微波技術(shù)基礎(chǔ)_3_微波集成傳輸線

1、北京交通大學(xué)Beijing Jiaotong University微波技術(shù)基礎(chǔ)微波技術(shù)基礎(chǔ) 微波集成傳輸線微波集成傳輸線1北京交通大學(xué)Beijing Jiaotong University內(nèi)容：介紹帶狀線、耦合帶狀線、微帶、耦合微帶線的主要特性，理解微帶傳輸線的基本概念和性質(zhì)，了解微帶傳輸線設(shè)計(jì)方法。重點(diǎn)：微帶線的傳輸模式和色散特性。難點(diǎn)：耦合帶狀線的主要特性。教學(xué)大綱2北京交通大學(xué)Beijing Jiaotong University3.1 帶狀傳輸線3.2 微帶線3.3 耦合微帶線3.4 共面波導(dǎo)內(nèi)容提要3微波集成傳輸線北京交通大學(xué)Beijing Jiaotong University3.

2、1 帶狀傳輸線3.2 微帶線3.3 耦合微帶線3.4 共面波導(dǎo)微波集成傳輸線內(nèi)容提要4北京交通大學(xué)Beijing Jiaotong University帶狀線的結(jié)構(gòu)是由一條厚度為r，寬度為w的矩形截面的中心導(dǎo)帶和上、下兩塊接地板構(gòu)成。兩接地板的距離為b。中心導(dǎo)帶的周圍媒質(zhì)可以是空氣或其它介質(zhì)。帶狀線帶狀線結(jié)構(gòu)圖主模場結(jié)構(gòu)5北京交通大學(xué)Beijing Jiaotong Universityn帶狀線(Stripline) 可以看作是同軸線的變形。把同軸線外導(dǎo)體分別向上下左右方向展平，再把內(nèi)導(dǎo)體變成扁平帶狀，當(dāng)中心導(dǎo)帶距離左右兩側(cè)邊距離足夠遠(yuǎn)時(shí)，可去掉兩側(cè)邊，即構(gòu)成了帶狀線。在演變過程中場矢量分布在

3、其橫截面而無縱向分量，因此帶狀線傳輸?shù)闹髂Ｈ允荰EM模。帶狀線6北京交通大學(xué)Beijing Jiaotong University一、特性阻抗假設(shè)導(dǎo)體為理想導(dǎo)體，填充均勻、無耗、各向同性介質(zhì)，帶狀線結(jié)構(gòu)沿縱向均勻，橫截面尺寸與工作波長相比很小，可采用靜態(tài)場的分析方法求特性阻抗。CvZCLZpcc1或1pprcvvLC或L：帶狀線單位長度上的分布電感C：帶狀線單位長度上的分布電容vp：帶狀線中TEM模的傳播速度。帶狀線7北京交通大學(xué)Beijing Jiaotong University 中心導(dǎo)帶厚度為零時(shí)的特性阻抗導(dǎo)帶的厚度 ，利用保角變換法可求得特性阻抗的精確表達(dá)式為：t 0 kKkKZrr3

4、00K()為第一類完全橢圓積分，k為模數(shù)，k為補(bǔ)模數(shù)。k與帶狀線的尺寸w和b有關(guān)。bwk2sech帶狀線21 kk8北京交通大學(xué)Beijing Jiaotong University二、相速度和波導(dǎo)波長帶狀線的主模為TEM模prcv波導(dǎo)波長為:rg00為自由空間中的波長帶狀線傳播速度為:9北京交通大學(xué)Beijing Jiaotong University三、帶狀線的損耗和衰減帶狀線的輻射損耗忽略不計(jì)，損耗主要取決于導(dǎo)體（包括接地板）損耗和介質(zhì)損耗。cd帶狀線導(dǎo)體的衰減常數(shù)cZR21c帶狀線介質(zhì)的衰減常數(shù)cGZ21d：帶狀線的衰減常數(shù)帶狀線10北京交通大學(xué)Beijing Jiaotong Uni

5、versity四、帶狀線的功率容量帶狀線的傳輸功率受兩個(gè)因素制約：介質(zhì)本身的擊穿強(qiáng)度（與峰值功率相對應(yīng)）1. 介質(zhì)本身所能承受的最高溫升（與平均功率相對應(yīng)）帶狀線難以傳輸較大功率，尤其在中心導(dǎo)帶的棱角處最易發(fā)生電擊穿。把棱角改為光滑的圓角以提高功率容量。帶狀線11北京交通大學(xué)Beijing Jiaotong University3.1 帶狀傳輸線3.2 微帶線3.3 耦合微帶線3.4 共面波導(dǎo)內(nèi)容提要12微波集成傳輸線北京交通大學(xué)Beijing Jiaotong University帶狀線可以看成是由同軸線演變而成的，那么微帶線則可看作是由平行雙線演變而來的。13微帶線北京交通大學(xué)Beijin

