微波技術(shù)基礎(chǔ)-3-微波集成傳輸線要點

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Universit微波技術(shù)基礎(chǔ)微波集成傳輸線1北京交通大學(xué)Beijing

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Universit內(nèi)容：介紹帶狀線、耦合帶狀線、微帶、耦合微帶線的主要特性，理解微帶傳輸線的基本概念和性質(zhì)，了解微帶傳輸線設(shè)計方法。重點：微帶線的傳輸模式和色散特性。難點：耦合帶狀線的主要特性。教學(xué)大綱2北京交通大學(xué)Beijing

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Universit微波集成傳輸線內(nèi)容提要帶狀傳輸線微帶線耦合微帶線共面波導(dǎo)4帶狀線北京交通大學(xué)Beijing

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Universit帶狀線的結(jié)構(gòu)是由一條厚度為r，寬度為w的矩形截面的中心導(dǎo)帶和上、下兩塊接地板構(gòu)成。兩接地板的距離為b。中心導(dǎo)帶的周圍媒質(zhì)可以是空氣或其它介質(zhì)。帶狀線帶狀線結(jié)構(gòu)圖主模場結(jié)構(gòu)5北京交通大學(xué)Beijing

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Universit帶狀線(Stripline)可以看作是同軸線的變形。把同軸線外導(dǎo)體分別向上下左右方向展平，再把內(nèi)導(dǎo)體變成扁平帶狀，當(dāng)中心導(dǎo)帶距離左右兩側(cè)邊距離足夠遠(yuǎn)時，可去掉兩側(cè)邊，即構(gòu)成了帶狀線。在演變過程中場矢量分布在其橫截面而無縱向分量，因此帶狀線傳輸?shù)闹髂Ｈ允荰EM模。同軸線扁帶同軸線帶狀線帶狀線6只要求出電容C，特性阻抗Zc就可以就可以求出。求電容C的方法有多重，其中比較常見的是利用復(fù)變函數(shù)中的保角變換法求電容C，不詳細(xì)推導(dǎo)，僅給出結(jié)果和曲線，便于使用和查閱。北京交通大學(xué)Beijing

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Universit一、特性阻抗假設(shè)導(dǎo)體為理想導(dǎo)體，填充均勻、無耗、各向同性介質(zhì)，帶狀線結(jié)構(gòu)沿縱向均勻，橫截面尺寸與工作波長相比很小，可采用靜態(tài)場的分析方法求特性阻抗。L：帶狀線單位長度上的分布電感

C：帶狀線單位長度上的分布電容

vp：帶狀線中TEM模的傳播速度。帶狀線北京交通大學(xué)Beijing

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Universit中心導(dǎo)帶厚度為零時的特性阻抗導(dǎo)帶的厚度 ，利用保角變換法可求得特性阻抗的精確表達(dá)式為：K(·)為第一類完全橢圓積分，k為模數(shù)，k’為補數(shù)。k與帶狀線的尺寸w和b有關(guān)。帶狀線8北京交通大學(xué)Beijing

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Universit帶狀線二、相速度和波導(dǎo)波長帶狀線的主模為TEM模傳播速度為:波導(dǎo)波長為:為自由空間中的波長9北京交通大學(xué)Beijing

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Universit帶狀線的輻射損耗忽略不計，損耗主要取決于導(dǎo)體（包括接地板）損耗和介質(zhì)損耗。帶狀線三、帶狀線的損耗和衰減10北京交通大學(xué)Beijing

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Universit帶狀線的傳輸功率受兩個因素制約：介質(zhì)本身的擊穿強度（與峰值功率相對應(yīng)）

介質(zhì)本身所能承受的最高溫升（與平均功率相對應(yīng)）帶狀線難以傳輸較大功率，尤其在中心導(dǎo)帶的棱角處最易發(fā)生電擊穿。把棱角改為光滑的

