分析方法非常復(fù)雜，尤其對3D電路，尚缺少各種不連續(xù)性的模型和相關(guān)設(shè)計(jì)公式，采用全波分析法或者準(zhǔn)靜態(tài)場分析。3.2微帶線D.D.GriegandH.F.Englemann,“Microstrip—ANewTransmissionTechniquefortheKilomegacycleRange,”Proc.IRE,Vol.40,pp.1644–1650,Dec.1952.

微帶線的特性參量，如相位常數(shù)，特性阻抗等可由橫向截面的參數(shù)全部確定，方便與有源器件連接，是目前HMIC和MMIC中使用最廣泛的平面?zhèn)鬏斁€。

二、微帶線

微帶線1.直流到高頻均可傳輸2.方便與器件連接，（串并聯(lián)）3.方便器件和電路的在線測試(開放式平面?zhèn)鬏斀Y(jié)構(gòu))4.傳輸線的波導(dǎo)波長小，電路尺寸小5.結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，電路可靠性高，能夠承受高電壓和中等功率水平微波集成傳輸線－微帶線

微帶線可以看作由雙線傳輸線演變而來。在兩根導(dǎo)線之間插入極薄的理想導(dǎo)體平板，它并不影響原來的場分布，而后去掉板下的一根導(dǎo)線，并將留下的一根“壓扁”，即構(gòu)成了微帶線。微帶線中的主模是準(zhǔn)TEM模

準(zhǔn)TEM模（電磁場的縱向分量很?。┚哂猩⒊中裕@與純TEM模不同，而且隨著工作頻率的升高，這兩種模之間的差別也愈大。微波集成傳輸線－微帶線

傳輸媒質(zhì)為空氣和介質(zhì)的非均勻媒質(zhì)，微帶線的電磁場存在縱向分量，不能傳播純TEM波。但是，主模的縱向場分量遠(yuǎn)小于橫向場分量。因此，主模具有純TEM相似的特性；純TEM的分析方法也對微帶線適用?！獪?zhǔn)TEM近似法1970,Vendelin指出微帶線中除了準(zhǔn)TEM模外，還可能存在其它兩種高次模式：波導(dǎo)模（橫向諧振模）和表面波模

波導(dǎo)模是指在金屬導(dǎo)帶與接地板之間構(gòu)成有限寬度的平板波導(dǎo)中存在的TE、TM模（寬導(dǎo)體情況下）。最低橫向諧振模為TE模，與準(zhǔn)TEM模發(fā)生強(qiáng)耦合。平板波導(dǎo)的最低TE模和TM模是TE10模、TM01模，邊緣修正微波集成傳輸線－微帶線

表面波模：具有金屬接地板的介質(zhì)中傳播，存在于導(dǎo)帶的兩側(cè)。表面波中最低的TE和TM模分別是TE1模和TM0模。它們的截止波長分別為：TE1模激勵(lì)頻率低，但是相速高，與TEM發(fā)生強(qiáng)耦合的最低模的首先是TM0模。波導(dǎo)橫向諧振模易消除。表面波限制了微帶線的工作頻率上限。微波集成傳輸線－微帶線

工作頻率上限最后，抑制波導(dǎo)模和表面波，保證單模傳輸為微帶線設(shè)計(jì)中，金屬屏蔽盒高度取H≥（5~6）h，接地板寬度取L≥（5~6）W

微波集成傳輸線－微帶線

有效相對介電常數(shù)→準(zhǔn)TEM波引入的H.A.Wheeler,Transmission-linepropertiesofparallelwidestripsbyaconformalmappingapproximation,IEEETrans.MicrowaveTheoryTech.12:280–289(May1964).H.A.Wheeler,Transmission-linepropertiesofparallelstripsseparatedbyadielectricsheet,IEEETrans.MicrowaveTheoryTech.13:172–185(March1965).或者微波集成傳輸線－微帶線

3.2-14特性阻抗W/h>2的寬微帶線W/h<2的窄微帶線微波集成傳輸線－微帶線

介質(zhì)影響傳播速度E.HammerstadandO.Jensen,AccurateModelsformicrostripcomputer-aideddesign,IEEEMTT-SInt.MicrowaveSymp.Digest,1980,pp.407–409.

