第一章+傳輸線和集總參數(shù)元件

第一章+傳輸線和集總參數(shù)元件第一頁，共53頁。

在交流狀態(tài)下,有“集膚效應”；在射頻（f≥500MHz）范圍此導線相對于直流狀態(tài)的電阻和電感可分別表示為（1-3a）

（1-3b）

一般在δ＜＜a條件下成立第二頁，共53頁。

δ=(πfμσ)-1/2

（1-4）

定義為“集膚深度”。集膚深度與頻率之間滿足平方反比關系,隨著頻率的升高,集膚深度按平方率減小。 電流密度為（1-5）

p2=-jωμσ。第三頁，共53頁。圖

1-1交流狀態(tài)下銅導線橫截面電流密度對直流情況的歸一化值第四頁，共53頁。 金屬導線本身有一定的電感量,這個電感在射頻/微波電路中,會影響電路的工作性能。電感值與導線的長度、形狀和工作頻率有關。 金屬導線還可以看作一個電極,它與地線或其他電子元件之間存在一定的電容量,這個電容對射頻/微波電路的工作性能也有較大的影響。第五頁，共53頁。

集中參數(shù)元件尺寸小、價格低，可實現(xiàn)寬帶，這些優(yōu)點特適合HMIC和MMIC，目前應用可達60GHz以上。 集總參數(shù)元件的射頻特性

在微波頻段，集中參數(shù)元件可看作一段很小的TEM傳輸線來設計，設計時需要考慮綜合一些數(shù)學模型，建立模型時需考慮接地面的存在、鄰近效應、邊緣場、寄生參數(shù)等。第六頁，共53頁。電阻

基本功能是將電能轉換成熱產生電壓降。 電子電路中,一個或多個電阻可構成降壓或分壓電路用于器件的直流偏置,也可用作直流或射頻電路的負載電阻完成某些特定功能。通常有：

高密度碳介質合成電阻、鎳或其他材料的線繞電阻、溫度穩(wěn)定材料的金屬膜電阻和鋁或鈹基材料薄膜片電阻。 在射頻/微波電子電路中使用最多的是薄膜片電阻,一般使用表面貼裝元件（SMD）。第七頁，共53頁。所希望使用的薄膜電阻特性是： 穩(wěn)定性好的電阻值，不隨時間變化；低的電阻溫度系數(shù)（TCR）；足夠的散熱能力；寄生參量足夠??；最大長度小于0.1λ，使得傳輸線效應可以忽略。

第八頁，共53頁。

物質的電阻的大小與物質內部電子和空穴的遷移率有關。從外部看,

定義薄片電阻,則

(1-6a)(1-6b)第九頁，共53頁。圖1-3物質的體電阻圖1-4電阻的等效電路

圖

1-5線繞電阻的等效電路

第十頁，共53頁。圖1-6電阻的阻抗絕對值與頻率的關系電阻及其寄生電容和電感在高頻上隨頻率變化，是所有電阻器的一個共同問題第十一頁，共53頁。電容 在低頻率下,電容器的電容量定義為 在射頻/微波頻率下,實際的介質內部存在傳導電流,也就存在相應的損耗,介質中的帶電粒子還有一定的質量和慣性,在電磁場的作用下,很難隨之同步振蕩,在時間上有滯后現(xiàn)象,也會引起能量的損耗。第十二頁，共53頁。 所以

在射頻/微波應用中,還要考慮引線電感L以及引線導體損耗的串聯(lián)電阻Rg和介質損耗電阻Re。

（1-8）

（1-9）

第十三頁，共53頁。平面式電容器由金屬-絕緣體-金屬結構組成，氮化硅、氧化硅和聚酰亞胺是其經常使用的絕緣體。

第十四頁，共53頁。交指型電容器圖1-7射頻電容的等效電路

第十五頁，共53頁。交指型電容器交指型電容器的最大電容值受限于物理尺寸，其最大可工作的頻率受限于指間的分布特性。交指型電容器特別適合于用做調諧、耦合和匹配元件，這些場合要求電容量小、量值精確的電容器。交指型電容器和平面式電容器（金屬-絕緣體-金屬（MIM）電容器）兩者都能用于射頻集成電路中。平面式電容器在實現(xiàn)大容量值的隔直流模塊和去耦電路時需特別注意功率容量。第十六頁，共53頁。圖1-8電容阻抗的絕對值與頻率的關系注：也可用一段很短的開路傳輸線來模擬電容器第十七頁，共53頁。

