微波集成電路第二章講義

1、第二章 微波平面?zhèn)鬏斁€電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義目錄2.1 2.1 引言引言2.2 2.2 微帶線微帶線2.32.3帶狀線帶狀線2.42.4懸置微帶和倒置微帶懸置微帶和倒置微帶2.52.5槽線和共面波導(dǎo)槽線和共面波導(dǎo)2.62.6鰭線鰭線2.72.7其他平面?zhèn)鬏斁€其他平面?zhèn)鬏斁€微波常用傳輸線矩形波導(dǎo)圓波導(dǎo)平行雙線同軸線微帶線2.1 引言2.1 引言平面?zhèn)鬏斁€平面?zhèn)鬏斁€微帶線微帶線帶狀線帶狀線懸置微帶和倒懸置微帶和倒置微帶置微帶槽線與共面波導(dǎo)槽線與共面波導(dǎo)相速和波長(zhǎng)相速和波長(zhǎng)特性阻抗特性阻抗衰減常數(shù)衰減常數(shù)功率容量功率容量設(shè)計(jì)原則設(shè)計(jì)原則微波平面?zhèn)鬏斁€通常由介質(zhì)基片、介質(zhì)基片上的導(dǎo)帶

2、與金微波平面?zhèn)鬏斁€通常由介質(zhì)基片、介質(zhì)基片上的導(dǎo)帶與金屬接地層組成，制備工藝包括厚膜工藝和薄膜工藝。屬接地層組成，制備工藝包括厚膜工藝和薄膜工藝。2.1 引言對(duì)基片材料的要求對(duì)基片材料的要求: :（1 1）較高的介電常數(shù)，使電路小型化）較高的介電常數(shù)，使電路小型化( (針對(duì)微波頻率針對(duì)微波頻率) )；（2 2）低損耗；）低損耗；（3 3）介電常數(shù)）介電常數(shù) 穩(wěn)定；穩(wěn)定；（4 4）純度高，性能一致性好；）純度高，性能一致性好；（5 5）表面光潔度高，金屬附著力好；）表面光潔度高，金屬附著力好；（6 6）擊穿強(qiáng)度高）擊穿強(qiáng)度高, , 導(dǎo)熱性好導(dǎo)熱性好( (針對(duì)大功率針對(duì)大功率) )。2.1 引言材

3、料名稱材料名稱表面粗糙表面粗糙度（度（umum）10GHz10GHz時(shí)的時(shí)的損耗正切（損耗正切（10-10-4 4）介電常介電常數(shù)數(shù)導(dǎo)熱率導(dǎo)熱率（W/cmW/cm）應(yīng)用與特點(diǎn)應(yīng)用與特點(diǎn)FR4FR4環(huán)氧玻環(huán)氧玻纖布基板纖布基板101510152.52.82.52.8厘米波段厘米波段MICMIC價(jià)格低，加工容易價(jià)格低，加工容易氧化鋁氧化鋁99%99%215215252599.599.50.30.3厘米至毫米波段厘米至毫米波段藍(lán)寶石藍(lán)寶石0.510.511 199.599.50.40.4毫米波毫米波MICMIC高介陶瓷高介陶瓷1212208020800.010.050.010.05用于小尺寸電路用于

4、小尺寸電路聚四氟乙烯聚四氟乙烯纖維加強(qiáng)板纖維加強(qiáng)板4304302.24.02.24.0毫米波毫米波MICMIC石英石英0.10.50.10.51 13.83.80.010.01毫米波毫米波MICMIC，但易，但易碎碎氧化鈹氧化鈹2102101 16.66.62.52.5導(dǎo)熱好，用于功率導(dǎo)熱好，用于功率器件器件硅硅1 1101001010012121.51.5MMICMMIC砷化鎵砷化鎵1 16 612.912.90.460.46MMICMMIC磷化銦磷化銦14140.680.68MMICMMIC碳化硅碳化硅10103.33.3MMICMMIC2.1 引言2.1 引言性能：性能：超常的層間結(jié)合；

5、超常的層間結(jié)合；低吸水率；低吸水率；增強(qiáng)的尺寸穩(wěn)定性；增強(qiáng)的尺寸穩(wěn)定性；低低Z Z軸膨脹；軸膨脹；頻率使用范圍穩(wěn)定的介電常數(shù)；頻率使用范圍穩(wěn)定的介電常數(shù)；增強(qiáng)的撓性強(qiáng)度。增強(qiáng)的撓性強(qiáng)度。應(yīng)用：功率放大器；濾波器和連結(jié)器；無(wú)源元器件；天線。應(yīng)用：功率放大器；濾波器和連結(jié)器；無(wú)源元器件；天線。Rogers RT/duroid 5880Rogers RT/duroid 5880高頻層高頻層壓板使用在壓板使用在: :商用航空電話電路商用航空電話電路微帶線和帶狀線電路微帶線和帶狀線電路毫米波應(yīng)用毫米波應(yīng)用軍用雷達(dá)系統(tǒng)軍用雷達(dá)系統(tǒng)導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)字無(wú)線電天線點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)字無(wú)線電天線2.1 引言

6、2.1 引言有機(jī)物柔性基板：有機(jī)物柔性基板：LCPLCP、polyimide filmpolyimide filmConsiderably cheaper than the Teflon-like dielectrics.Considerably cheaper than the Teflon-like dielectrics.Mechanical stability is a few times higher than for a polyiMechanical stability is a few times higher than for a polyimide.mide.Its CTE

7、 of 16 ppm/Its CTE of 16 ppm/ C is close to that of a copper conducC is close to that of a copper conductor, resulting in low warpage after etch.tor, resulting in low warpage after etch.High moisture and chemical resistance.High moisture and chemical resistance.Nearly constant dielectric permittivit

8、y and a low dielectric Nearly constant dielectric permittivity and a low dielectric loss tangent (r = 3, tan = 0.004 at 35 GHz) up to 11loss tangent (r = 3, tan = 0.004 at 35 GHz) up to 110 GHz.0 GHz.對(duì)于金屬材料的要求：對(duì)于金屬材料的要求：（1 1）高的導(dǎo)電率；）高的導(dǎo)電率；（2 2）低的電阻溫度系數(shù)；）低的電阻溫度系數(shù)；（3 3）對(duì)基片的附著性能好）對(duì)基片的附著性能好; ;（4 4）好的刻蝕性和