色散以上關(guān)于微帶線的結(jié)論都是在準(zhǔn)TEM近似下得出的?！行Ы殡姵?shù)、傳播速度、波導(dǎo)波長等與頻率無關(guān)。事實(shí)上由于微帶線結(jié)構(gòu)存在空氣和介質(zhì)的突變，在此邊界上會有縱向場分量，微帶線實(shí)際傳播的是混合波。色散：電磁波的傳播速度隨頻率變化的現(xiàn)象。微帶線——相對介電常數(shù)隨頻率變化——電磁波能量的傳播速度隨頻率變化——脈沖信號個(gè)各個(gè)頻率分量將以不同速度在微帶線上傳播——信號失真。4.

頻率接近的TE1表面波截止頻率時(shí)相速度出現(xiàn)拐點(diǎn)：E.HammerstadandO.Jensen,Accuratemodelsformicrostripcomputeraideddesign,IEEEMTT-SInt.MicrowaveSymp.Digest,1980,pp.407–409.M.Kobayashi,AdispersionformulasatisfyingrecentrequirementsinmicrostripCAD,IEEETrans.MicrowaveTheoryTech.MTT-36:1246–1250(1988).微帶線的衰減導(dǎo)體損耗，介質(zhì)損耗（耗散作用）——主要輻射損耗，寄生模式損耗——可忽略導(dǎo)體損耗介質(zhì)損耗

懸置或倒置微帶線中，電磁場的大部分處于空氣中，介質(zhì)影響不大，其有效相對介電常數(shù)εre接近于1，從而其特性參量接近空氣中的參量，線中損耗大大減小，具有比微帶線更高的Q值(500-1500)，接近于無色散，并且可實(shí)現(xiàn)的阻抗值范圍大，因此特別適合應(yīng)用于濾波器、諧振電路等Q值較高的場合。懸置微帶線的缺點(diǎn)是，與標(biāo)準(zhǔn)微帶線相比，結(jié)構(gòu)不緊湊。懸置或倒置微帶線傳輸?shù)闹髂Ｊ菧?zhǔn)TEM模微帶的改型——懸置微帶線和倒置微帶線3.4

懸置微帶線和倒置微帶線懸置微帶線倒置微帶線當(dāng)0.2<a/b<1，1<W/b<8,,精度在時(shí)優(yōu)于1%；3.4

懸置微帶線和倒置微帶線3.3

耦合帶狀線和耦合微帶線

奇偶模方法→采用奇模激勵(lì)和偶模激勵(lì)兩種狀態(tài)對它進(jìn)行分析，其它的激勵(lì)狀態(tài)可看作是這兩種狀態(tài)的疊加。

奇模激勵(lì)→在耦合線的兩個(gè)中心導(dǎo)體帶上加的電壓幅度相等，而相位相反→中心對稱面為電壁 偶模激勵(lì)→在耦合線的兩個(gè)中心導(dǎo)體帶上加的電壓幅度相等，相位相同→中心對稱面為磁壁3.3

耦合帶狀線和耦合微帶線

先求奇偶模電容、再求奇偶模阻抗槽線屬于分區(qū)填充介質(zhì)的導(dǎo)波系統(tǒng)，非TEM模，即Ez和Hz都不為零，屬于一種波導(dǎo)模。便于安置固體器件，但難以得到低于60Ω的特性阻抗。三、槽線無截至頻率ε

re=(εr+1)/2槽線四、共面?zhèn)鬏斁€

共面?zhèn)鬏斁€分共面波導(dǎo)（CPW）、共面帶線（CPS）等等。明顯優(yōu)點(diǎn)是與有源器件和無源元件連接十分方便。工作模式非TEM模傳播→便于MMIC共面波導(dǎo)共面波導(dǎo)3.6共面?zhèn)鬏斁€共面帶線第一類完全橢圓函數(shù)、余函數(shù)3.6共面?zhèn)鬏斁€2.共面帶線式中五、鰭線

雙側(cè)鰭線單側(cè)鰭線雙側(cè)非對稱鰭線對脊鰭線絕緣鰭線

安裝在金屬矩形波導(dǎo)E面上的平面電路，金屬鰭印刷在介質(zhì)基片上→應(yīng)用于毫米波頻段。 工作模式為混合模，特性參量計(jì)算較為復(fù)雜，采用譜域法等數(shù)值方法。3.7

鰭線

集成傳輸線總結(jié)微波集成傳輸線－分析方法

分析方法有兩類：解析方法和數(shù)值解法———目標(biāo)，傳輸線的特性阻抗和傳播常數(shù)。1、解析方法——準(zhǔn)靜態(tài)法把主模當(dāng)成純TEM分析，通過計(jì)算結(jié)構(gòu)的靜電容得出結(jié)果。包括：保角變換、變分法、有限差分和積分方程。準(zhǔn)靜態(tài)法在低頻情況下完全能滿足工程設(shè)計(jì)的需求。