6、g Jiaotong University一、微帶線中的模式微帶線的介質(zhì)中的場、空氣中的場、1rHEHE介質(zhì)與空氣分界面處，電場強(qiáng)度、磁場強(qiáng)度的切向分量應(yīng)該連續(xù)，即：xxzzEEEExxzzHHHH電位移矢量、磁感應(yīng)強(qiáng)度的法向分量應(yīng)該連續(xù)：yryyyEEHH14北京交通大學(xué)Beijing Jiaotong University得：yrzrzHjyHyH) 1(因?yàn)?Hy0，所以當(dāng) r1 時(shí)，等式右邊不為零，因此左邊也不等于零，即磁場縱向分量不為零。同理可知，電場縱向分量也不為零。利用邊界條件求解方程組：EHEHrjj0015微帶線北京交通大學(xué)Beijing Jiaotong Universit

7、y因此： 若導(dǎo)體帶和接地板之間沒有填充介質(zhì)基片（即填充空氣）或者整個(gè)微帶線被一種均勻的介質(zhì)全部包圍，則TEM模為主模。 但實(shí)際上的微帶線是制作在介質(zhì)基片上的，雖然仍然是雙導(dǎo)體系統(tǒng)，但由于存在空氣和介質(zhì)的分界面，而只能存在具有縱向場分量的TE模和TM模的混合模。0r16微帶線北京交通大學(xué)Beijing Jiaotong University 在微波波段的低頻端，這種混合模的縱向場分量很小，色散現(xiàn)象很弱，傳輸模式類似于TEM模，故稱為準(zhǔn)TEM模。 當(dāng)工作頻率提高后，微帶線中除了傳輸TEM主模以外，還會(huì)出現(xiàn)高次模。隨著頻率的升高，準(zhǔn)TEM模和純TEM模之間的差別越大。微帶線17北京交通大學(xué)Beiji

8、ng Jiaotong University引入一個(gè)相對的等效介電常數(shù)為 re ,其值介于1和 r 之間，用它來均勻填充微帶線，構(gòu)成等效微帶線，并保持它的尺寸和特性阻抗與原來的實(shí)際微帶線相同。01CCre實(shí)際微帶線電容純空氣介質(zhì)微帶線電容reccZZ0同尺寸空氣介質(zhì)微帶線特性阻抗二、微帶線的特性阻抗18微帶線北京交通大學(xué)Beijing Jiaotong University（一）導(dǎo)體厚度為零時(shí) 微帶線特性阻抗當(dāng)w/h1時(shí)，60)-(10.44-2.42120whwhhwZc當(dāng)w/h1時(shí)，0860ln4chwZwh0rreccZZ011rerq q：填充因子19微帶線北京交通大學(xué)Beijing

9、Jiaotong University（二）導(dǎo)體厚度不為零時(shí)微帶線特性阻抗實(shí)際微帶線導(dǎo)體厚度不為零，此時(shí)導(dǎo)體帶的邊緣電容增加，當(dāng)這種增加效應(yīng)不能忽略時(shí)，不能用前面的公式直接計(jì)算Zc。如果將t0時(shí)邊緣電容增加的影響等效為導(dǎo)體帶寬度增加w，就可以利用前面的公式進(jìn)行計(jì)算了。）時(shí)及（當(dāng)21,/t/221/hwhhw) 14(lntwtw時(shí)當(dāng)21/hw) 12(lnthtw20微帶線0r北京交通大學(xué)Beijing Jiaotong University三、相速度和波導(dǎo)波長微帶傳輸線是具有混合介質(zhì)系統(tǒng)的傳輸線：precvreg0四、微帶線的損耗微帶線的損耗包括導(dǎo)體損耗、介質(zhì)損耗和輻射損耗。（頻率較低時(shí)，輻

10、射損耗一般可忽略）cdr為介質(zhì)的衰減常數(shù)為導(dǎo)體的衰減常數(shù)，dc21微帶線北京交通大學(xué)Beijing Jiaotong University五、微帶線的色散特性與尺寸選擇（一）微帶線的色散特性當(dāng)頻率較高時(shí)，色散的影響不能忽略，在計(jì)算Zc，vp，g，re 時(shí)要考慮色散的影響。f為工作頻率， f0為某一固定頻率，當(dāng)f f0時(shí)，色散影響可忽略不計(jì)。hZfc41r0) 1(95. 022微帶線北京交通大學(xué)Beijing Jiaotong University（二）微帶線尺寸的選擇當(dāng)頻率升高后，微帶線尺寸與波長可比擬時(shí)，可能出現(xiàn)高次模：波導(dǎo)模和表面波模。波導(dǎo)模存在于導(dǎo)帶和地板之間，包括TE和TM兩種。 微