圓角以提高功率容量。帶狀線四、帶狀線的功率容量11北京交通大學(xué)Beijing

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Universit內(nèi)容提要帶狀傳輸線微帶線耦合微帶線共面波導(dǎo)12微波集成傳輸線北京交通大學(xué)Beijing

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Universit帶狀線可以看成是由同軸線演變而成的，那么微帶線則可看作是由平行雙線演變而來的。13微帶線北京交通大學(xué)Beijing

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Universit一、微帶線中的模式微帶線介質(zhì)與空氣分界面處，電場強度、磁場強度的切向分量應(yīng)該連續(xù)，即：電位移矢量、磁感應(yīng)強度的法向分量應(yīng)該連續(xù)：14北京交通大學(xué)Beijing

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Universit利用邊界條件求解方程組：得：因為Hy≠0，所以當(dāng)er≠1時，等式右邊不為零，因此左也不等于零，即磁場縱向分量不為零。同理可知，電場縱向分量也不為零。15微帶線北京交通大學(xué)Beijing

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Universit因此：若導(dǎo)體帶和接地板之間沒有填充介質(zhì)基片（即填充空氣）或者整個微帶線被一種均勻的介質(zhì)全部包圍，則

TEM模為主模。但實際上的微帶線是制作在介質(zhì)基片上的，雖然仍然是雙導(dǎo)體系統(tǒng)，但由于存在空氣和介質(zhì)的分界面，而只能存在具有縱向場分量的TE模和TM模的混合模。16微帶線北京交通大學(xué)Beijing

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Universit在微波波段的低頻端，這種混合模的縱向場分量很小，色散現(xiàn)象很弱，傳輸模式類似于TEM模，故稱為準(zhǔn)TEM模。當(dāng)工作頻率提高后，微帶線中除了傳輸TEM主模以外，還會出現(xiàn)高次模。隨著頻率的升高，準(zhǔn)

TEM模和純TEM模之間的差別越大。微帶線17北京交通大學(xué)Beijing

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Universit引入一個相對的等效介電常數(shù)為εre

,其值介于1和εr

之間用它來均勻填充微帶線，構(gòu)成等效微帶線，并保持它的尺寸和特性阻抗與原來的實際微帶線相同。實際微帶線電容純空氣介質(zhì)微帶線電容同尺寸空氣介質(zhì)微帶線特性阻抗二、微帶線的特性阻抗18微帶線北京交通大學(xué)Beijing

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Universit（一）導(dǎo)體厚度為零時微帶線特性阻抗當(dāng)w/h≥1時，當(dāng)w/h<1時，q：填充因子19微帶線北京交通大學(xué)Beijing

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Universit（二）導(dǎo)體厚度不為零時微帶線特性阻抗實際微帶線導(dǎo)體厚度不為零，此時導(dǎo)體帶的邊緣電容增加，當(dāng)這種增加效應(yīng)不能忽略時，不能用前面的公式直接計算Zc。如果將t≠0時邊緣電容增加的影響等效為導(dǎo)體帶寬度增加Δw，就可以利用前面的公式進(jìn)行計算了。20微帶線北京交通大學(xué)Beijing

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Universit微帶傳輸線是具有混合介質(zhì)系統(tǒng)的傳輸線：四、微帶線的損耗微帶線的損耗包括導(dǎo)體損耗、介質(zhì)損耗和輻射損耗。（頻率較低時，輻射損耗一般可忽略）21微帶線三、相速度和波導(dǎo)波長北京交通大學(xué)Beijing

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Universit五、微帶線的色散特性與尺寸選擇（一）微帶線的色散特性當(dāng)頻率較高時，色散的影響不能忽略，在計算Zc，vp，lg，ere

時要考慮色散的影響。f為工作頻率，f0為某一固定頻率，當(dāng)f<f0時，色散影響可忽略不計。22微帶線北京交通大學(xué)Beijing

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Universit（二）微帶線尺寸的選擇當(dāng)頻率升高后，微帶線尺寸與波長可比擬時，可能出現(xiàn)高次模：波導(dǎo)模和表面波模。波導(dǎo)模存在于導(dǎo)帶和地板之間，包括TE和TM兩種。微帶線中的波導(dǎo)模(a)TE10(b)TM0123微帶線北京交通大學(xué)Beijing

