微波集成電路 課件 第二章 微波集成傳輸線-2.1概述

第二章微波集成傳輸線2.1概述微波集成傳輸線是平面?zhèn)鬏斁€，是微波集成電路的基礎(chǔ)：“平面”，是相對(duì)于波導(dǎo)同軸等立體傳輸線而言；在（介質(zhì)或半導(dǎo)體）基片上形成導(dǎo)電膜/條帶優(yōu)點(diǎn)：集成度高→小型化、輕量化可靠性好易于批量生產(chǎn)低成本與波導(dǎo)、同軸立體傳輸線比較，微波集成傳輸線具有：缺點(diǎn)損耗大Q值低功率容量低基片：——介質(zhì)/半導(dǎo)體，介電常數(shù)遠(yuǎn)大于1；——厚度遠(yuǎn)小于立體傳輸線尺寸制備工藝：厚膜工藝和薄膜工藝更小的傳輸線尺寸（橫向、縱向），更高的集成度易于批量生產(chǎn)、低成本。2.1概述微波集成傳輸線應(yīng)有的特點(diǎn)：集成度高便于與固態(tài)器件（三端器件）連接，電路損耗低便于與其他電路系統(tǒng)連接常見微波集成傳輸線：微帶線帶狀線懸置微帶和倒置微帶槽線鰭線共面波導(dǎo)介質(zhì)集成波導(dǎo)特性參數(shù)：·特性阻抗；

·相速和波長；

·衰減常數(shù)；

·功率容量設(shè)計(jì)原則應(yīng)用領(lǐng)域較高的介電常數(shù)，使電路小型化：2.1概述微波集成傳輸線的基片材料應(yīng)具有的特點(diǎn):其它要求：在給定的頻率和溫度范圍內(nèi)介電常數(shù)

穩(wěn)定；純度高，性能一致性好；擊穿強(qiáng)度高；導(dǎo)熱性好，以適用于較大的功率；適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)。傳輸線橫截面更小導(dǎo)波波長更短低損耗：小的損耗角正切tanδ低的基片導(dǎo)電率機(jī)械性能好：硬度強(qiáng)韌性好表面平整、光潔使覆著的金屬層面平整、光潔，金屬損耗低性價(jià)比高2.1概述材料名稱材料類型介電常數(shù)損耗正切×10-4表面粗糙度μm熱導(dǎo)率W/cm℃

應(yīng)用與特點(diǎn)石英SiO23.78<1(20GHz以內(nèi))0.1~0.50.01低介電常數(shù)、低損耗、高光潔度、易碎、金屬附著性差、成本高，毫米波陶瓷9.0~10.0（一般9.8）<15(20GHz以內(nèi))2~150.3高介電常數(shù)、損耗小、表面光潔、便于加工，厘米波-毫米波段藍(lán)寶石氧化鋁晶體

8.6（水平方向）、10.55（垂直方向）<150.5~10.4電各向異性，光潔度高、損耗低、價(jià)格昂貴，毫米波聚四氟乙烯纖維加強(qiáng)板

2.5~2.810~15(10GHz)

厘米波鐵氧體

13~162~5(10GHz)100.03非互易器件/電路氧化鈹

6.61(10GHz)2~102.5導(dǎo)熱好，功率器件高介陶瓷

20~801~2(10GHz)

0.01~0.05小型化電路TaconicRF60PTFERandomGlassFiber6.15+/-0.25

28（X-band）0.43

復(fù)合介質(zhì)軟基片、雙面覆銅、硬度低、便于加工成型、機(jī)械強(qiáng)度低、導(dǎo)熱性差、低成本，應(yīng)用廣泛RT/duroid58702.3312(10GHz)0.22

RT/duroid58802.29(10GHz)

0.20RT/duroid6010LMPTFECeramic10.223(10GHz)

