第3章 集成传输线.ppt

第 3章 微波集成传输线 3.1 微 带 传 输 线 由于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, 但由于表面电流的精确分布难于求得, 所以也就难于得出计算导体衰减的精确计算公式。工程上一般采用以下近似计算公式: 式中, we为t不为零时导带的等效宽度; RS为导体表面电阻。  为了降低导体的损耗, 除了选择表面电阻率很小的导体材料（金、 银、 铜）之外, 对微带线的加工工艺也有严格的要求。 一方面加大导体带厚度, 这是由于趋肤效应的影响, 导体带越厚, 则导体损耗越小, 故一般取导体厚度为 5~8 倍的趋肤深度; 另一方面, 导体带表面的粗糙度要尽可能小, 一般应在微米量级以下。  (2) 介质衰减常数αd 对均匀介质传输线, 其介质衰减常数由下式决定: 式中, tanδ为介质材料的损耗角正切。由于实际微带只有部分介质填充, 因此必须使用以下修正公式 式中, 为介质损耗角的填充系数。  一般情况下, 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。  4) 微带线的色散特性 前面对微带线的分析都是基于准TEM模条件下进行的。 当频率较低时, 这种假设是符合实际的。 然而, 实验证明, 当工作频率高于5GHz时, 介质微带线的特性阻抗和相速的计算结果与实际相差较多。这表明, 当频率较高时, 微带线中由TE和TM模组成的高次模使特性阻抗和相速随着频率变化而变化, 也即具有色散特性。 事实上, 频率升高时, 相速vp要降低, 则εe应增大, 而相应的特性阻抗Z0应减小。 为此, 一般用修正公式来计算介质微带线传输特性。下面给出的这组公式的适用范围为: 2≤εr≤16, 0.06≤w/h≤16 以及 f≤100GHz。有效介电常数εe(f)可用以下公式计算: 式中 5) 高次模与微带尺寸的选择 微带线的高次模有两种模式: 波导模式和表面波模式。 波导模式存在于导带与接地板之间, 表面波模式则只要在接地板上有介质基片即能存在。  对于波导模式可分为TE模和TM模, 其中TE模最低模式为TE10模, 其截止波长为 上一章介绍了规则金属波导传输系统的传输原理及特性, 这类传输系统具有损耗小、结构牢固、功率容量高及电磁波限定在导管内等优点, 其缺点是比较笨重、高频下批量成本高、 频带较窄等。随着航空、航天事业发展的需要, 对微波设备提出了体积要小、重量要轻、 可靠性要高、性能要优越、一致性要好、 成本要低等要求, 这就促成了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。  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。图 3 - 1给出了各种集成微波传输系统。 图 3 – 1 各种微波集成传输线 统, 归纳起来可以分为四大类： ① 准TEM波传输线, 主要包括微带传输线和共面波导等; ② 非TEM波传输线, 主要包括槽线、 鳍线等;  ③开放式介质波导传输线, 主要包括介质波导、镜像波导 ④ 半开放式介质波导, 主要包括H形波导、G形波导等。   微带传输线的基本结构有两种形式: 带状线和微带线。 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。图 3 - 2 给出了带状线的演化过程及结构, 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, 主要传输的是TEM波。  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, 它可以看成由双导体传输线演化而来, 即将无限薄的导体板垂直插入双导体中间, 图 3 – 2 带状线的演化过程及结构 (a) (b) (c) 因为导体板和所有电力线垂直, 所以不影响原来的场分布, 再将导体圆柱变换成导体带, 并在导体带之间加入介质材料, 从而构成了微带线。 微带线的演化过程及结构如图 3 - 3 所示。  下面分别讨论带状线、 微带线的传输特性。  1. 带状线