微波集成電路 課件全套 謝小強 第1-6章 緒論 -微波單片集成技術

微波集成電路總學時：32學時先修課程《微波技術基礎》《電磁場與電磁波》

或《電磁場理論》課程內容

講述微波集成電路的基本概念，電路元件之間的集成技術和電路設計方法。課程簡介微波在電磁頻譜中的位置Review…Review…Review…通信方式：有線通信——電報（1837Morse）、電話（1876Bell）、光纖（1966，高錕，2009年諾貝爾物理學獎）無線通信——視距聲波

電磁波無線通信Review…1864年Maxwell1888年Hertz1896年Marconi移動通信Review…美國AN/FPS-115“鋪路爪”遠程預警雷達系統(tǒng)，有效偵測距離超過3000公里衛(wèi)星通信應用：移動通信、同步衛(wèi)星通信、低軌道衛(wèi)星、互聯網…頻率：MHz、GHz、THz…Review…無線通信系統(tǒng)射頻前端：Review…無線通信系統(tǒng)射頻前端：Review…典型應用-RADAR、智能武器Review…典型應用-RADAR、智能武器典型應用-RADAR、智能武器Review…目錄第一章緒論第二章微波集成傳輸線第三章微波無源集成電路第四章微波固態(tài)器件第五章微波混合集成電路第六章微波單片集成電路第一章緒論1.1集成電路的概念及分類1.2微波集成電路概念1.3本課程的內容和特色1.1集成電路的概念及分類集成電路（IC）概念：

為了達到在成本、尺寸、重量及可靠性等方面優(yōu)于用電子管與波導同軸線搭建的立體電路的目的，將所需的全部電路元件制作在一塊半導體晶片或介質基片上，構成具有獨立功能的電路單元。IntelP4微處理器頻譜儀1.1集成電路的概念及分類集成電路的分類（1）按電路制作工藝分類單片集成電路：將有源和無源電路元件集成在一片半導體襯底上，形成完整電路功能的集成電路。薄膜或厚膜集成電路：在絕緣襯底上淀積電阻或導電膜，并在襯底上產生一定圖形構成完整功能的電路網絡?；旌霞呻娐罚呵皟煞N電路的自然擴充，包含有源和無源器件及單片集成電路，在同一絕緣襯底上組合并互聯而成的具有完整功能的電路或系統(tǒng)。1.1集成電路的概念及分類1.1集成電路的概念及分類（2）按電路功能分類數字集成電路：用數字信號完成對數字量進行算術運算和邏輯運算的電路。線性集成電路：線性集成電路是以放大器為基礎的一種集成電路，主要包括放大器，穩(wěn)壓器，乘法器，調制器等。微波集成電路：微波集成電路指由微波集成傳輸線和微波固體器件構成，完成一定微波電路或系統(tǒng)功能的集成電路。1.1集成電路的概念及分類（3）按集成度（規(guī)模）分類依據：一片集成電路芯片上包含的邏輯門個數或元件個數1.1集成電路的概念及分類集成電路類型（按集成度分）小規(guī)模（SSI）中規(guī)模（MSI）大規(guī)模（LSI）超大規(guī)模（VLSI）模擬元器件數≤5050~100≥100——數字邏輯門數/元件數1~10/10~10010~100/100~1000100~10,000/100~100,000＞10,000/＞100,000微波集成電路發(fā)展：1.2微波集成電路20世紀40年代起20世紀60年代起20世紀70年代起20世紀90年代起21世紀微波集成電路的類型：微波混合集成電路（HMIC:HybridMicrowaveIntegratedCircuits）微波單片集成電路（MMIC:MonolithicMicrowaveIntegratedCircuits）

