微波技術(shù)基礎(chǔ)電子科大第10次課

1、 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)科研樓地點(diǎn)：清水河校區(qū)科研樓B336 電話：電話：61830860 電郵：電郵：本課內(nèi)容本課內(nèi)容l1、第三章、微波集成傳輸線l常用集成傳輸線的種類和主要特點(diǎn)常用集成傳輸線的種類和主要特點(diǎn)l2、第四章介質(zhì)波導(dǎo)和光波導(dǎo)1、傳播條件和波型、傳播條件和波型2、特性阻抗、特性阻抗3、波長，相速、波長，相速4、功率容量、功率容量5、衰減、衰減了解了解微波集成傳輸線微波集成傳輸線l微波集成傳輸線的最大特點(diǎn)是 平面化l五種重要的傳輸線：（Stripline）（Microstrip line）（Slotline）（Finline）（Cop

2、lanar line）注意耦合線結(jié)構(gòu)注意耦合線結(jié)構(gòu)共面波導(dǎo)（共面波導(dǎo)（CPW）共面帶線（共面帶線（CPS）接地共面波導(dǎo)（接地共面波導(dǎo)（CBCPW）Conducter-backed CPW指元器件、傳輸線導(dǎo)帶等指元器件、傳輸線導(dǎo)帶等在同一平面在同一平面按傳播模分類按傳播模分類均勻介質(zhì)均勻介質(zhì)的多導(dǎo)體的多導(dǎo)體傳輸線傳輸線均勻介質(zhì)均勻介質(zhì)的單導(dǎo)體的單導(dǎo)體傳輸線傳輸線非均勻介質(zhì)的平面非均勻介質(zhì)的平面?zhèn)鬏斁€結(jié)構(gòu)傳輸線結(jié)構(gòu)帶狀線帶狀線鰭線鰭線一、回顧一、回顧帶狀線帶狀線 1950年，年，R.M. Barrett 發(fā)明了帶狀線，是發(fā)明了帶狀線，是一種三導(dǎo)體一種三導(dǎo)體TEM波波傳輸線。上下兩塊導(dǎo)體板是傳輸線。

3、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(duì)稱面上，接地板，中間的導(dǎo)體帶位于上下板的對(duì)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。介質(zhì)。故又稱為三板線或夾心線。 為減少帶狀線在橫截面方向的能量泄露，上為減少帶狀線在橫截面方向的能量泄露，上下接地板的寬度下接地板的寬度D和接地板間距必須滿足和接地板間距必須滿足D(36)W 和和 2/b帶狀線的最高工作頻率取帶狀線的最高工作頻率取 151()()/4crffGHzW bb高次模微波集成傳輸線微波集成傳輸線帶狀線帶狀線 惠勒1978年用保角變換法得到了如下有限厚度導(dǎo)體

4、帶帶狀線特性阻抗公式 20011304 18 18 1Zln 1.6.27rpZmmmCtbWtbWmnxbWxxxxxtbW1 . 1/0796. 02ln5 . 01)1 (2btxxx，1.3212n式中式中t為導(dǎo)體帶的厚度。當(dāng)為導(dǎo)體帶的厚度。當(dāng)W / (b - t)2的寬微帶線的寬微帶線1rr02rrr1160Z0.441 0.082()()1.45ln0.94 ( )222WWhhW/h2的窄微帶線的窄微帶線 2r0rrr128111460ln()(lnln)( )132212hWZWh微波集成傳輸線微波集成傳輸線微帶線微帶線 22000re0gZZ介質(zhì)影響傳播速度介質(zhì)影響傳播速度E

5、. Hammerstad and O. Jensen, Accurate Models for microstrip computer-aided design, IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Digest, 1980, pp. 407409.色散色散l以上關(guān)于微帶線的結(jié)論都是在準(zhǔn)TEM近似下得出的。l有效介電常數(shù)、傳播速度、波導(dǎo)波長等與頻率無關(guān)。l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(huì)有縱向場(chǎng)分量，微帶線實(shí)際傳播的是混合波。l色散：電磁波的傳播速度隨頻率變化的現(xiàn)象。l微帶線相對(duì)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(hào)個(gè)各個(gè)頻率