0.86

ULTRALAM3850LiquidCrystallinePolymer2.925

無源器件應(yīng)用最廣泛的硬基片應(yīng)用最廣泛的軟基片微波集成傳輸線的常用介質(zhì)基片材料2.1概述微波單片集成電路的常用半導(dǎo)體基片材料名稱SiGaAsInPGaNSiC電阻率（Ω·cm）103-105107-109~107≥1010≥1010相對(duì)介電常數(shù)11.712.9148.940電子遷移率(cm2/(V·s))145085006000800500電子飽和速度(cm/s)9×1061.3×1071.9×1072.3×1072×107抗輻照能力弱很好好優(yōu)優(yōu)密度(g/cm3)2.35.34.8

3.1熱導(dǎo)率(W/cm·℃)1.450.460.681.34.3工作溫度（℃）250350300>500>500禁帶寬度（eV）1.121.421.343.392.86擊穿電場(kV/cm)~300400500≥5000≥2000Si：較低的電阻率和電子遷移率，較好的導(dǎo)熱率，主要應(yīng)用低頻、高功率器件GaAs：微波單片集成電路的主要基片材料InP：毫米波頻段，高增益、低噪聲性能。寬禁帶材料SiC、GaN：具有出色的熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性和抗輻照能力，適合制做微波高功率MMIC、航空航天、核工業(yè)等惡劣環(huán)境2.1概述微波集成傳輸線的金屬材料應(yīng)具有的特點(diǎn):高導(dǎo)電率；性能穩(wěn)定，不易氧化蝕刻性好容易焊接/鍵合容易淀積或電鍍對(duì)基板附著力強(qiáng)。材料電阻率Ω/cm趨膚深度μm（2GHz）表面電阻率

Ω/cm2×10-7f-1/2熱膨脹系數(shù)10-5/℃基片附著性銀1.59×10-61.42.521差銅1.67×10-6

1.52.618很差金2.35×10-6

1.73.015很差鋁2.65×10-61.93.325很差鎢5.34×10-6

2.64.74.6好鉬5.5×10-6

2.74.76.0好鉻12.7×10-6

2.74.79.0好鉭15.2×10-6

4.07.26.6很好薄膜與厚膜工藝產(chǎn)品之差異分析薄膜工藝厚膜工藝精度高，<±1%較低，<±10%鍍層材料材料穩(wěn)定度高易受漿料影響鍍層表面表面平整度高，誤差<0.3μm較差，誤差<3μm設(shè)備成本高成本低鍍層附著性無需高溫?zé)Y(jié)，不含氧化物、附著性好易受基板材質(zhì)影響電路對(duì)準(zhǔn)使用曝光顯影，對(duì)準(zhǔn)性高易受絲網(wǎng)張力及使用次數(shù)影響，對(duì)準(zhǔn)性較差2.1概述薄膜工藝制備過程：基片處理研磨拋光鍍膜金屬層減薄版圖制作圖形放大照相制版光刻腐蝕甩膠曝光腐蝕接地/電鍍接地金屬化電鍍防護(hù)2.1概述性能：超常的層間結(jié)合；低吸水率；增強(qiáng)的尺寸穩(wěn)定性；低Z軸膨脹；頻率使用范圍穩(wěn)定的介電常數(shù)；增強(qiáng)的撓性強(qiáng)度。應(yīng)用：功率放大器；濾波器和連結(jié)器；無源元器件；天線。2.1概述微波集成傳輸線分析方法考慮2.1概述

