微波技術基礎電子科大第10次課

1、 微波技術基礎微波技術基礎詹銘周電子科技大學電子工程學院 地點：清水河校區(qū)科研樓地點：清水河校區(qū)科研樓B336 電話：電話：61830860 電郵：電郵：本課內容本課內容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常用集成傳輸線的種類和主要特點l2、第四章介質波導和光波導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）注意耦合線結構注意耦合線結構共面波導（共面波導（CPW）共面帶線（共面帶線（CPS）接地共面波導（接地共面波導（CBCPW）Conducter-backed CPW指元器件、傳輸線導帶等指元器件、傳輸線導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均勻介質的多導體的多導體傳輸線傳輸線均勻介質均勻介質的單導體的單導體傳輸線傳輸線非均勻介質的平面非均勻介質的平面?zhèn)鬏斁€結構傳輸線結構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，是一種三導體一種三導體TEM波波傳輸線。上下兩塊導體板是傳輸線。

3、上下兩塊導體板是接地板，中間的導體帶位于上下板的對稱面上，接地板，中間的導體帶位于上下板的對稱面上，導體帶與接地板之間可以是空氣介質或填充其它導體帶與接地板之間可以是空氣介質或填充其它介質。故又稱為三板線或夾心線。介質。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為導體帶的厚度。當為導體帶的厚度。當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介質影響傳播速度介質影響傳播速度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以上關于微帶線的結論都是在準TEM近似下得出的。l有效介電常數(shù)、傳播速度、波導波長等與頻率無關。l事實上由于微帶線結構存在空氣和介質的突變，在此邊界上會有縱向場分量，微帶線實際傳播的是混合波。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個各個頻率

6、分量將以不同速度在微帶線上傳播信號失真。4. 頻率接近的TE1表面波截止頻率時相速度出現(xiàn)拐點 ：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導體損耗，介質損耗（耗散作用）導體損耗，介質損耗（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體損耗導體損耗介質損耗介質損耗懸置或倒置微帶線中，電磁場的大部分處于空氣懸置或倒置微帶線中，電磁場的大部分處于空氣中，介質影響不大，其有效相對介電常數(shù)中，介質影響不大，其有效相對介電常數(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，并且可實現(xiàn)的阻抗值范圍大，因此特別適，并且可實現(xiàn)的阻抗值范圍大，因此特別適合應用于濾波器、諧振電路等合應用于濾波器、諧振電路等Q值較高的場合。懸值較高的場合。懸置微帶線的缺點是，與標準微帶線相比，結構不緊置微帶線的缺點是，與標準微帶線相比，結構不緊湊。懸置或倒置微帶線傳輸?shù)闹髂Ｊ菧蕼悺抑没虻怪梦Ь€傳輸?shù)闹髂Ｊ菧蔜EM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當當0.2 a / b 1，1W/b8, , 精度在時優(yōu)于精度在時優(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和偶模激勵兩種狀態(tài)對勵和偶模激勵兩種狀態(tài)對它進行分析，其它的激勵它進行分析，其它的激勵狀態(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。 奇模激勵奇模激勵在耦合線的兩個中心導體帶上

10、加的電壓幅度相在耦合線的兩個中心導體帶上加的電壓幅度相等，而相位相反等，而相位相反 中心對稱面為電壁中心對稱面為電壁偶模激勵偶模激勵在耦合線的兩個中心導體帶上加的電壓幅度相在耦合線的兩個中心導體帶上加的電壓幅度相等，相位相同等，相位相同 中心對稱面為磁壁中心對稱面為磁壁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)填充介質的導槽線屬于分區(qū)填充介質的導波系統(tǒng)，波系統(tǒng)，非非TEM模模，即，即Ez和和Hz都不為零，屬于一種波導都不為零，屬于一種波導模模 。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（CPW）、共面帶線（CPS）等等。明顯優(yōu)點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共面波導共面波導共面波導共面波導 )()(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 雙側鰭線雙側鰭線單側鰭線單側鰭線雙側非對稱鰭線雙側非對稱鰭線對脊鰭線對脊鰭線絕緣鰭線絕緣鰭線安裝在金屬矩形波導E面上的平面電路，金屬鰭印刷在介質基片上應用于毫米波頻段。工作模式為混合模，特性參量計算較為復雜，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，以及傳輸線之間的轉換結構。面線，矩形波導，以及傳輸線之間的轉換結構。在上方端口處一般會接上同軸接頭，還會用到同軸在上方端口處一