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UniversitTM0模的場結(jié)構(gòu)表面波是大部分能量集中在微帶線接地板表面附近的介質(zhì)中、并沿接地板表面?zhèn)鞑サ囊环N電磁波。有TE模和

TM模。假定它們的場量在x方向不變化，只在y方向變化，模式的下標(biāo)只有一個數(shù)字，即

TEm或TMm（m=0,1,2,…）。當(dāng)表面波相速度與準(zhǔn)TEM模相速度相同時，這兩類模之間才會產(chǎn)生強耦合，從而有可能使微帶線不再工作于準(zhǔn)TEM模。應(yīng)盡量避免這種情況。24微帶線北京交通大學(xué)Beijing

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Universit26北京交通大學(xué)Beijing

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Universit內(nèi)容提要帶狀傳輸線微帶線耦合微帶線共面波導(dǎo)27微波集成傳輸線北京交通大學(xué)Beijing

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Universit耦合微帶線結(jié)構(gòu)耦合微帶線：由一對或多對相互靠近的微帶線組成，微帶線之間有電磁耦合現(xiàn)象。耦合微帶線廣泛應(yīng)用于定向耦合器、濾波器及阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)中。對稱耦合微帶線指相耦合的兩個微帶具有相同的結(jié)構(gòu)和填充介質(zhì)。28耦合微帶線微帶耦合器北京交通大學(xué)Beijing

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Universit耦合微帶線一、基模與偶模令A(yù)和B分別與地構(gòu)成兩對傳輸線，其激勵電壓分別為U1和U2，分解成一對等幅反相的奇模電壓

Uo和一對等幅同相的偶模電壓Ue29奇模偶模北京交通大學(xué)Beijing

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Universit準(zhǔn)靜態(tài)+奇偶模分析法：

求出奇、偶模電容，以及

奇、偶模相速度，進(jìn)而求

出奇、偶模特性阻抗和奇、偶模對應(yīng)的波導(dǎo)波長。耦合微帶線奇偶模場結(jié)構(gòu)完全是空氣填充時的奇模特性阻抗30耦合微帶線北京交通大學(xué)Beijing

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Universit31耦合微帶線二、相速度與波導(dǎo)波長在空氣介質(zhì)中，奇模電場比偶模電場強，因此eeo

<eee，因而vpo

>vpe。耦合線之間的耦合越緊，這兩種速度的差別也越大，這對于耦合微帶線構(gòu)成的某些微波元件的性能產(chǎn)生不利影響。因此有時采用eeo和eee的平均值來計算微帶線的特性參數(shù)。北京交通大學(xué)Beijing

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Universit內(nèi)容提要帶狀傳輸線微帶線耦合微帶線共面波導(dǎo)32微波集成傳輸線北京交通大學(xué)Beijing

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Universit在介質(zhì)基片的一面上制作出中心導(dǎo)帶，并在緊鄰中心導(dǎo)帶的兩側(cè)制作出地板，而介質(zhì)基片另一面沒有導(dǎo)體層覆蓋。為了使電磁場更集中于中心導(dǎo)體帶和接地板所在面的空氣和介質(zhì)的交界處，應(yīng)采用高介電常數(shù)的材料作為介質(zhì)基片。33共面波導(dǎo)北京交通大學(xué)Beijing

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Universit共面波導(dǎo)中心導(dǎo)體與接地板位于同一平面內(nèi)，對于需要并聯(lián)安置的元器件很方便。共面波導(dǎo)傳輸?shù)氖菧?zhǔn)TEM模。34共面波導(dǎo)北京交通大學(xué)Beijing

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UniversitSize:

30

×33mm2

,

bandwidth:

3-14

GHz,