第三章 微帶線不連續(xù)性

1、電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義第三章 微波無(wú)源集成電路電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義目錄3.1 3.1 概述概述3.2 3.2 微帶集成電路中的不連續(xù)性微帶集成電路中的不連續(xù)性3.33.3耦合微帶線定向耦合器耦合微帶線定向耦合器3.43.4微帶線三端口功率分配器微帶線三端口功率分配器3.53.5微帶分支線定向耦合器和微帶環(huán)形電橋微帶分支線定向耦合器和微帶環(huán)形電橋3.63.6微波集成濾波器微波集成濾波器電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義u微波集成電路發(fā)展微波集成電路發(fā)展小型化、低電壓、高可靠性，低成本小型化、低電壓、高可靠性，低成本波導(dǎo)立體電路平面混合集成電路MMICM

2、CMSOC第一代(1940s起）第二代(1960s起)(1970s起)第四代21世紀(jì) (1990s起)第三代3.1 3.1 概述概述 二次世界大戰(zhàn)期間，主要采用波導(dǎo)立體電路；二次世界大戰(zhàn)期間，主要采用波導(dǎo)立體電路； 1950s,1950s,平面?zhèn)鬏斁€概念平面?zhèn)鬏斁€概念被提出；被提出； 1960s, 1960s, 帶狀線、微帶線問(wèn)題解決，帶狀線、微帶線問(wèn)題解決，微波集成電路（微波集成電路（MICMIC）開(kāi)始發(fā)展）開(kāi)始發(fā)展; ; 1970s,1970s,氧化鋁基片和薄膜工藝發(fā)展，使得氧化鋁基片和薄膜工藝發(fā)展，使得MICMIC進(jìn)入高速發(fā)展期進(jìn)入高速發(fā)展期； 1980s, 1980s, MICMIC基

3、本成熟基本成熟。電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義p 微波混合集成電路微波混合集成電路定義：定義： 3.1概述p 微帶電路已成為微波混合集成電路的主要形式微帶電路已成為微波混合集成電路的主要形式u 微帶傳輸線半開(kāi)放結(jié)構(gòu)微帶傳輸線半開(kāi)放結(jié)構(gòu)便于集成固態(tài)器件和調(diào)試便于集成固態(tài)器件和調(diào)試u 微帶線微帶線良好傳輸特性良好傳輸特性 (1) (1)工作頻率最低上限頻率，可實(shí)現(xiàn)單模傳輸工作頻率最低上限頻率，可實(shí)現(xiàn)單模傳輸 (2) (2)弱色散特性弱色散特性 (3) (3)準(zhǔn)確地設(shè)計(jì)分析方法準(zhǔn)確地設(shè)計(jì)分析方法 (4) (4)精確的加工工藝精確的加工工藝u 低成本，批量化低成本，批量化在氧化鋁陶瓷、藍(lán)寶石

4、、鐵氧體以及復(fù)合介質(zhì)等絕緣介質(zhì)襯底上，采用在氧化鋁陶瓷、藍(lán)寶石、鐵氧體以及復(fù)合介質(zhì)等絕緣介質(zhì)襯底上，采用薄膜或厚膜技術(shù)制作出微波集成傳輸線薄膜或厚膜技術(shù)制作出微波集成傳輸線和和分布參數(shù)電路，并與帶封裝的分布參數(shù)電路，并與帶封裝的或裸芯片固態(tài)器件、片式元件（電阻、電容或電感）組合在一起，構(gòu)成或裸芯片固態(tài)器件、片式元件（電阻、電容或電感）組合在一起，構(gòu)成具有完整電路或系統(tǒng)功能的集成電路具有完整電路或系統(tǒng)功能的集成電路電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義u直流、低頻電路由直流、低頻電路由R R、L L、C C等集總元件構(gòu)成，由等集總元件構(gòu)成，由集總參數(shù)集總參數(shù)方法方法分析和設(shè)計(jì)分析和設(shè)計(jì)3.2微