9、可焊接性）好的刻蝕性和可焊接性; ;（5 5）易于淀積和電鍍。）易于淀積和電鍍。2.1 引言材料材料 表面電阻表面電阻率率(f單位單位:Hz)趨膚深度趨膚深度2GHz（m）熱膨脹系數(shù)熱膨脹系數(shù)（10-8/）與介質(zhì)與介質(zhì)附著力附著力工藝方法工藝方法銀（銀（Ag）2.51.421差差蒸發(fā)蒸發(fā)銅（銅（Cu）2.61.518差差電鍍電鍍/蒸發(fā)蒸發(fā)/淀積淀積金（金（Au）3.01.715差差電鍍電鍍/蒸發(fā)蒸發(fā)鋁（鋁（Al）3.31.926差差蒸發(fā)蒸發(fā)鉻（鉻（Cr）4.72.79好好蒸發(fā)蒸發(fā)鈀（鈀（pd）3.611中中蒸發(fā)蒸發(fā)/電鍍電鍍/濺射濺射鉭鉭(Ta)7.24.06.6好好濺射濺射2.1 引言常用的

10、是二至四層結(jié)構(gòu)，如鉻常用的是二至四層結(jié)構(gòu)，如鉻- -金（金（Cr-AuCr-Au）、鎳鉻）、鎳鉻- -金（金（Ni Cr-AuNi Cr-Au）、鈦）、鈦- -鉑鉑- -金金（Ti-Pt-AuTi-Pt-Au）、鈦）、鈦- -鈀鈀- -金（金（Ti-Pd-AuTi-Pd-Au）、鈦）、鈦- -銅銅- -金（金（Ti-Cu-AuTi-Cu-Au）、鉻）、鉻- - -銅銅- -鉻鉻- -金（金（Cr-Cr-Cu-Cr-AuCu-Cr-Au）等。）等。MICMIC主要工藝過(guò)程：主要工藝過(guò)程：2.1 引言基片處理基片處理研磨拋光研磨拋光鍍膜鍍膜金屬層減薄金屬層減薄版圖制作版圖制作圖形放大圖形放大照相制

11、版照相制版光刻腐蝕光刻腐蝕甩膠甩膠曝光曝光腐蝕腐蝕接地接地/ /電鍍電鍍接地金屬化接地金屬化電鍍防護(hù)電鍍防護(hù) 光刻薄膜工藝光刻薄膜工藝2.1 引言曝光（曝光（Exposure）a、接觸式曝光（、接觸式曝光（Contact Printing） 1970年前，設(shè)備簡(jiǎn)單年前，設(shè)備簡(jiǎn)單,污染嚴(yán)重，壽命污染嚴(yán)重，壽命低，分辨率低，分辨率 0.5m。b、接近式曝光（、接近式曝光（Proximity Printing） 1970年后，間距大約為年后，間距大約為1050m，引入衍射效應(yīng)，分辨率引入衍射效應(yīng)，分辨率 24m。c、投影式曝光（、投影式曝光（Projection Printing） 使用透鏡聚集光實(shí)

12、現(xiàn)曝光，提高了分使用透鏡聚集光實(shí)現(xiàn)曝光，提高了分辨率，掩模板的制作更加容易，掩膜辨率，掩模板的制作更加容易，掩膜板上的缺陷影響減小。板上的缺陷影響減小。70年代末年代末80年代初，掃描投影曝光，年代初，掃描投影曝光， 1m工藝；掩模板比例工藝；掩模板比例1：1；80年代末年代末90年代，步進(jìn)重復(fù)投影曝光年代，步進(jìn)重復(fù)投影曝光， 0.35m0.25，比例，比例4：190年代末至今，掃描步進(jìn)投影曝光，年代末至今，掃描步進(jìn)投影曝光， 0.18m工藝工藝2.1 引言 電子束刻蝕薄膜工藝電子束刻蝕薄膜工藝2.1 引言 薄膜與厚膜工藝產(chǎn)品之差異分析薄膜與厚膜工藝產(chǎn)品之差異分析2.1 引言薄膜工藝薄膜工藝厚

13、膜工藝厚膜工藝精度精度高，高， 1%1%較低，較低， 10%10%鍍層材料鍍層材料材料穩(wěn)定度高材料穩(wěn)定度高易受漿料影響易受漿料影響鍍層表面鍍層表面表面平整度高，誤差表面平整度高，誤差0.3m0.3m較差，誤差較差，誤差3m3m設(shè)備設(shè)備成本高成本高成本低成本低鍍層附著鍍層附著性性無(wú)需高溫?zé)Y(jié)，不含無(wú)需高溫?zé)Y(jié)，不含氧化物、附著性好氧化物、附著性好易受基板材質(zhì)影易受基板材質(zhì)影響響電路對(duì)準(zhǔn)電路對(duì)準(zhǔn)使用曝光顯影，對(duì)準(zhǔn)使用曝光顯影，對(duì)準(zhǔn)性高性高易受絲網(wǎng)張力及易受絲網(wǎng)張力及使用次數(shù)影響，使用次數(shù)影響，對(duì)準(zhǔn)性較差對(duì)準(zhǔn)性較差2.2 微帶線微帶線微帶線目前是混合微波集成電路（微帶線目前是混合微波集成電路（HMI

14、CHMIC）和單片微波集成電）和單片微波集成電路（路（MMICMMIC）以及多芯片組件（）以及多芯片組件（MCMMCM）使用最多的一種平面型）使用最多的一種平面型傳輸線。傳輸線。微帶線結(jié)構(gòu)及內(nèi)部場(chǎng)結(jié)構(gòu)微帶線結(jié)構(gòu)及內(nèi)部場(chǎng)結(jié)構(gòu) 微帶線的優(yōu)缺點(diǎn)：微帶線的優(yōu)缺點(diǎn)： 與波導(dǎo)、同軸線等立體電路相比的主要優(yōu)點(diǎn)在于：與波導(dǎo)、同軸線等立體電路相比的主要優(yōu)點(diǎn)在于： （1 1）體積小、重量輕；）體積小、重量輕； （2 2）采用的半空間開(kāi)放電路結(jié)構(gòu)，便于與固體器件進(jìn)）采用的半空間開(kāi)放電路結(jié)構(gòu)，便于與固體器件進(jìn)行連接；行連接； （3 3）電路的可靠性和性能得到改善，同時(shí)制造成本低）電路的可靠性和性能得到改善，同時(shí)制造成