電感

常用的電感器一般是線圈結構,在高頻率也稱為高頻扼流圈，其結構一般是用直導線沿柱狀結構纏繞而成。圖1-9在電感線圈中的分布電容和串聯(lián)電阻注：一段很短的短路傳輸線也可用來模擬電感器第十八頁，共53頁。

導線的纏繞構成電感的主要部分,而導線本身的電感可以忽略不計，細長螺線管的電感量為

（1-10）

在考慮了寄生旁路電容Cs以及引線導體損耗的串聯(lián)電阻Rs后，電感的等效電路如圖1-10所示。圖1-10高頻電感的等效電路第十九頁，共53頁。圖1-11電感阻抗的絕對值與頻率的關系 銅電感線圈的高頻特性：在諧振點之前阻抗升高很快,而在諧振點之后,由于寄生電容Cs的影響已經逐步處于優(yōu)勢地位而逐漸減小。第二十頁，共53頁。射頻/微波集成電路電感器可分為：（1）帶狀電感器（2）單圈環(huán)形電感器（3）多匝螺旋電感器第二十一頁，共53頁。知識回顧

傳輸線基本理論第二十二頁，共53頁。(1-13)

當R=G=0時,傳輸線沒有損耗,無耗傳輸線的傳輸常數(shù)γ及特性阻抗Z0分別為第二十三頁，共53頁。α定義為傳輸線的衰減常數(shù):

定義為相移常數(shù)：

波長相速度輸入阻抗第二十四頁，共53頁。1.傳輸線上距負載為半波長整數(shù)倍的各點的輸入阻抗等于負載阻抗；2.距負載為四分之一波長奇數(shù)倍的各點的輸入阻抗等于特性阻抗的平方與負載阻抗的比值；第二十五頁，共53頁。反射系數(shù)為終端反射系數(shù)輸入阻抗與反射系數(shù)的關系駐波比駐波比與反射系數(shù)的關系第二十六頁，共53頁。史密斯圓圖 史密斯圓圖是將歸一化阻抗（Z=r+jx）的復數(shù)半平面（r>0）變換到反射系數(shù)復數(shù)平面上。 將等電阻圓和等電抗圓兩組圓圖重疊起來就是阻抗圓圖。阻抗圓圖內任一點的阻抗值及其對應的反射系數(shù)可以讀出。依同樣的方法,也可得出導納圓圖。第二十七頁，共53頁。第二十八頁，共53頁。特點特殊點位置||VSWRrxl匹配點中心（0,0）0110開路點（1,0）10短路點（-1,0）100第二十九頁，共53頁。特點圓圖上有三條特殊軌跡實軸對應純電阻軌跡，即x＝0。正實軸OD直線為電壓波腹點（電流波節(jié)點）的軌跡，且歸一化電阻等于駐波系數(shù)；負實軸OC直線為電壓波節(jié)點（電流波腹點）的軌跡，且歸一化電阻等于行波系數(shù)；最外圓為純電抗圓，即||=1的全反射圓第三十頁，共53頁。阻抗圓圖----特點圓圖上有兩個特殊的面圓圖的上半平面x>0，感性電抗的軌跡圓圖的下半平面x<0，容性電抗的軌跡兩個旋轉方向順時針向波源逆時針向負載第三十一頁，共53頁。阻抗圓圖----特點Smith圓圖可以直接提供如下信息直接給出歸一化輸入阻抗值zin

，乘以特性阻抗即為實際值；直接給出反射系數(shù)的模值||及其相位；根據(jù)反射系數(shù)模值計算出駐波系數(shù)的值第三十二頁，共53頁。平面?zhèn)鬏斁€的特性 對于適合在微波集成電路中作為電路元件的傳輸線結構，主要要求之一是這種結構應是“平面”的，即電路的特性可以由單一平面內的結構和尺寸來決定?？稍贛IC中使用的各種形式的平面?zhèn)鬏斁€中，帶狀線、微帶線、懸置（倒置）微帶線、槽線、共面波導和共面帶狀線是有代表性的幾種。第三十三頁，共53頁。常用射頻/微波傳輸線第三十四頁，共53頁。