2、數(shù)值方法——全波分析法考慮所有混合模式。積分方程方法，譜域法，以及時(shí)域有限差分法（FDTD）等，有限元法等。

全波分析方法更嚴(yán)格，可精確計(jì)算出與頻率相關(guān)的參數(shù)。介質(zhì)波導(dǎo)和光波導(dǎo)當(dāng)毫米波波段→亞毫米波段→太赫茲波段時(shí)普通的微帶線將出現(xiàn)一系列新問題1）高次模的出現(xiàn)使微帶的設(shè)計(jì)和使用復(fù)雜2）金屬波導(dǎo)的單模工作條件限制了其橫向尺寸不能超過大約一個(gè)波長的范圍。這在厘米波段和毫米波低頻段不成問題。但到毫米波高頻段，單模波導(dǎo)的尺寸就顯得太小，不僅制造工藝?yán)щy，而且隨著工作頻率的提高，功率容量越來越小，壁上損耗越來越大，衰減大到不能容忍的地步。因此，對毫米波段的高端及來說，封閉的金屬波導(dǎo)已不再適用。于是，適合于毫米波高頻段、亞毫米波的傳輸線——介質(zhì)波導(dǎo)等非封閉式的傳輸線（或稱開波導(dǎo)）便應(yīng)運(yùn)而生矩形介質(zhì)波導(dǎo)介質(zhì)鏡像波導(dǎo)隔離介質(zhì)波導(dǎo)倒置帶狀介質(zhì)波導(dǎo)圓柱介質(zhì)波導(dǎo)光纖介質(zhì)波導(dǎo)和光波導(dǎo)圓柱介質(zhì)波導(dǎo)要求傳輸?shù)碾姶挪楸砻娌?，是混合模，Hz≠0和Ez≠0分析方法與金屬園波導(dǎo)一樣，采用圓柱坐標(biāo)系、縱向場法介質(zhì)波導(dǎo)和光波導(dǎo)在不同介質(zhì)kc中取不同值在介質(zhì)柱內(nèi)，Ⅰ區(qū)在介質(zhì)柱內(nèi)，Ⅱ區(qū)且（沿r方向?yàn)樗p場）介質(zhì)Ⅰ區(qū)中，場沿r呈駐波分布介質(zhì)Ⅱ區(qū)中，場沿r為指數(shù)衰減圓柱介質(zhì)波導(dǎo)內(nèi)： 和圓柱介質(zhì)波導(dǎo)外： 和介質(zhì)波導(dǎo)和光波導(dǎo)通解第一、二類變形貝塞爾函數(shù)將上述通解應(yīng)用于討論的實(shí)際情況，則有（1）圓柱介質(zhì)內(nèi)部因中心軸處場應(yīng)為有限值，故B1＝0；（2）圓柱介質(zhì)外部因無窮遠(yuǎn)處場應(yīng)為0，故A2＝0；（3）圓柱介質(zhì)圓周方向上，場應(yīng)為單值，故m為整數(shù)。圓柱介質(zhì)內(nèi)部通常取B3＝0的圓極化解（當(dāng)然也可取cosmφ和sinnφ的線極化解）介質(zhì)波導(dǎo)和光波導(dǎo)圓柱介質(zhì)內(nèi)部（Ⅰ區(qū)）圓柱介質(zhì)外部（Ⅱ區(qū)）由橫－縱場關(guān)系，可對應(yīng)求出圓柱介質(zhì)內(nèi)、外橫向場分量邊界條件在r＝a處

E0z1＝E0z2，E0φ1＝E0φ2，H0z1＝H0z2，H0φ1＝H0φ2介質(zhì)波導(dǎo)和光波導(dǎo)最后得圓柱介質(zhì)波導(dǎo)導(dǎo)模的本征值方程，可確定各模式的橫向場分布四個(gè)齊次方程有解是系數(shù)行列式為零，得本征方程介質(zhì)波導(dǎo)和光波導(dǎo)圓柱介質(zhì)波導(dǎo)可能存在得四種導(dǎo)模及本征方程介質(zhì)波導(dǎo)和光波導(dǎo)介質(zhì)波導(dǎo)和光波導(dǎo)得圓柱介質(zhì)