——微波集成傳輸線分析方法低頻、數(shù)字電路——集總參數(shù)方法工作頻率低，不考慮信號(hào)相移問題電場集中的地方——電容；磁場集中的地方——電感；損耗集中的地方——電阻連接線沒有電容、電感和電阻，不用考慮導(dǎo)線形狀和尺寸微波傳輸線——分析特定邊界條件下的電磁波的傳播情況：傳輸系統(tǒng)在微波頻率下的傳播模式工作頻率高、傳輸相位滯后傳輸主模（最低模式）、抑制高次模式局部高次模式場（電磁場能量堆積）引起局部電抗，影響幅度相位高頻情況下：趨膚效應(yīng)，金屬損耗大；介質(zhì)交替極化和晶格來回碰撞，介質(zhì)熱損耗集總參數(shù)分析方法不再適用于微波傳輸線了求解給定邊界條件下的電磁場方程微波集成傳輸線分析方法考慮波導(dǎo)、同軸等立體傳輸線，邊界條件簡單，可嚴(yán)格求解電磁場方程傳輸TEM波傳輸線，可嚴(yán)格定義電壓電流，可由等效電路方法求解：橫向電場：金屬條帶與接地金屬面間存在電位差橫向磁場：金屬條帶上存在傳導(dǎo)電流微波集成傳輸線，邊界條件復(fù)雜，嚴(yán)格求解電磁場問題困難大多數(shù)常用微波集成傳輸線，傳輸主模是TEM波，可采用場、路結(jié)合的方法求解——分布參數(shù)電路分析方法TEM波傳輸線，電磁場橫截面分布與二維靜電場和穩(wěn)恒磁場分布一致，滿足二維拉普拉斯方程。傳輸線等效電路模型可由求解穩(wěn)態(tài)邊值問題得到2.1概述

——微波集成傳輸線分析方法微波集成傳輸線分析方法考慮分布參數(shù)電路分析方法分析集成傳輸線（TEM波）的步驟2.1概述

——微波集成傳輸線分析方法傳播TEM波的微波集成傳輸線等效分布參數(shù)等效電路網(wǎng)絡(luò)（C0、L0、R0、G0）求解穩(wěn)態(tài)場邊值問題分布參數(shù)電路模型參數(shù)（元件）：C0、L0、R0、G0分析電路網(wǎng)絡(luò)/方程傳輸線特性參數(shù)：Zc、Vp、λg、…….TEM波微波集成傳輸線分布參數(shù)電路分析方法TEM波微波集成傳輸線由一系列部分參數(shù)元件C0、L0、R0和G0級(jí)聯(lián)而成分布參數(shù)元件連續(xù)地分布在整個(gè)傳輸線上（不是在有限的點(diǎn)上）元件值由傳輸線結(jié)構(gòu)尺寸、基片材料和金屬材料特性決定，可由穩(wěn)態(tài)邊值問題求解得到對(duì)于復(fù)雜的邊值條件，可采用一定的近似，并由實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證確定2.1概述

——微波集成傳輸線分析方法TEM波微波集成傳輸線分布參數(shù)元件分布參數(shù)元件值由傳輸線上電壓、電流、電量和能量之間的關(guān)系確定分布參數(shù)電容：單位長度傳輸線上一個(gè)導(dǎo)體上電荷總量Q0

與兩導(dǎo)體間電位差U之比分布參數(shù)電感：傳輸線導(dǎo)體之間的磁通量和導(dǎo)體上的電流之比分布電容和分布電感是表征微波集成傳輸線電磁傳播特性的主要參數(shù)，也是決定傳輸線特性阻抗的主要因素它們與頻率無關(guān)，但由它們所引起的傳輸線分布電抗和分布電納卻與頻率成正比?！l率越高，分布參數(shù)特性越顯著2.1概述

——微波集成傳輸線分析方法TEM波微波集成傳輸線分布參數(shù)元件定義分布參數(shù)電導(dǎo)：表征了單位長度微波集成傳輸線基片介質(zhì)損耗，可從功率損耗角度去度量微波單片集成電路采用的傳輸線是制作在半導(dǎo)體基片上的，基片導(dǎo)電率相對(duì)較高，傳導(dǎo)損耗是基片損耗的主要部分。制作在絕緣介質(zhì)基片上的微波集成傳輸線，在較高頻率下基片介質(zhì)極化阻尼損耗是主要原因。單位長度傳輸線基片損耗功率為：得：2.1概述

——微波集成傳輸線分析方法TEM波微波集成傳輸線分布參數(shù)元件定義分布參數(shù)電阻：表征了單位長度微波集成傳輸線導(dǎo)體條帶和金屬接地面損耗，可由單位長度傳輸線沿傳輸方向?qū)w上的壓降Ud與通過導(dǎo)體的電流I之比：較高的導(dǎo)體損耗是微波集成傳輸線損耗高于波導(dǎo)和同軸等傳輸線的主要因素：隨