微帶線 微帶線是一種準TEM波傳輸線，結構簡單,工程效果佳,便于器件的安裝和電路調試,產品化程度高,已成為射頻/微波電路中首選的電路結構。

1.微帶線基本設計參數(shù)（1）基板參數(shù):基板介電常數(shù)εr、基板介質損耗角正切tanδ、基板高度h和導線厚度t。導帶和底板（接地板）金屬通常為銅、金、銀、錫或鋁。（2）電特性參數(shù):特性阻抗Z0、工作頻率f0、工作波長λ0、波導波長λg和電長度（角度）θ。（3）微帶線參數(shù)：寬度W、長度L和單位長度衰減量AdB。第三十五頁，共53頁。第三十六頁，共53頁。

2.微帶線的設計方法 微帶線設計的實質就是求給定介質基板情況下阻抗與導帶寬度的對應關系。目前使用的方法主要有： （1）查表格。 用法步驟是：①按相對介電常數(shù)選表格；②查阻抗值、寬高比W/h、有效介電常數(shù)εe三者的對應關系；③計算,通常h已知,則W可得,由εe求出波導波長,進而求出微帶線長度。

（2）用軟件。

仿真軟件AWR的MicrowaveOffice，AgilentADS，CST，HFSS，AnsotDesigner

數(shù)學計算軟件matlab第三十七頁，共53頁。

3.微帶線常用材料

1）介質材料 高速傳送信號的基板材料一般有陶瓷材料、玻纖布、聚四氟乙烯、其他熱固性樹脂等。 2）銅箔種類及厚度選擇 3）環(huán)境適應性選擇與電解銅箔相比，壓延銅箔更適合于制造高精密圖形

濕度和通孔對基板選擇的影響第三十八頁，共53頁。表1-2覆銅板基材的國內外主要生產廠家

第三十九頁，共53頁。

3.微帶線的局限

最高工作頻率受許多因素限制，譬如寄生模的激勵、較高的損耗、嚴格的制造公差、處理過程中的脆性、顯著的不連續(xù)效應、不連續(xù)處的輻射引起低的Q值?；遄畲蠛穸仁芪Ь€不連續(xù)處高輻射損耗的限制，譬如開路端、間隙、裂縫、寬度裂變、拐彎等不連續(xù)點。第四十頁，共53頁。

懸置微帶線與倒置微帶線 比微帶線有更高的Q值，可以實現(xiàn)很寬范圍內的阻抗值，特別適用于濾波器。 第四十一頁，共53頁。

共面波導（CPW）和共面帶狀線（CPS）

兩種結構互補，無論安裝并聯(lián)還是串聯(lián)的有源或無源元件都很方便，無需開孔和開槽。 第四十二頁，共53頁。

帶狀線

TEM波為其主模,性能更好，結構稍為復雜。

槽線 傳播模式基本是橫電波（TE），適用于高阻抗線、串聯(lián)短線、短路電路。 第四十三頁，共53頁。耦合線 由彼此平行放得非常近的兩根傳輸線構成，在定向耦合器、濾波器、移相器、對稱—不對稱變換器等多種電路中廣泛用作基本元件。寬邊耦合帶狀線廣泛應用于緊耦合的場合。 第四十四頁，共53頁。不連續(xù)性

第四十五頁，共53頁。不連續(xù)性對電路的影響窄帶電路中頻率偏移輸入輸出電壓駐波比變差寬帶電路指標較大起伏多功能電路中接口問題由于電路性能變壞使成品率降低高增益放大器中表面波和輻射耦合引起振蕩 第四十六頁，共53頁。不連續(xù)性的補償設計

第四十七頁，共53頁。波導和同軸傳輸線

波導 通常使用的是矩形波導,基本結構尺寸是a×b的矩形橫截面,長度一般要大于幾個波長。

圖

1-18矩形波導

第四十八頁，共53頁。①截止波長與相移常數(shù):kc=②波導波長與波阻抗：ZTE10=第四十九頁，共53頁。④傳輸功率:E10=是Ey分量在波導寬邊中心處的振幅值。功率容量為③相速與群速:第五十頁，共53頁