15、本低。 但也存在以下問(wèn)題有待解決：但也存在以下問(wèn)題有待解決： （1 1）傳輸線的損耗較大；）傳輸線的損耗較大； （2 2）散熱較差、介質(zhì)基片在高電壓下容易擊穿問(wèn)題。）散熱較差、介質(zhì)基片在高電壓下容易擊穿問(wèn)題。2.2 微帶線微帶線微帶線可以看成由平行雙線演變而來(lái)微帶線可以看成由平行雙線演變而來(lái)2.2.1 概要概要平行雙線到微帶線的演變過(guò)程平行雙線到微帶線的演變過(guò)程微帶線發(fā)展歷史微帶線發(fā)展歷史 1952年，年， Grieg and Engelmann，首次發(fā)表關(guān)于帶狀，首次發(fā)表關(guān)于帶狀線（線（stripline）的報(bào)道，）的報(bào)道， “Microstrip-A New Transmission Te

16、chnique for the Klilomegacycle Range” ，IRE proceeding 1955年，年， ITT Ferearl munications Laboratories（New Jersey）, 報(bào)道了多篇關(guān)于微帶線的報(bào)道，報(bào)道了多篇關(guān)于微帶線的報(bào)道，IEEE transactions on Microwave Theory and Technique. 1960年，薄基片厚度的微帶線流行。年，薄基片厚度的微帶線流行。2.2.1 概要概要微帶線由介質(zhì)基片、介質(zhì)基片微帶線由介質(zhì)基片、介質(zhì)基片上的導(dǎo)帶與金屬接地層組成。上的導(dǎo)帶與金屬接地層組成。2.2.1 概要概要微帶

17、線構(gòu)成微帶線構(gòu)成微帶線的微帶線的特性參數(shù)特性參數(shù)0( )( )dV zI z Z dz 0( )( )dI zV z Y dz22002( )( )( )d V zZ YV zV zdz22002( )( )( )d I zZ Y I zI zdz傳輸線電壓、電流波動(dòng)方程傳輸線電壓、電流波動(dòng)方程均勻傳輸線電壓、電流微均勻傳輸線電壓、電流微分方程或電報(bào)方程分方程或電報(bào)方程000ZRj L000YGj C2.2.2 微帶線特性分析微帶線特性分析 空氣微帶線特性阻抗：空氣微帶線特性阻抗：Zv C010011傳輸波的相速范圍傳輸波的相速范圍 vvvprp0單位長(zhǎng)度分布電容范圍單位長(zhǎng)度分布電容范圍 CC

18、Cr01001特性阻抗范圍特性阻抗范圍 ZZZr01001 TEMTEM模無(wú)耗傳輸線的特性阻抗：模無(wú)耗傳輸線的特性阻抗： Zv Cp001當(dāng)微帶線的周圍全部用相對(duì)介電常數(shù)為當(dāng)微帶線的周圍全部用相對(duì)介電常數(shù)為 的介質(zhì)填充時(shí)，的介質(zhì)填充時(shí)，其特性阻抗為其特性阻抗為rZZr0012.2.2 微帶線特性分析微帶線特性分析vvpre0相速為相速為相波長(zhǎng)為相波長(zhǎng)為 pre0單位長(zhǎng)度分單位長(zhǎng)度分布電容為布電容為 CCre001特性阻抗為特性阻抗為 ZZre001rerCCq00111式中式中q q為填充因子，表示介質(zhì)填充的程度為填充因子，表示介質(zhì)填充的程度 qhw121110122.2.2 微帶線特性分析微

19、帶線特性分析微帶線的周圍為非均勻介質(zhì)填充時(shí)，引入相對(duì)等效介電常數(shù)微帶線的周圍為非均勻介質(zhì)填充時(shí)，引入相對(duì)等效介電常數(shù)微帶線的分析方法微帶線的分析方法1952年時(shí)，年時(shí)， Grieg and Engelmann采用分析方法基于平行雙線的準(zhǔn)靜態(tài)分采用分析方法基于平行雙線的準(zhǔn)靜態(tài)分析。析。20世紀(jì)世紀(jì)60年代，保角變換、格林函數(shù)、年代，保角變換、格林函數(shù)、有限差分法等發(fā)展；有限差分法等發(fā)展；1971年時(shí)，嚴(yán)格的場(chǎng)解方法已經(jīng)能夠計(jì)年時(shí)，嚴(yán)格的場(chǎng)解方法已經(jīng)能夠計(jì)算色散特性。算色散特性。2.2.2 微帶線特性分析微帶線特性分析微帶線特性分析微帶線特性分析u微帶線分析方法有兩種：微帶線分析方法有兩種：u（1

20、 1）準(zhǔn)靜態(tài)法）準(zhǔn)靜態(tài)法u（2 2）全波分析法）全波分析法u把微帶線的工作模式當(dāng)作把微帶線的工作模式當(dāng)作TEMTEM模來(lái)分析，這種分析方法模來(lái)分析，這種分析方法稱為稱為“準(zhǔn)靜態(tài)分析法準(zhǔn)靜態(tài)分析法” ” 。u全波分析法是利用高等電磁理論，求滿足完整全波分析法是利用高等電磁理論，求滿足完整MaxwellMaxwell方方程式及邊界條件的電磁場(chǎng)之解。程式及邊界條件的電磁場(chǎng)之解。2.2.2 微帶線特性分析微帶線特性分析28準(zhǔn)靜態(tài)分析：步驟準(zhǔn)靜態(tài)分析：步驟1 假設(shè)介質(zhì)不存在，金屬導(dǎo)體之外到處都是空氣，算假設(shè)介質(zhì)不存在，金屬導(dǎo)體之外到處都是空氣，算出其每單位長(zhǎng)電容及電感分別為出其每單位長(zhǎng)電容及電感分別為C