6、分量將以不同速度在微帶線上傳播信號(hào)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. Hammerstad and O. Jensen, Accurate models for microstrip computer aided design, IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Digest, 1980, pp. 407409.M. Kobayashi, A dispersion formula satisfying recent requirements in microstrip CAD, IEEE Trans. Microwave Theor

7、y Tech. MTT-36:12461250 (1988).微帶線的衰減微帶線的衰減l導(dǎo)體損耗，介質(zhì)損耗（耗散作用）導(dǎo)體損耗，介質(zhì)損耗（耗散作用）主要主要l輻射損耗，寄生模式損耗輻射損耗，寄生模式損耗可忽略可忽略導(dǎo)體損耗導(dǎo)體損耗介質(zhì)損耗介質(zhì)損耗懸置或倒置微帶線中，電磁場(chǎng)的大部分處于空氣懸置或倒置微帶線中，電磁場(chǎng)的大部分處于空氣中，介質(zhì)影響不大，其有效相對(duì)介電常數(shù)中，介質(zhì)影響不大，其有效相對(duì)介電常數(shù)re接近于接近于1，從而其特性參量接近空氣中的參量，線中從而其特性參量接近空氣中的參量，線中損耗損耗大大大大減小減小，具有比微帶線更，具有比微帶線更高高的的Q值值(500-1500)，接近于，接近于

8、無色散無色散，并且可實(shí)現(xiàn)的阻抗值范圍大，因此特別適，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、諧振電路等合應(yīng)用于濾波器、諧振電路等Q值較高的場(chǎng)合。懸值較高的場(chǎng)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)湊。懸置或倒置微帶線傳輸?shù)闹髂Ｊ菧?zhǔn)TEM模模 懸置微帶線和倒置微帶線2021)(ln60Zuuufre7528. 0666.30exp)62(6)(uuf倒置微帶線，懸置微帶線，bWbaWu/)/(l3.4 懸置微帶線和倒置微帶線懸置微帶線懸置微帶線 1re11ra11ln1Wabbb41ln1251.

9、 08621. 0baa41ln1397. 04986. 0bab倒置微帶線倒置微帶線 1lna111rerbWbab21ln1515. 05173. 0baa21ln1047. 03092. 0bab當(dāng)當(dāng)0.2 a / b 1，1W/b8, , 精度在時(shí)優(yōu)于精度在時(shí)優(yōu)于1%；l3.4 懸置微帶線和倒置微帶線6r3.3 耦合帶狀線和耦合微帶線耦合帶狀線和耦合微帶線 奇偶模方法奇偶模方法采用奇模激采用奇模激勵(lì)和偶模激勵(lì)兩種狀態(tài)對(duì)勵(lì)和偶模激勵(lì)兩種狀態(tài)對(duì)它進(jìn)行分析，其它的激勵(lì)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)狀態(tài)可看作是這兩種狀態(tài)的疊加。的疊加。 奇模激勵(lì)奇模激勵(lì)在耦合線的兩個(gè)中心導(dǎo)體帶上

10、加的電壓幅度相在耦合線的兩個(gè)中心導(dǎo)體帶上加的電壓幅度相等，而相位相反等，而相位相反 中心對(duì)稱面為電壁中心對(duì)稱面為電壁偶模激勵(lì)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，相位相同等，相位相同 中心對(duì)稱面為磁壁中心對(duì)稱面為磁壁3.3 耦合帶狀線和耦合微帶線耦合帶狀線和耦合微帶線 先求奇偶模電容、再求奇偶模阻抗先求奇偶模電容、再求奇偶模阻抗0111repZCcC槽線屬于分區(qū)填充介質(zhì)的導(dǎo)槽線屬于分區(qū)填充介質(zhì)的導(dǎo)波系統(tǒng)，波系統(tǒng)，非非TEM模模，即，即Ez和和Hz都不為零，屬于一種波導(dǎo)都不為零，屬于一種波導(dǎo)模模 。便于安置固體器件。便于安置固體器件 ，但難以