5、帶帶集成路中的不連續(xù)連續(xù)性p微波電路及不連續(xù)性微波電路及不連續(xù)性u(píng)微波電路由微波電路由分布參數(shù)分布參數(shù)方法分析和設(shè)計(jì)方法分析和設(shè)計(jì)電路不能明確區(qū)分出電路不能明確區(qū)分出R R、L L、C C；電路嚴(yán)格地分析實(shí)際上是求解電磁場(chǎng)邊；電路嚴(yán)格地分析實(shí)際上是求解電磁場(chǎng)邊值問(wèn)題；值問(wèn)題；需考慮傳輸線傳播特性：需考慮傳輸線傳播特性： （1 1）傳播模式；（）傳播模式；（2 2）阻抗；（）阻抗；（3 3）相移）相移電路中可明確區(qū)分出電路中可明確區(qū)分出R R、L L、C C；電路為由；電路為由R R、L L、C C元件構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)；元件構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)；不用過(guò)多考慮傳輸線不用過(guò)多考慮傳輸線導(dǎo)線導(dǎo)線形狀尺寸和信號(hào)通過(guò)的損

6、耗和相移；形狀尺寸和信號(hào)通過(guò)的損耗和相移；相對(duì)于工作波長(zhǎng)，電路尺寸小，信號(hào)通過(guò)相對(duì)于工作波長(zhǎng)，電路尺寸小，信號(hào)通過(guò)附加路勁相移附加路勁相移可忽略可忽略傳輸線的材料、結(jié)構(gòu)、尺寸傳輸線的材料、結(jié)構(gòu)、尺寸3.2.13.2.1概述概述電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義3.2.1 概述u微波電路由微波電路由分布參數(shù)分布參數(shù)方法分析和設(shè)計(jì)方法分析和設(shè)計(jì)微波電路可等效為分布參數(shù)電路網(wǎng)絡(luò)微波電路可等效為分布參數(shù)電路網(wǎng)絡(luò)u由微波傳輸線段構(gòu)成的、體現(xiàn)由微波傳輸線段構(gòu)成的、體現(xiàn)“電抗電抗集中集中效應(yīng)效應(yīng)”的微波電的微波電路路網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)通常被稱作微波通常被稱作微波電路的電路的“不連續(xù)性不連續(xù)性” 分布參數(shù)元件分布

7、參數(shù)元件L L、C C由不同傳輸線段實(shí)現(xiàn)由不同傳輸線段實(shí)現(xiàn) 微波頻率高，電路所需微波頻率高，電路所需L L、元件值小、元件值小 不同傳輸線段具有不同的不同傳輸線段具有不同的“電抗集中效應(yīng)電抗集中效應(yīng)”（電場(chǎng)、磁場(chǎng)集中），（電場(chǎng)、磁場(chǎng)集中），可實(shí)現(xiàn)可實(shí)現(xiàn)L L、C C功能功能 ( (不是簡(jiǎn)單、獨(dú)立的不是簡(jiǎn)單、獨(dú)立的L L、C C ) )“不連續(xù)性不連續(xù)性”概念和傳輸線行波傳輸狀態(tài)相對(duì)；概念和傳輸線行波傳輸狀態(tài)相對(duì)；不連續(xù)性區(qū)域?qū)a(chǎn)生反射；不連續(xù)性區(qū)域?qū)a(chǎn)生反射；不連續(xù)性區(qū)域?qū)l(fā)生能量的存儲(chǔ)；不連續(xù)性區(qū)域?qū)l(fā)生能量的存儲(chǔ)；不連續(xù)性區(qū)域?qū)a(chǎn)生相移不連續(xù)性區(qū)域?qū)a(chǎn)生相移確定不連續(xù)性性質(zhì)確定不連續(xù)性性質(zhì)

8、電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義3.2.1 概述u 微微波波電路電路實(shí)際上是由多個(gè)不連續(xù)性構(gòu)成而實(shí)現(xiàn)特實(shí)際上是由多個(gè)不連續(xù)性構(gòu)成而實(shí)現(xiàn)特定功能的電路；定功能的電路； 嚴(yán)格的場(chǎng)方法嚴(yán)格的場(chǎng)方法(數(shù)值方法數(shù)值方法) ) 分布參數(shù)等效電路法分布參數(shù)等效電路法(TEM(TEM波傳輸線波傳輸線) )u 微波微波“不連續(xù)性不連續(xù)性”的分析方法：的分析方法：電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義3.2.1 概述p 微帶不連續(xù)性是構(gòu)成微帶電路的基本單元微帶不連續(xù)性是構(gòu)成微帶電路的基本單元u微帶不連續(xù)性是實(shí)現(xiàn)微帶線路功能的基本單元，微帶電路微帶不連續(xù)性是實(shí)現(xiàn)微帶線路功能的基本單元，微帶電路實(shí)際上是由多