21、0C0及及L0L0，此時(shí)，此時(shí): : 特性阻抗為特性阻抗為相位傳播常數(shù)為相位傳播常數(shù)為 000/CLZa000CLa2.2.2 微帶線特性分析微帶線特性分析29準(zhǔn)靜態(tài)分析：步驟準(zhǔn)靜態(tài)分析：步驟2u放入介質(zhì)，利用數(shù)值方法（如：保角變換、有限差分、放入介質(zhì)，利用數(shù)值方法（如：保角變換、有限差分、積分方程和變分法）求出其單位長(zhǎng)電容積分方程和變分法）求出其單位長(zhǎng)電容C C，每單位長(zhǎng)電感，每單位長(zhǎng)電感仍為仍為L(zhǎng)0L0，于是微帶線的特性阻抗與相位傳播常數(shù)分別為，于是微帶線的特性阻抗與相位傳播常數(shù)分別為: :000aLCZZCC00aCLCC2.2.2 微帶線特性分析微帶線特性分析兩種情況下，上述準(zhǔn)靜態(tài)兩種

22、情況下，上述準(zhǔn)靜態(tài)法將不適用：法將不適用：介質(zhì)厚度和波長(zhǎng)相比擬；介質(zhì)厚度和波長(zhǎng)相比擬；頻率較高時(shí)，例如毫米波頻率較高時(shí)，例如毫米波頻段的高端。頻段的高端。原因：存在高階模式！原因：存在高階模式！利用全波法求解，可獲得利用全波法求解，可獲得更為準(zhǔn)確的微帶線特性阻更為準(zhǔn)確的微帶線特性阻抗和有效介電常數(shù)?？购陀行Ы殡姵?shù)。fre,Zc2.2.2 微帶線特性分析微帶線特性分析不論準(zhǔn)靜態(tài)分析或全波分析都很難找到簡(jiǎn)單的公式不論準(zhǔn)靜態(tài)分析或全波分析都很難找到簡(jiǎn)單的公式解，而必需利用數(shù)值方法，以電腦計(jì)算數(shù)值解。解，而必需利用數(shù)值方法，以電腦計(jì)算數(shù)值解。市面上有許多商用軟件可作微帶線的準(zhǔn)靜態(tài)分析及市面上有許多商

23、用軟件可作微帶線的準(zhǔn)靜態(tài)分析及全波分析全波分析 。優(yōu)缺點(diǎn)：精度高、但計(jì)算效率太低，無(wú)法滿足工程優(yōu)缺點(diǎn)：精度高、但計(jì)算效率太低，無(wú)法滿足工程需要。需要。半經(jīng)驗(yàn)解析公式半經(jīng)驗(yàn)解析公式利用近似物理模型或純經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式與測(cè)量結(jié)果，導(dǎo)利用近似物理模型或純經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式與測(cè)量結(jié)果，導(dǎo)出傳播常數(shù)與特性阻抗的公式；出傳播常數(shù)與特性阻抗的公式；例：例：Bahl Bahl 與與Garg Garg 的準(zhǔn)靜態(tài)公式的準(zhǔn)靜態(tài)公式( (與實(shí)驗(yàn)結(jié)果結(jié)果相與實(shí)驗(yàn)結(jié)果結(jié)果相當(dāng)吻合當(dāng)吻合) )2.2.2 微帶線特性分析微帶線特性分析uBahl Bahl 與與 Garg Garg 準(zhǔn)靜態(tài)公式計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)靜態(tài)公式計(jì)算結(jié)果 介質(zhì)基板厚度介質(zhì)基板

24、厚度100mm，金屬，金屬帶條厚度帶條厚度3mm； 相同的頻率、基板厚度、及金相同的頻率、基板厚度、及金屬帶條厚度之下，微帶線的特屬帶條厚度之下，微帶線的特性阻抗與傳播特性只與金屬帶性阻抗與傳播特性只與金屬帶條寬度有關(guān)；條寬度有關(guān)； 其他條件固定時(shí)，金屬帶條越其他條件固定時(shí)，金屬帶條越寬，其特性阻抗越小，而相對(duì)寬，其特性阻抗越小，而相對(duì)介電常數(shù)越大；介電常數(shù)越大； 可輕易在同一塊電路板作出不可輕易在同一塊電路板作出不同特性阻抗傳輸線。同特性阻抗傳輸線。r,w,hre,Zc2.2.2 微帶線特性分析微帶線特性分析2.2.2 微帶線特性分析微帶線特性分析r=934色散色散(Dispersion)u

25、 色散：電磁波的傳播速度隨其頻率變化而變化的現(xiàn)象。色散：電磁波的傳播速度隨其頻率變化而變化的現(xiàn)象。u微帶線不傳播微帶線不傳播TEMTEM波波u全波分析顯示其有效相對(duì)介點(diǎn)常數(shù)（全波分析顯示其有效相對(duì)介點(diǎn)常數(shù)（ re) re)和特性阻抗都和特性阻抗都會(huì)隨頻率變化，稱為色散；會(huì)隨頻率變化，稱為色散；u有效相對(duì)介電常數(shù)有效相對(duì)介電常數(shù)rere下相位傳播常數(shù)為：下相位傳播常數(shù)為：u也有研究人員提出色散模型的半經(jīng)驗(yàn)公式也有研究人員提出色散模型的半經(jīng)驗(yàn)公式u例：例：HammerstadHammerstad與與JensenJensen的特性阻抗公式的特性阻抗公式 ；u例：例：M.KobayashiM.Koba