11、得到低于但難以得到低于60的特性的特性阻抗阻抗 。三、槽線槽線無截至頻率無截至頻率0grereZZ0005 .188)/2ln(/305 .1881/1/2ln1200020000ZWAZWAWAZ re= ( r + 1) / 2 槽線槽線四、四、 共面?zhèn)鬏斁€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)共面波導(dǎo)共面波導(dǎo) )()(30Z0kKkKre3.6 共面?zhèn)鬏斁€共面?zhèn)鬏斁€共面帶線共面帶線 第一類完全橢圓第一類完全橢圓函數(shù)、余函數(shù)函數(shù)、余函數(shù)3.6 共面?zhèn)鬏斁€共面?zhèn)鬏斁€2

12、.共面帶線共面帶線)()(120Z0kKkKre式中式中2( )( )1/(2)K kK kkkkSSW五、 鰭線鰭線 雙側(cè)鰭線雙側(cè)鰭線單側(cè)鰭線單側(cè)鰭線雙側(cè)非對(duì)稱鰭線雙側(cè)非對(duì)稱鰭線對(duì)脊鰭線對(duì)脊鰭線絕緣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 鰭線鰭線 用到了：微帶線，懸置微帶線，耦合線，鰭線，共用到了：微帶線，懸置微帶線，耦合線，鰭線，共面線，矩形波導(dǎo)，以及傳輸線之間的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)。面線，矩形波導(dǎo)，以及傳輸線之間的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)。在上方端口處一般會(huì)接上同軸接頭，還會(huì)用到同軸在上方端口處一

13、般會(huì)接上同軸接頭，還會(huì)用到同軸線。線。毫米波鰭線混頻器毫米波鰭線混頻器介質(zhì)波導(dǎo)和光波導(dǎo)介質(zhì)波導(dǎo)和光波導(dǎo) 當(dāng)毫米波波段當(dāng)毫米波波段亞毫米波段亞毫米波段太赫茲波段時(shí)太赫茲波段時(shí)普通的微帶線將出現(xiàn)一系列新問題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）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）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。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，而段，單

14、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(duì)毫米波段的來越大，衰減大到不能容忍的地步。因此，對(duì)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、亞毫米波的傳輸線毫米波高頻段、亞毫米波的傳輸線 介質(zhì)波導(dǎo)等非封介質(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)矩形介質(zhì)波導(dǎo)介質(zhì)鏡像波導(dǎo)介質(zhì)鏡像波導(dǎo)隔離介質(zhì)波導(dǎo)隔離介質(zhì)波導(dǎo)倒置帶狀介質(zhì)波導(dǎo)倒置帶

15、狀介質(zhì)波導(dǎo)圓柱介質(zhì)波導(dǎo)圓柱介質(zhì)波導(dǎo)光纖光纖介質(zhì)波導(dǎo)和光波導(dǎo)介質(zhì)波導(dǎo)和光波導(dǎo) 圓柱介質(zhì)波導(dǎo)圓柱介質(zhì)波導(dǎo) 要求要求02121傳輸?shù)碾姶挪楸砻娌ǎ瑐鬏數(shù)碾姶挪楸砻娌?，是混合模，是混合模，Hz0和和Ez0分析方法與金屬園波導(dǎo)一樣，采用圓柱坐標(biāo)系、縱向場(chǎng)法分析方法與金屬園波導(dǎo)一樣，采用圓柱坐標(biāo)系、縱向場(chǎng)法220tcozkE 220tcozkH 介質(zhì)波導(dǎo)和光波導(dǎo)介質(zhì)波導(dǎo)和光波導(dǎo) 222 kkc在不同介質(zhì)在不同介質(zhì)kc中取不同值中取不同值 在介質(zhì)柱內(nèi)在介質(zhì)柱內(nèi) ，區(qū)區(qū)在介質(zhì)柱內(nèi)在介質(zhì)柱內(nèi) ，區(qū)區(qū) 且且2121202212rrckkkk2222202222rrckkkk0220222rrkk（沿（沿r 方