9、個(gè)不連續(xù)性級(jí)聯(lián)構(gòu)成的實(shí)際上是由多個(gè)不連續(xù)性級(jí)聯(lián)構(gòu)成的（1 1）不連續(xù)性的性質(zhì)可由分布參數(shù)等效電路方法確定）不連續(xù)性的性質(zhì)可由分布參數(shù)等效電路方法確定（2 2）分布參數(shù)元件值由準(zhǔn)靜態(tài)分析方法確定）分布參數(shù)元件值由準(zhǔn)靜態(tài)分析方法確定（3 3）現(xiàn)代數(shù)值計(jì)算方法可準(zhǔn)確確定不連續(xù)性特性）現(xiàn)代數(shù)值計(jì)算方法可準(zhǔn)確確定不連續(xù)性特性u(píng)微帶電路不連續(xù)性采用微帶電路不連續(xù)性采用“場(chǎng)場(chǎng)”、“路路”結(jié)合的方法分析結(jié)合的方法分析 電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義 微帶開(kāi)路端微帶開(kāi)路端/ /端節(jié)線；端節(jié)線； 微帶線的階梯跳變；微帶線的階梯跳變； 微帶間隙；微帶間隙； 微帶線的拐角；微帶線的拐角； 微帶線微帶線T T

10、接頭；接頭； 微帶線十字接頭微帶線十字接頭; ;3.2.1 概述p微帶集成電路中不連續(xù)性種類微帶集成電路中不連續(xù)性種類電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義3.2.2微帶線帶線的開(kāi)開(kāi)路端/截?cái)鄶喽?/4/4開(kāi)路線開(kāi)路線; ;微帶到波導(dǎo)探針過(guò)渡微帶到波導(dǎo)探針過(guò)渡; ;微帶線匹配枝節(jié)微帶線匹配枝節(jié); ;u微微帶線開(kāi)帶線開(kāi)路端路端/ /截截?cái)鄶喽说亩说膽?yīng)應(yīng)用用電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義3.2.2微帶線帶線的開(kāi)開(kāi)路端/截?cái)鄶喽宋ч_(kāi)路端實(shí)際等效為微帶開(kāi)路端實(shí)際等效為RLCRLC終端終端u微微帶線開(kāi)帶線開(kāi)路端路端/ /截截?cái)鄶喽说牡刃Ф说牡刃щ婋娐仿烽_(kāi)路端末將出現(xiàn)過(guò)剩電荷，過(guò)剩電流，輻射

11、能量；開(kāi)路端末將出現(xiàn)過(guò)剩電荷，過(guò)剩電流，輻射能量；過(guò)剩電荷是主要的過(guò)剩電荷是主要的通常，微帶開(kāi)路端可由一個(gè)可等效電容或一段通常，微帶開(kāi)路端可由一個(gè)可等效電容或一段理想開(kāi)路線理想開(kāi)路線jcot()CZl =0cjtan()1|j Cjtan()LLCCZCLZZlZZZl01tan()cCClClZZ電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義3.2.2微帶線帶線的開(kāi)開(kāi)路端/截?cái)鄶喽藆微微帶線開(kāi)帶線開(kāi)路端路端/ /截截?cái)鄶喽说牡刃Ф说牡刃щ婋娐仿窚y(cè)量法確定微帶開(kāi)路端等效理想開(kāi)路線長(zhǎng)度測(cè)量法確定微帶開(kāi)路端等效理想開(kāi)路線長(zhǎng)度測(cè)量出測(cè)量出一段長(zhǎng)為一段長(zhǎng)為l 、兩端開(kāi)路微帶線諧振頻率和諧振波長(zhǎng)、兩端開(kāi)路微帶