26、yashi的有效相對(duì)介電常數(shù)公式；的有效相對(duì)介電常數(shù)公式；u均不必記，可寫成函數(shù)，使用時(shí)調(diào)用就可均不必記，可寫成函數(shù)，使用時(shí)調(diào)用就可 re002.2.2 微帶線特性分析微帶線特性分析Hammerstad特性阻抗公式（誤差范圍特性阻抗公式（誤差范圍0，則需要對(duì)，則需要對(duì)前式中帶條寬度前式中帶條寬度w以有效寬度以有效寬度we進(jìn)行修正，即進(jìn)行修正，即： we=w+w。在介電常數(shù)。在介電常數(shù)2 r 6、w/h1.25和和0.1t/w5h，側(cè)壁與微帶間距，側(cè)壁與微帶間距5w時(shí)，可以時(shí)，可以忽略。忽略。2.2.2 微帶線特性分析微帶線特性分析37u色散效應(yīng)影響色散效應(yīng)影響 特性阻抗和有效介電常數(shù)隨頻率變化

27、很特性阻抗和有效介電常數(shù)隨頻率變化很小，我們可以引用一經(jīng)驗(yàn)公式：小，我們可以引用一經(jīng)驗(yàn)公式： 其中其中fdfd的單位為的單位為GHzGHz，h h的單位為的單位為cmcm。當(dāng)。當(dāng)ffdffd時(shí)，色散效應(yīng)可以時(shí)，色散效應(yīng)可以忽略。忽略。 例例 采用相對(duì)介電常數(shù)為采用相對(duì)介電常數(shù)為2.22.2，厚度為，厚度為0.254mm0.254mm的介質(zhì)基片作為微的介質(zhì)基片作為微帶線的襯底時(shí)，對(duì)于帶線的襯底時(shí)，對(duì)于5050歐姆阻抗線而言，色散效應(yīng)可以忽略的歐姆阻抗線而言，色散效應(yīng)可以忽略的最高頻率是多少？最高頻率是多少？2.2.2 微帶線特性分析微帶線特性分析2.2.2 微帶線特性分析微帶線特性分析微帶線中傳

28、輸模式微帶線中傳輸模式u空氣介質(zhì)的微帶線存在無(wú)色散的空氣介質(zhì)的微帶線存在無(wú)色散的TEM模。模。u實(shí)際微帶線是制作在介質(zhì)基片上的，是實(shí)際微帶線是制作在介質(zhì)基片上的，是TE模和模和TM模的模的混合模?；旌夏?。u微帶線中的傳輸模式類似于微帶線中的傳輸模式類似于TEM模，故稱為準(zhǔn)模，故稱為準(zhǔn)TEM模。模。2.2.2 微帶線特性分析微帶線特性分析40微帶線無(wú)法傳播微帶線無(wú)法傳播TEM波說(shuō)明波說(shuō)明u空氣與介質(zhì)的交界面上電場(chǎng)的空氣與介質(zhì)的交界面上電場(chǎng)的切線方向分量連續(xù)，因此切線方向分量連續(xù)，因此axdxEE 下標(biāo)下標(biāo)d和和a分別表示交界面的分別表示交界面的介質(zhì)側(cè)及空氣側(cè)。介質(zhì)側(cè)及空氣側(cè)。2.2.2 微帶線特

29、性分析微帶線特性分析41微帶線無(wú)法傳播微帶線無(wú)法傳播TEM波說(shuō)明波說(shuō)明u利用利用Maxwell 方程式可得方程式可得u在直角坐標(biāo)系展開(kāi)，且利用交界在直角坐標(biāo)系展開(kāi)，且利用交界面兩側(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度法線方向分量連面兩側(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度法線方向分量連續(xù)的條件續(xù)的條件(假定介質(zhì)的假定介質(zhì)的r=1) axdxHH)()(zHyHyHyrdzazr12.2.2 微帶線特性分析微帶線特性分析微帶線無(wú)法傳播微帶線無(wú)法傳播TEM波說(shuō)明波說(shuō)明u由于由于 大于大于1，而且界面上的，而且界面上的Hy不為零，它對(duì)不為零，它對(duì)z的變化也不為零，的變化也不為零，因此式右邊的項(xiàng)不會(huì)是零，依據(jù)因此式右邊的項(xiàng)不會(huì)是零，依據(jù)上面的公式，其左方的

30、項(xiàng)因此不上面的公式，其左方的項(xiàng)因此不能為零，所以能為零，所以Hz也就不可以是也就不可以是0。rzHyHyHyrdzazr1無(wú)法滿足無(wú)法滿足TEMTEM波波Hz=0Hz=0！ 2.2.2 微帶線特性分析微帶線特性分析uTE10TE10模截止波長(zhǎng)為模截止波長(zhǎng)為 uTM01TM01模截止波長(zhǎng)為模截止波長(zhǎng)為 波導(dǎo)模波導(dǎo)模: : u微帶線中的高次模：波導(dǎo)模和表面波模微帶線中的高次模：波導(dǎo)模和表面波模波導(dǎo)模是指在金屬導(dǎo)帶與接地板之間構(gòu)成有限寬度的平板波波導(dǎo)模是指在金屬導(dǎo)帶與接地板之間構(gòu)成有限寬度的平板波導(dǎo)中存在的導(dǎo)中存在的TETE、TMTM模。平板波導(dǎo)的最低模。平板波導(dǎo)的最低TETE模和模和TMTM模是模

31、是TE10TE10模、模、TM01TM01模。模。rcw210TEh2rc2.2.2 微帶線特性分析微帶線特性分析微帶線中的主模和高次模微帶線中的主模和高次模u表面波模表面波模TE1TE1模截止波長(zhǎng)模截止波長(zhǎng): :u表面波表面波TM0TM0模截止波長(zhǎng)：模截止波長(zhǎng)：表面波模表面波模: : 141crTEh0cTM微帶線的單模工作條件微帶線的單模工作條件: :min(20.8 )41rrWhh 例例 ：對(duì)于石英基片，相對(duì)介電常數(shù)為：對(duì)于石英基片，相對(duì)介電常數(shù)為3.83.8，工作在，工作在100GHz100GHz時(shí)，時(shí)，要求最低表面模與準(zhǔn)要求最低表面模與準(zhǔn)TEMTEM模之間耦合可以忽略下，石英基片的