13、般會接上同軸接頭，還會用到同軸線。線。毫米波鰭線混頻器毫米波鰭線混頻器介質波導和光波導介質波導和光波導 當毫米波波段當毫米波波段亞毫米波段亞毫米波段太赫茲波段時太赫茲波段時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)使微帶的設計和使用復雜）高次模的出現(xiàn)使微帶的設計和使用復雜2）金屬波導的單模工作條件限制了其橫向尺寸不能超過大）金屬波導的單模工作條件限制了其橫向尺寸不能超過大約一個波長的范圍約一個波長的范圍。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，單模波導的尺寸就顯得太小，不僅制造工藝困難，而段，單

14、模波導的尺寸就顯得太小，不僅制造工藝困難，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，對毫米波段的來越大，衰減大到不能容忍的地步。因此，對毫米波段的高端及來說，封閉的金屬波導已不再適用。于是，適合于高端及來說，封閉的金屬波導已不再適用。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 介質波導等非封介質波導等非封閉式的傳輸線（或稱開波導）便應運而生閉式的傳輸線（或稱開波導）便應運而生矩形介質波導矩形介質波導介質鏡像波導介質鏡像波導隔離介質波導隔離介質波導倒置帶狀介質波導倒置帶

15、狀介質波導圓柱介質波導圓柱介質波導光纖光纖介質波導和光波導介質波導和光波導 圓柱介質波導圓柱介質波導 要求要求02121傳輸?shù)碾姶挪楸砻娌?，傳輸?shù)碾姶挪楸砻娌ǎ腔旌夏?，是混合模，Hz0和和Ez0分析方法與金屬園波導一樣，采用圓柱坐標系、縱向場法分析方法與金屬園波導一樣，采用圓柱坐標系、縱向場法220tcozkE 220tcozkH 介質波導和光波導介質波導和光波導 222 kkc在不同介質在不同介質kc中取不同值中取不同值 在介質柱內在介質柱內 ，區(qū)區(qū)在介質柱內在介質柱內 ，區(qū)區(qū) 且且2121202212rrckkkk2222202222rrckkkk0220222rrkk（沿（沿r 方

16、向為衰減場）方向為衰減場）介質介質區(qū)中，場沿區(qū)中，場沿r r 呈駐波分布呈駐波分布介質介質區(qū)中，區(qū)中，場沿場沿r 為指數(shù)衰減為指數(shù)衰減圓柱介質波導內：圓柱介質波導內：和和圓柱介質波導外：圓柱介質波導外：和和0 111( )( )zER r0 111( )( )zHR r0 222( )( )zER r0 222( )( )zHR r介質波導和光波導介質波導和光波導 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)將上述通解應用于討

17、論的實際情況，則有將上述通解應用于討論的實際情況，則有（1）圓柱介質內部因中心軸處場應為有限值，故）圓柱介質內部因中心軸處場應為有限值，故B10；（2）圓柱介質外部因無窮遠處場應為）圓柱介質外部因無窮遠處場應為0，故，故A20；（3）圓柱介質圓周方向上，場應為單值，故）圓柱介質圓周方向上，場應為單值，故m為整數(shù)。為整數(shù)。圓柱介質內部通常取圓柱介質內部通常取B30的圓極化解（當然也可取的圓極化解（當然也可取cosm和和sinn的線極化解）的線極化解） 介質波導和光波導介質波導和光波導 圓柱介質內部（圓柱介質內部（區(qū)區(qū)）圓柱介質外部圓柱介質外部 （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由橫縱場關系，可對應求出圓柱介質內、外橫向場分量由橫縱場關系，可對應求出圓柱介質內、外橫向場分量邊界條件在邊界條件在ra 處處 E0z1E0z2，E01E02，H0z1H0z2，H01H02 介質波導和光波導介質波導和光波導 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最后得圓柱介質最后得圓柱介質波導導模的本征波導導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分布場分布 四個齊次方程有解是系數(shù)行列四個齊次方程有解是系數(shù)行列式為零，得本征方程式