12、線諧振頻率和諧振波長(zhǎng)（半波長(zhǎng)諧振器）（半波長(zhǎng)諧振器）llg2242gll 所測(cè)得的諧振波長(zhǎng)所測(cè)得的諧振波長(zhǎng) g和微帶和微帶TEMTEM波波長(zhǎng)波波長(zhǎng) gTEM不同不同, ,兩者關(guān)系可表示為：兩者關(guān)系可表示為：2111 ()ggTEMgTEMh 是介于是介于0.7-1.070.7-1.07之間之間的的常數(shù)常數(shù)，h是基片厚度是基片厚度電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義3.2.3微帶間帶間隙u微帶間隙及其等效電路微帶間隙及其等效電路特性：特性： - -型電容網(wǎng)絡(luò)型電容網(wǎng)絡(luò) 由于兩條微帶截?cái)喽讼嗷ビ绊?，由于兩條微帶截?cái)喽讼嗷ビ绊?，C C1 1C COCOC ； 間距間距s s越大，越大， C C1

13、212越小，越小， C C1 1就越接近就越接近C COCOC； 間距間距s s越小，越小， C C1212越大，越大， C C1 1就越小；就越??； s : 0s : 0， C C1 1：0 0 C COCOC ， C C1212 ： 0 0電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義3.2.3微帶間帶間隙u奇偶模法分析微帶間隙奇偶模法分析微帶間隙12eCC 偶模激勵(lì)：偶模激勵(lì)：1122oCCC 奇模激勵(lì)：奇模激勵(lì)：電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義階梯阻抗變換；階梯阻抗變換；高低阻抗低通濾波器高低阻抗低通濾波器; ;u微微帶線階帶線階梯梯階階梯跳梯跳變應(yīng)變應(yīng)用用3.2.4微帶線帶線的階階

14、梯跳變變電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義3.2.4微帶線帶線的階階梯跳變變微帶階梯跳變處，電能減少，磁能增加；微帶階梯跳變處，電能減少，磁能增加；階梯跳變呈階梯跳變呈感性，可由電感等效感性，可由電感等效u微微帶線階帶線階梯跳梯跳變變等效等效電電路路兩條不同導(dǎo)帶寬度微帶線的連接處，兩條不同導(dǎo)帶寬度微帶線的連接處，較寬微帶線局部被截?cái)噍^寬微帶線局部被截?cái)嘣谶B接處寬條帶電流線連續(xù)地向窄條在連接處寬條帶電流線連續(xù)地向窄條帶聚集，寬條帶截?cái)鄥^(qū)面電流密度變小，帶聚集，寬條帶截?cái)鄥^(qū)面電流密度變小，面電荷密度減小，低特性阻抗線的電流面電荷密度減小，低特性阻抗線的電流密度變小。密度變小。微帶階梯跳變處，

15、電界面和幾何界面不微帶階梯跳變處，電界面和幾何界面不一致。電界面向?qū)挆l帶偏移一致。電界面向?qū)挆l帶偏移電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義3.2.4微帶線帶線的階階梯跳變變u波波導(dǎo)導(dǎo)模模擬擬法法定性定性分析分析微微帶線階帶線階梯跳梯跳變變等效等效（1 1）將將微微帶線帶線用平板波用平板波導(dǎo)導(dǎo)等效等效 特性阻抗相同特性阻抗相同: :Zc 相位相位常常數(shù)數(shù)相同相同: : 基片厚度等于板基片厚度等于板間間距距: :h00e 0000111.CpeeZDvCh 001.CehDZ對(duì)偶對(duì)偶（2 2）應(yīng)應(yīng)用用對(duì)對(duì)偶定理，偶定理，將將平板波平板波導(dǎo)變換為對(duì)導(dǎo)變換為對(duì)偶波偶波導(dǎo)導(dǎo)；(3)(3)再再由由波波導(dǎo)