16、向?yàn)樗p場(chǎng)）方向?yàn)樗p場(chǎng)）介質(zhì)介質(zhì)區(qū)中，場(chǎng)沿區(qū)中，場(chǎng)沿r r 呈駐波分布呈駐波分布介質(zhì)介質(zhì)區(qū)中，區(qū)中，場(chǎng)沿場(chǎng)沿r 為指數(shù)衰減為指數(shù)衰減圓柱介質(zhì)波導(dǎo)內(nèi)：圓柱介質(zhì)波導(dǎo)內(nèi)：和和圓柱介質(zhì)波導(dǎo)外：圓柱介質(zhì)波導(dǎo)外：和和0 111( )( )zER r0 111( )( )zHR r0 222( )( )zER r0 222( )( )zHR r介質(zhì)波導(dǎo)和光波導(dǎo)介質(zhì)波導(dǎo)和光波導(dǎo) 通解通解11111()()mrmrRAJk rB Nk r22222()()mrmrRA Ik rB Kk r133jmjmA eB e 233jmjmA eB e 第一、二類變形第一、二類變形貝塞爾函數(shù)貝塞爾函數(shù)將上述通解應(yīng)用于討

17、論的實(shí)際情況，則有將上述通解應(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(chǎng)應(yīng)為有限值，故）圓柱介質(zhì)內(nèi)部因中心軸處場(chǎng)應(yīng)為有限值，故B10；（2）圓柱介質(zhì)外部因無窮遠(yuǎn)處場(chǎng)應(yīng)為）圓柱介質(zhì)外部因無窮遠(yuǎn)處場(chǎng)應(yīng)為0，故，故A20；（3）圓柱介質(zhì)圓周方向上，場(chǎng)應(yīng)為單值，故）圓柱介質(zhì)圓周方向上，場(chǎng)應(yīng)為單值，故m為整數(shù)。為整數(shù)。圓柱介質(zhì)內(nèi)部通常取圓柱介質(zhì)內(nèi)部通常取B30的圓極化解（當(dāng)然也可取的圓極化解（當(dāng)然也可取cosm和和sinn的線極化解）的線極化解） 介質(zhì)波導(dǎo)和光波導(dǎo)介質(zhì)波導(dǎo)和光波導(dǎo) 圓柱介質(zhì)內(nèi)部（圓柱介質(zhì)內(nèi)部（區(qū)區(qū)）圓柱介質(zhì)外部圓柱介質(zhì)外部 （區(qū)）區(qū)）0 11311()()jmjmnzrnrE

18、A A J k r eAJk r e0z11311()()jmjmmmrrHA A Jk r eA Jk r e0 22322()()jmjmzmrmrEB A Kk r eBKk r e0 22322()()jnjnznrnrHBAKk r eB Kk r e由橫縱場(chǎng)關(guān)系，可對(duì)應(yīng)求出圓柱介質(zhì)內(nèi)、外橫向場(chǎng)分量由橫縱場(chǎng)關(guān)系，可對(duì)應(yīng)求出圓柱介質(zhì)內(nèi)、外橫向場(chǎng)分量邊界條件在邊界條件在ra 處處 E0z1E0z2，E01E02，H0z1H0z2，H01H02 介質(zhì)波導(dǎo)和光波導(dǎo)介質(zhì)波導(dǎo)和光波導(dǎo) 12()()0mrmrAJk aBKk a001122221122()()()()0mrmrnrmrrrrrjmjmAJk aA Jk aBK k aB Kk ak akk ak12()()0mrmrA Jk aB Kk a121122221122()()()()0mrmrmrnrrrrrjnjmAJk aA Jk aBKk aB Kk akk akk a2222121222111211()() ()kmSSSSkkqq最后得圓柱介質(zhì)最后得圓柱介質(zhì)波導(dǎo)導(dǎo)模的本征波導(dǎo)導(dǎo)模的本征值方程值方程 ，可確，可確定各模式的橫向定各模式的橫向場(chǎng)分布場(chǎng)分布 四個(gè)齊次方程有解是系數(shù)行列四個(gè)齊次方程有解是系數(shù)行列式為零，得本征方程式