第3章 微波传输线.pptVIP

第3章 微波传输线 3―1 引言 3―2 带状线 3―3 微带传输线 3―4 耦合带状线和耦合微带线 3―5 金属波导传输线的一般理论 3―6 矩形波导 3―7 圆波导 3―1 引言 微波传输线是用来传输微波信号和微波能量的传输线。微波传输线种类很多,按其传输电磁波的性质可分为三类:TEM模传输线(包括准TEM模传输线),如图3―1―1(1)所示的平行双线、同轴线、带状线及微带线等双导线传输线;TE模和TM模传输线, 如图3―1―1(2)所示的矩形波导,圆波导、椭圆波导、脊波导等金属波导传输线;表面波传输线,其传输模式一般为混合模,如图3―1―1(3)所示的介质波导,介质镜像线等。 在微波的低频段,可以用平行双线来传输微波能量和信号;而当频率提高到其波长和两根导线间的距离可以相比时,电磁能量会通过导线向空间辐射出去,损耗随之增加,频率愈高,损耗愈大,因此在微波的高频段,平行双线不能用来作为传输线。 ? 为了避免辐射损耗,可以将传输线做成封闭形式,像同轴线那样电磁能量被限制在内外导体之间,从而消除了辐射损耗。因此,同轴线传输线所传输的电磁波频率范围可以提高,是目前常用的微波传输线。但随频率的继续提高,同轴线的横截面尺寸必须相应减小,才能保证它只传输TEM模,这样会导致同轴线的导体损耗增加,尤其内导体引起损耗更大,传输功率容量降低。因此同轴线又不能传输更高频率的电磁波,一般只适用于厘米波段。 ? 3―2 带状线 带状线的结构如图3―2―1所示,它是由一条厚度为t,宽度为W的矩形截面的中心导带和上、下两块接地板构成。两接地板的距离为b。中心导带的周围媒质可以是空气,也可以是其它介质。带状线中传输的主模为TEM模。 ? 一、特性阻抗 由长线理论可知,TEM模传输线特性阻抗的计算公式为 式中 二、带状线尺寸的设计考虑 带状线中除传输主模TEM模外,还可能传输其它模式。据分析只要带状线的尺寸满足关系式 3―3 微带传输线 微带线的结构如图3―3―1所示。它是由介质基片的一边为中心导带,另一边为接地板所构成,其基片厚度为h,中心导带的宽度为w。其制作工艺是先将基片(最常用的是氧化铝)研磨、抛光和清洗,然后放在真空镀膜机中形成一层铬-金层,再利用光刻技术制成所需要的电路,最后采用电镀的办法加厚金属层的厚度,并装接上所需要的有源器件和其它元件,形成微带电路。 ? 一、微带线中的主模 对于空气介质的微带线,它是双导线系统,且周围是均匀的空气,因此它可以存在无色散的TEM模。但实际上的微带线是制作在介质基片上的,虽然它仍然是双导线系统,但由于存在空气和介质的分界面,这就使得问题复杂化。可以证明,在两种不同介质的传输系统中,不可能存在单纯的TEM模,而只能存在TE模和TM模的混合模。但在微波波段的低频端由于场的色散现象很弱,传输模式类似于TEM模,故称为准TEM模。 ? 二、微带线的特性阻抗 在微波波段微带线工作在弱色散区,因此把微带线的工作模式当作TEM模来分析,这种方法称为“准静态分析法”。 ? 由前面分析知道TEM模传输线的特性阻抗的计算公式为 ? 因此只要求出微带线的相速度vp和单位长度分布电容C1,则微带线的特性阻抗就可求得。 对于图3―3―2(a)所示的空气微带线,微带线中传输TEM模的相速度vp=v0(光速),并假设它的单位长度上电容为C01,则其特性阻抗为 ? 为此,我们引入一个相对的等效介电常数为εre,其值介于1和εr之间,用它来均匀填充微带线,构成等效微带线,并保持它的尺寸和特性阻抗与原来的实际微带线相同,如图(d)所示。这种等效微带线中波的相速度为 ? 故微带线的特性阻抗为 由此可见,如果能求出图3―3―2(d)的等效微带线的特性阻抗,就等于求得了图3―3―2(c)标准微带线的特性阻抗。由式(3―3―6)可以看出,微带线特性阻抗的计算归结为求空气微带线的特性阻抗Z01和相对等效介电常数εre。 应用保角变换方法确定空气微带线的电容C01和实际微带线的电容C1,两者比值的倒数为相对等效介电常数,即 图3