32、模之間耦合可以忽略下，石英基片的厚度不能超過(guò)多少？厚度不能超過(guò)多少？2.2.2 微帶線特性分析微帶線特性分析2.2.3微帶線的損耗微帶線的損耗微帶線的損耗主要分為三部分：微帶線的損耗主要分為三部分：（1 1）介質(zhì)損耗：當(dāng)電流通過(guò)介質(zhì)時(shí)，由于介質(zhì)分子）介質(zhì)損耗：當(dāng)電流通過(guò)介質(zhì)時(shí)，由于介質(zhì)分子交替著極化和晶格來(lái)回碰撞，而產(chǎn)生的損耗。交替著極化和晶格來(lái)回碰撞，而產(chǎn)生的損耗。（2 2）導(dǎo)體損耗：微帶線的導(dǎo)體帶條和接地板均具有）導(dǎo)體損耗：微帶線的導(dǎo)體帶條和接地板均具有有限的電導(dǎo)率，電流通過(guò)時(shí)必然引起損耗，是微帶線有限的電導(dǎo)率，電流通過(guò)時(shí)必然引起損耗，是微帶線損耗的主要部分。損耗的主要部分。（3 3）輻射

33、損耗：由微帶線場(chǎng)結(jié)構(gòu)的半開(kāi)放性所引起。）輻射損耗：由微帶線場(chǎng)結(jié)構(gòu)的半開(kāi)放性所引起。為避免輻射，減小損耗，并防止有其他電路的影響，為避免輻射，減小損耗，并防止有其他電路的影響，一般的微帶電路均裝在金屬屏蔽盒中。一般的微帶電路均裝在金屬屏蔽盒中。2.2.3微帶線的損耗微帶線的損耗20llPPe20(1)lPPe21-2lel001=22PpPlPp p為單位長(zhǎng)度傳輸線的功率損耗為單位長(zhǎng)度傳輸線的功率損耗 在電場(chǎng)作用下，能產(chǎn)生極化的一切物質(zhì)又被稱之為電介質(zhì)。在電場(chǎng)作用下，能產(chǎn)生極化的一切物質(zhì)又被稱之為電介質(zhì)。 如果將一塊電介質(zhì)放入一平行電場(chǎng)中，則可發(fā)現(xiàn)在介質(zhì)表面如果將一塊電介質(zhì)放入一平行電場(chǎng)中，則可

34、發(fā)現(xiàn)在介質(zhì)表面感應(yīng)出了電荷，即正極板附近的電介質(zhì)感應(yīng)出了負(fù)電荷，負(fù)感應(yīng)出了電荷，即正極板附近的電介質(zhì)感應(yīng)出了負(fù)電荷，負(fù)極板附近的介質(zhì)表面感應(yīng)出正電荷。極板附近的介質(zhì)表面感應(yīng)出正電荷。 這種電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生感生電荷的現(xiàn)象，稱之為電介這種電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生感生電荷的現(xiàn)象，稱之為電介質(zhì)的極化。感應(yīng)電荷產(chǎn)生的原因在于介質(zhì)內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)質(zhì)的極化。感應(yīng)電荷產(chǎn)生的原因在于介質(zhì)內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)( (原子、原子、分子、離子分子、離子) )在電場(chǎng)作用下正負(fù)電荷重心的分離，變成了偶在電場(chǎng)作用下正負(fù)電荷重心的分離，變成了偶極子。不同的偶極子有不同的電偶極矩，電偶極矩的方向與極子。不同的偶極子有不同的電偶極矩，電偶極矩的方

35、向與外電場(chǎng)方向一致。外電場(chǎng)方向一致。2.2.3微帶線的損耗微帶線的損耗u電介質(zhì)基本概念電介質(zhì)基本概念材料極化2.2.3微帶線的損耗微帶線的損耗電介質(zhì)參數(shù)：電介質(zhì)參數(shù)：介電常數(shù)：以絕緣材料為介質(zhì)與以真介電常數(shù)：以絕緣材料為介質(zhì)與以真空為介質(zhì)制成同尺寸電容器的電容空為介質(zhì)制成同尺寸電容器的電容量之比值。量之比值。 表示在單位電場(chǎng)中，單位體積內(nèi)表示在單位電場(chǎng)中，單位體積內(nèi)積蓄的靜電能量的大小。是表征電積蓄的靜電能量的大小。是表征電介質(zhì)極化并儲(chǔ)存電荷的能力，是個(gè)介質(zhì)極化并儲(chǔ)存電荷的能力，是個(gè)宏觀物理量。宏觀物理量。介質(zhì)損耗介質(zhì)損耗 ： 置于交流電場(chǎng)中的介質(zhì)，置于交流電場(chǎng)中的介質(zhì)，以內(nèi)部發(fā)熱以內(nèi)部發(fā)熱(

36、溫度升高溫度升高)形式表現(xiàn)出來(lái)形式表現(xiàn)出來(lái)的能量損耗。的能量損耗。2.2.3微帶線的損耗微帶線的損耗電介質(zhì)參數(shù)：電介質(zhì)參數(shù)：介質(zhì)損耗角介質(zhì)損耗角 對(duì)電介質(zhì)施加交流電壓，介質(zhì)內(nèi)對(duì)電介質(zhì)施加交流電壓，介質(zhì)內(nèi)部流過(guò)的電流相量與電壓相量之間部流過(guò)的電流相量與電壓相量之間的夾角的余角。的夾角的余角。介質(zhì)損耗角正切介質(zhì)損耗角正切 對(duì)電介質(zhì)施以正弦波電壓對(duì)電介質(zhì)施以正弦波電壓,外施外施電壓與相同頻率的電流之間相角的電壓與相同頻率的電流之間相角的余角余角的正切值的正切值tg.其物理意義是：其物理意義是：2.2.3微帶線的損耗微帶線的損耗分子結(jié)構(gòu)極性越強(qiáng), 和tg越大.非極性材料的極化程度小,和tg都較小. t