11、帶線中的波導(dǎo)模 (a)TE10 (b)TM0123微帶線北京交通大學(xué)Beijing Jiaotong University表面波是大部分能量集中在微帶線接地板表面附近的介質(zhì)中、并沿接地板表面?zhèn)鞑サ囊环N電磁波。有TE模和TM模。TM0模的場結(jié)構(gòu)假定它們的場量在x方向不變化，只在y方向變化，模式的下標(biāo)只有一個(gè)數(shù)字，即TEm或TMm（m=0,1,2,）。當(dāng)表面波相速度與準(zhǔn)TEM模相速度相同時(shí)，這兩類模之間才會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)耦合，從而有可能使微帶線不再工作于準(zhǔn)TEM模。應(yīng)盡量避免這種情況。24微帶線北京交通大學(xué)Beijing Jiaotong University20015025北京交通大學(xué)Beijing J

12、iaotong University2625100 50 25100 50 50 北京交通大學(xué)Beijing Jiaotong University3.1 帶狀傳輸線3.2 微帶線3.3 耦合微帶線3.4 共面波導(dǎo)內(nèi)容提要27微波集成傳輸線北京交通大學(xué)Beijing Jiaotong University耦合微帶線結(jié)構(gòu) 耦合微帶線廣泛應(yīng)用于定向耦合器、濾波器及阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)中。對稱耦合微帶線指相耦合的兩個(gè)微帶具有相同的結(jié)構(gòu)和填充介質(zhì)。 耦合微帶線：由一對或多對相互靠近的微帶線組成，微帶線之間有電磁耦合現(xiàn)象。28耦合微帶線微帶耦合器北京交通大學(xué)Beijing Jiaotong University

13、耦合微帶線一、基模與偶模令A(yù)和B分別與地構(gòu)成兩對傳輸線，其激勵(lì)電壓分別為U1和U2，分解成一對等幅反相的奇模電壓Uo和一對等幅同相的偶模電壓Ue 2,2,212121UUUUUUUUUUUUoeoeoe29奇模偶模北京交通大學(xué)Beijing Jiaotong University耦合微帶線奇偶模場結(jié)構(gòu)準(zhǔn)靜態(tài)+奇偶模分析法：求出奇、偶模電容，以及奇、偶模相速度，進(jìn)而求出奇、偶模特性阻抗和奇、偶模對應(yīng)的波導(dǎo)波長。eocoopoco11）（）（ZCvZreecepece11）（）（ZCvZre完全是空氣填充時(shí)的奇模特性阻抗30耦合微帶線北京交通大學(xué)Beijing Jiaotong Universit

14、y二、相速度與波導(dǎo)波長在空氣介質(zhì)中，奇模電場比偶模電場強(qiáng)，因此eo vpe。耦合線之間的耦合越緊，這兩種速度的差別也越大，這對于耦合微帶線構(gòu)成的某些微波元件的性能產(chǎn)生不利影響。o0oegee0geoopecvepeecv31耦合微帶線因此有時(shí)采用eo和ee的平均值來計(jì)算微帶線的特性參數(shù)。北京交通大學(xué)Beijing Jiaotong University3.1 帶狀傳輸線3.2 微帶線3.3 耦合微帶線3.4 共面波導(dǎo)內(nèi)容提要32微波集成傳輸線北京交通大學(xué)Beijing Jiaotong University在介質(zhì)基片的一面上制作出中心導(dǎo)帶，并在緊鄰中心導(dǎo)帶的兩側(cè)制作出地板，而介質(zhì)基片另一面沒有

15、導(dǎo)體層覆蓋。 rr為了使電磁場更集中于中心導(dǎo)體帶和接地板所在面的空氣和介質(zhì)的交界處，應(yīng)采用高介電常數(shù)的材料作為介質(zhì)基片。33共面波導(dǎo)北京交通大學(xué)Beijing Jiaotong University共面波導(dǎo)中心導(dǎo)體與接地板位于同一平面內(nèi)，對于需要并聯(lián)安置的元器件很方便。共面波導(dǎo)傳輸?shù)氖菧?zhǔn)TEM模。34共面波導(dǎo) rr北京交通大學(xué)Beijing Jiaotong University246810121416-40-30-20-100Return Loss (dB)Frequency (GHz) measured simulatedSize: 30 33mm2 , bandwidth: 3-14 GHz, gain: 3-7 dBiMiniaturized UW