16、導(dǎo)等效等效電電路路對(duì)對(duì)偶偶變換為變換為平板波平板波導(dǎo)導(dǎo)等效等效電電路路微微帶帶等效等效電電路路電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義3.2.4微帶線帶線的階階梯跳變變u波波導(dǎo)導(dǎo)模模擬擬法法定性定性分析分析微微帶線階帶線階梯跳梯跳變變等效等效等效等效對(duì)偶對(duì)偶對(duì)偶對(duì)偶電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義3.2.5微帶線帶線拐角u微帶線拐角微帶線拐角 拐角區(qū)域等效為并聯(lián)電容拐角區(qū)域等效為并聯(lián)電容; ; 路路勁加長(zhǎng)等效為兩段傳輸線勁加長(zhǎng)等效為兩段傳輸線或電感或電感; ; 也可用對(duì)偶波導(dǎo)模擬法分析也可用對(duì)偶波導(dǎo)模擬法分析：微帶拐角電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義3.2.5微帶線帶線拐角u微

17、帶線微帶線修正修正拐角拐角 采用切角處理，減小拐角并聯(lián)電容效應(yīng)：采用切角處理，減小拐角并聯(lián)電容效應(yīng)： 把拐角的外部切把拐角的外部切成成4545斜角斜角，利用兩次反射的相互抵銷達(dá)到匹配，利用兩次反射的相互抵銷達(dá)到匹配。 斜角邊長(zhǎng)是使兩次反射抵消的關(guān)鍵斜角邊長(zhǎng)是使兩次反射抵消的關(guān)鍵。 對(duì)于對(duì)于5050微帶線，實(shí)驗(yàn)表明微帶線，實(shí)驗(yàn)表明， 45 45斜角斜角邊長(zhǎng)為邊長(zhǎng)為 1.6 1.6 倍導(dǎo)帶寬度時(shí)，倍導(dǎo)帶寬度時(shí)，從從L L波段到波段到 X X 波段都能得到良好匹配波段都能得到良好匹配。( (帶狀線結(jié)果帶狀線結(jié)果) )電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義3.2.6微帶線帶線T分支u微帶線微帶線T

18、T分支應(yīng)用廣泛：分支應(yīng)用廣泛： 微帶分支線電橋；微帶功率分配器；微帶分支線電橋；微帶功率分配器；并聯(lián)分支匹配電路；直流偏置網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)分支匹配電路；直流偏置網(wǎng)絡(luò) 電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義3.2.6微帶線帶線T分支u微帶線微帶線T T分支等效電路分支等效電路 等效為并聯(lián)電容等效為并聯(lián)電容 可采用對(duì)偶波導(dǎo)模擬法分析可采用對(duì)偶波導(dǎo)模擬法分析電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義3.2.6微帶線帶線T分支u對(duì)偶波導(dǎo)模擬法對(duì)偶波導(dǎo)模擬法分析微帶線分析微帶線T T分支分支對(duì)偶對(duì)偶對(duì)偶對(duì)偶電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義3.2.7微帶線帶線十字分支u微帶線微帶線十字十字分支分支 微帶十

19、字分支不連續(xù)性較大，微帶十字分支不連續(xù)性較大，實(shí)際應(yīng)用較少；實(shí)際應(yīng)用較少； 和和T T分支類似，微帶分支類似，微帶十字十字分支可分支可等效為并聯(lián)電容等效為并聯(lián)電容; ; 精確的結(jié)果主要由實(shí)驗(yàn)測(cè)定精確的結(jié)果主要由實(shí)驗(yàn)測(cè)定電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義3.2.8微帶線實(shí)現(xiàn)帶線實(shí)現(xiàn)集總總元件1.采用微帶結(jié)構(gòu)模擬集總元件：電感和電容采用微帶結(jié)構(gòu)模擬集總元件：電感和電容,/8ll一般 cZl cossinA =sincosCCljZljllZ 112222A =112LCLLCCLCX BXjX BjBX B2tan()2tan()2sin12sin()LCCgCCCgllXZZllBZZ電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義1sintan();22CCLClllZBXZ，Bc2gl特別地，時(shí)為純電感（=0）3.2.8微帶線實(shí)現(xiàn)帶線實(shí)現(xiàn)集總總元件1.采用微帶結(jié)構(gòu)模擬集總元件：電感和電容采用微帶結(jié)構(gòu)模擬集總元件：電感和電容,/8ll一般 cZl(3) g/4l g/2高高阻抗阻抗微帶線可近似等效微帶線可近似等效為為一個(gè)一個(gè)電電感；感；10sintan()22CCLClllZBXZ，(2) l g/4 低低阻抗微帶線可近似等效阻抗微帶線可近