37、g 大，損耗大，材料發(fā)熱。 電容介質(zhì) ： 大，tg 小 作絕緣材料或電容器材料的高聚物,介電損耗越小越好 航空航天材料 小，tg 大，靜電小 高頻焊接：薄膜封口，tg 大 需要通過(guò)高頻加熱進(jìn)行干燥,模塑或?qū)λ芰线M(jìn)行高頻焊接時(shí),要求高聚物的介電損耗越大越好. 高頻電纜用PE(非極性)而不用PVC (極性) 2.2.3微帶線的損耗微帶線的損耗u介質(zhì)損耗：介質(zhì)損耗：010122ddpP11為介質(zhì)的介電常數(shù)，為介質(zhì)的介電常數(shù)， 0 0為導(dǎo)磁率，并把存在的介質(zhì)損耗為導(dǎo)磁率，并把存在的介質(zhì)損耗用一個(gè)等效損耗電導(dǎo)用一個(gè)等效損耗電導(dǎo)1 1 來(lái)表示。來(lái)表示。 當(dāng)有介質(zhì)損耗時(shí)，其有功電流密度和無(wú)功電流密度各為當(dāng)有

38、介質(zhì)損耗時(shí)，其有功電流密度和無(wú)功電流密度各為1E1E和和j1Ej1E。兩者大小比值的正切是衡量介質(zhì)損耗的一個(gè)。兩者大小比值的正切是衡量介質(zhì)損耗的一個(gè)基本參量，稱為損耗角正切：基本參量，稱為損耗角正切： 11tan =dtan27.3/gdB cm通常該損耗與導(dǎo)體損耗相比往往可以忽略不計(jì)，但在介質(zhì)吸通常該損耗與導(dǎo)體損耗相比往往可以忽略不計(jì)，但在介質(zhì)吸水或含有其他雜質(zhì)時(shí)，介質(zhì)損耗將會(huì)增大。水或含有其他雜質(zhì)時(shí)，介質(zhì)損耗將會(huì)增大。2.2.3微帶線的損耗微帶線的損耗電場(chǎng)全部浸在電場(chǎng)全部浸在介質(zhì)中時(shí)介質(zhì)中時(shí)u導(dǎo)體損耗：導(dǎo)體損耗：00=(/)0.86822cccRRN mZZ（dB/m）表面電阻系數(shù)表面電阻

39、系數(shù)R0c趨膚深度趨膚深度c表面不平度表面不平度c要求：要求：1.表面粗糙度表面粗糙度5趨附深度。趨附深度。2.2.3微帶線的損耗微帶線的損耗總損耗隨基片厚度的變化情況總損耗隨基片厚度的變化情況f,r,hT2.2.3微帶線的損耗微帶線的損耗Q一段微帶線上的最大儲(chǔ)能 2一段微帶線一個(gè)周期內(nèi)的損耗能量品質(zhì)因數(shù)品質(zhì)因數(shù)Q Q值的定義：值的定義： 由于傳輸線上損耗的能量分成介質(zhì)、導(dǎo)體和輻射損耗，因由于傳輸線上損耗的能量分成介質(zhì)、導(dǎo)體和輻射損耗，因此也有相應(yīng)的此也有相應(yīng)的Qc(Qc(導(dǎo)體損耗對(duì)應(yīng)導(dǎo)體損耗對(duì)應(yīng)Q Q值值) )、QdQd（介質(zhì)損耗對(duì)應(yīng)（介質(zhì)損耗對(duì)應(yīng)Q Q值）值）和輻射損耗和輻射損耗Qr( Q

40、r( 輻射損耗對(duì)應(yīng)的輻射損耗對(duì)應(yīng)的Q Q值值), ),它們的關(guān)系是它們的關(guān)系是 ：1111=cdrQQQQ微帶線的品質(zhì)因素微帶線的品質(zhì)因素2.2.4微帶線的品質(zhì)因素微帶線的品質(zhì)因素與波導(dǎo)、同軸線相比，微帶的與波導(dǎo)、同軸線相比，微帶的Q Q值通常要低一至二個(gè)數(shù)量級(jí)值通常要低一至二個(gè)數(shù)量級(jí)品質(zhì)因數(shù)隨基片厚度的變化情況品質(zhì)因數(shù)隨基片厚度的變化情況對(duì)一個(gè)給定頻率，存在一個(gè)對(duì)一個(gè)給定頻率，存在一個(gè)使使Q值最大的最佳基片厚度值最大的最佳基片厚度hoptf,rhopt（原因：輻射損耗（原因：輻射損耗 ）2.2.4微帶線的品質(zhì)因素微帶線的品質(zhì)因素毫米波電路尺寸小，制造公差問(wèn)題比較突出毫米波電路尺寸小，制造公差

41、問(wèn)題比較突出公差的影響公差的影響低介電常數(shù)的薄低介電常數(shù)的薄基片允許的公差基片允許的公差相對(duì)大一些相對(duì)大一些2.2.5微帶線的公差影響微帶線的公差影響rerS0rZSu最高工作頻率受限于最高工作頻率受限于u寄生模的激勵(lì)寄生模的激勵(lì)u過(guò)高的損耗過(guò)高的損耗u色散色散u嚴(yán)重的不連續(xù)效應(yīng)嚴(yán)重的不連續(xù)效應(yīng)u輻射引起的輻射引起的Q Q值降低值降低u嚴(yán)格的制造公差嚴(yán)格的制造公差u加工安裝損壞加工安裝損壞u制造工藝的限制制造工藝的限制 頻率上限頻率上限2.2.6 微帶線的工作頻率極限微帶線的工作頻率極限目前理論表明，普目前理論表明，普通微帶線結(jié)構(gòu)最高通微帶線結(jié)構(gòu)最高工作頻率工作頻率110GHz.(36)W 和

42、和 2.3 帶狀線帶狀線特性阻抗：特性阻抗： 惠勒（Wheeler，H.A.）用保角變換法得到了如下有限厚度導(dǎo)體帶帶狀線特性阻抗公式2304 18 18 1Zln 1.6.27crmmmtbWtbWmnxbWxxxxxtbW1 . 1/0796. 02ln5 . 01)1 (2btxxx，1.3212n式中式中t t為導(dǎo)體帶的厚度。當(dāng)為導(dǎo)體帶的厚度。當(dāng)W / (b - t)10W / (b - t)h(Wh(即邊緣場(chǎng)的作用不大即邊緣場(chǎng)的作用不大) )時(shí)可用下列近似公式計(jì)算其特時(shí)可用下列近似公式計(jì)算其特性阻抗和等效介電常數(shù)：性阻抗和等效介電常數(shù)： cceZZ120 ()cahZw(1)rerca

43、hbah2.4 懸置微帶和倒置微帶2.5 槽線和共面波導(dǎo)槽線的場(chǎng)結(jié)構(gòu)和電流分布槽線的場(chǎng)結(jié)構(gòu)和電流分布槽線結(jié)構(gòu)示意圖槽線結(jié)構(gòu)示意圖TE波槽線的介質(zhì)基片必須用槽線的介質(zhì)基片必須用高介電常數(shù)材料高介電常數(shù)材料 共面波導(dǎo)有一個(gè)獨(dú)特的性質(zhì)，即其特性阻抗與共面波導(dǎo)有一個(gè)獨(dú)特的性質(zhì)，即其特性阻抗與基片的厚度幾乎無(wú)關(guān)。因此，可以利用低損耗基片的厚度幾乎無(wú)關(guān)。因此，可以利用低損耗高介電常數(shù)的材料作為基片來(lái)減小縱向電路尺高介電常數(shù)的材料作為基片來(lái)減小縱向電路尺寸，這對(duì)于低頻段的微波集成電路來(lái)說(shuō)是特別寸，這對(duì)于低頻段的微波集成電路來(lái)說(shuō)是特別重要的。重要的。共面波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)示意圖共面波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)示意圖共面波導(dǎo)的場(chǎng)強(qiáng)示意圖

44、共面波導(dǎo)的場(chǎng)強(qiáng)示意圖2.5 槽線和共面波導(dǎo) 準(zhǔn)準(zhǔn)TEMTEM模傳輸截止頻率高，適合極高頻集成電路應(yīng)模傳輸截止頻率高，適合極高頻集成電路應(yīng)用；色散效應(yīng)比微帶線弱，適合寬帶電路設(shè)計(jì)。用；色散效應(yīng)比微帶線弱，適合寬帶電路設(shè)計(jì)。100GHz 100GHz 放大器單片電路放大器單片電路2.5 槽線和共面波導(dǎo)缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：微帶線的損耗要低于共面波導(dǎo)；微帶線的損耗要低于共面波導(dǎo)；微帶線的等效介電常數(shù)要高于共面波微帶線的等效介電常數(shù)要高于共面波導(dǎo)，因此具有更短的波長(zhǎng)，從而具導(dǎo)，因此具有更短的波長(zhǎng)，從而具有更小的分布效應(yīng)；有更小的分布效應(yīng)；共面波導(dǎo)的模型更為復(fù)雜，建模困難共面波導(dǎo)的模型更為復(fù)雜，建模困難。5-55

45、GHz 5-55GHz 分分布式放大器布式放大器單片電路單片電路2.5 槽線和共面波導(dǎo) 微帶線是一種非常好的傳輸線結(jié)構(gòu)，目前最高頻率可達(dá)微帶線是一種非常好的傳輸線結(jié)構(gòu)，目前最高頻率可達(dá)100GHz100GHz以上。但是在毫米波高端仍舊存在問(wèn)題：以上。但是在毫米波高端仍舊存在問(wèn)題：1. 1.輻射損耗大，電路中寄生模耦合明顯增加，電路輻射損耗大，電路中寄生模耦合明顯增加，電路Q Q值降值降低。低。2. 2.強(qiáng)烈的色散效應(yīng)以及隨之而來(lái)的高次模傳輸?shù)目赡苄员貜?qiáng)烈的色散效應(yīng)以及隨之而來(lái)的高次模傳輸?shù)目赡苄员厝粚?dǎo)致電路穩(wěn)定性下降。然導(dǎo)致電路穩(wěn)定性下降。3. 3.把多個(gè)電路集成在一起時(shí)，為減小電路間的有害耦

46、合必把多個(gè)電路集成在一起時(shí)，為減小電路間的有害耦合必須采用模式隔離或諧振吸收裝置。須采用模式隔離或諧振吸收裝置。2.6鰭線鰭線1972年，P.J.Meier提出的鰭線（Fishline）一種由介質(zhì)片支撐具有薄脊的加脊波導(dǎo)，或者一種帶有金屬鰭的介質(zhì)平板加載波導(dǎo)。鰭線傳播模式鰭線傳播的不是準(zhǔn)TEM模，是TE和TM模系組成的混合模。若以TE模為主，習(xí)慣叫HE模（磁電模），若以TM為主，則用EH模（電磁膜）表示。設(shè)計(jì)得當(dāng)，可以保證傳輸?shù)臑橹髂?zhǔn)TE10模，最高工作頻率140GHz。鰭線的組成鰭線可認(rèn)為是準(zhǔn)平面結(jié)構(gòu)，既要制作電路圖形，又要考慮金屬波導(dǎo)盒影響。鰭線常用的基片材料為軟基板，例如RT-duroid 5880?；ǔ０卜旁诰匦尾▽?dǎo)E面中心，用尼龍或者其他金屬螺釘固定裝配。為保持金屬鰭和金屬波導(dǎo)內(nèi)壁的射頻連續(xù)性，基片放置處的金屬波導(dǎo)寬壁壁厚應(yīng)等于g/4。2.6鰭線鰭線2.6鰭線鰭線 鰭線橫截面結(jié)構(gòu)示意圖鰭線橫截面結(jié)構(gòu)示意圖（a a）雙側(cè)鰭線；（）雙側(cè)鰭線；（b b）單側(cè)鰭線；（）單側(cè)鰭線；（c c）斜對(duì)側(cè)鰭線；）斜對(duì)側(cè)鰭線；（d d）單側(cè)絕緣鰭線；（）單側(cè)絕緣鰭線；（e e）雙側(cè)絕緣鰭線）雙側(cè)絕緣鰭線損耗小，最常用損耗小，最常用隔離鰭線，隔離鰭線，偏置偏置低阻低阻抗電抗電路使路使用用雙面做電路，雙面做電路，但損耗較大但損耗較大2.6鰭線鰭線（a a）濾波器；諧振器；）濾波器；諧振器