1.2微波集成電路先進微波集成電路類型：3D微波集成技術：微波多芯片組件（MCM：Multi-chipModule）微系統(tǒng)：SOC（SystemOnChip）、SIP(SystemInaPackage)1.2.1微波混合集成電路微波混合集成電路定義：把分布參數平面?zhèn)鬏斁€、封裝式晶體管或無封裝管芯、有獨立功能的半導體芯片、片式或小型分離元件等組合設計成具有完整功能的微波集成電路。微波混合集成電路:無源電路(無源元件)由分布參數平面?zhèn)鬏斁€和集中參數元件完成;有源器件通過焊接或金絲鍵合等工藝與之配合連接而成。微波混合集成電路特點：(1)復雜的微波電路很容易而且很精確地進行復制。(2)電路體積更小，重量更輕，更利于系統(tǒng)的微型化。(3)電路的可靠性更高，性能更優(yōu)良。(4)便于和平面微帶線連接，便于調試達到最佳性能，也便于維修。1.2.1微波混合集成電路HMIC應用的最大限制是高功率輸出能力（1）微波固態(tài)器件功率輸出能力遠小于電真空器件。（2）HMIC由于體積減小，能量傳輸主要集中在較薄的介質基片內，介質基片擊穿功率限制了電路的最大功率容量。1.2.1微波混合集成電路微波單片集成電路(MMIC)：把無源電路、無源器件、有源半導體器件都制作在同一半導體芯片上，形成完整的電路或系統(tǒng)功能的微波集成電路。MMIC襯底材料特點：(1)有較高的電阻率，可以做微波傳輸線；(2)有較高的電子遷移率，可以做微波器件；(3)性能穩(wěn)定。1.2.2微波單片集成電路MMIC的特點：(1)器件工作頻率提高，頻帶加寬，高頻率，多倍頻程電路容易實現。(2)性能、可靠性均得到改善。(3)電路尺寸、重量遠比HMIC小得多，適宜于航空、航天應用。(4)制作重復性和一致性好，便于大批量生產，成本得到降低。1.2.2微波單片集成電路1.2.3微波毫米波多芯片組件多芯片組件（Mult-chipModule，MCM）：將多個裸芯片安裝在同一塊多層高密度互聯的基板上，并封裝在同一外殼內，具有一定部件或系統(tǒng)功能的高密度微電子組件。MCM是微波混合集成電路的小型化發(fā)展方向之一。SIP、SOC微波毫米波MCM的發(fā)展方向：(1)開發(fā)具有更加良好電器性能、機械性能、熱性能和化學性能的材料；(2)發(fā)展高成品率、高可靠性、高可修復性、高組裝密度和高散熱率的芯片鍵合技術；(3)發(fā)展高可靠性的毫米波MCM用的芯片和元件；(4)微波毫米波MCM的元器件建模、建庫，并開發(fā)MCM專用CAD軟件；(5)完善和發(fā)展微波毫米波ＭＣＭ制造技術。1.2.3微波毫米波多芯片組件本課程的內容混合集成電路；單片集成電路；多芯片組件。本課程的特色重概念和基礎；結合理論和實際工程應用；跟蹤最新發(fā)展動態(tài)。1.3本課程的內容和特色第二章微波集成傳輸線2.1概述微波集成傳輸線是平面?zhèn)鬏斁€，是微波集成電路的基礎：“平面”，是相對于波導同軸等立體傳輸線而言；在（介質或半導體）基片上形成導電膜/條帶優(yōu)點：集成度高→小型化、輕量化可靠性好易于批量生產低成本與波導、同軸立體傳輸線比較，微波集成傳輸線具有：缺點損耗大Q值低功率容量低基片：——介質/半導體，介電常數遠大于1；——厚度遠小于立體傳輸線尺寸制備工藝：厚膜工藝和薄膜工藝更小的傳輸線尺寸（橫向、縱向），更高的集成度易于批量生產、低成本。2.1概述微波集成傳輸線應有的特點：集成度高便于與固態(tài)器件（三端器件）連接，電路損耗低便于與其他電路系統(tǒng)連接常見微波集成傳輸線：微帶線帶狀線懸置微帶和倒置微帶槽線鰭線共面波導介質集成波導特性參數：·特性阻抗；

·相速和波長；

·衰減常數；

·功率容量設計原則應用領域較高的介電常數，使電路小型化：2.1概述微波集成傳輸線的基片材料應具有的特點:其它要求：在給定的頻率和溫度范圍內介電常數

穩(wěn)定；純度高，性能一致性好；擊穿強度高；導熱性好，以適用于較大的功率；適應環(huán)境能力強。傳輸線橫截面更小導波波長更短低損耗：小的損耗角正切tanδ低的基片導電率機械性能好：硬度強韌性好表面平整、光潔使覆著的金屬層面平整、光潔，金屬損耗低性價比高2.1概述材料名稱材料類型介電常數損耗正切×10-4表面粗糙度μm熱導率W/cm℃

應用與特點石英SiO23.78<1(20GHz以內)0.1~0.50.01低介電常數、低損耗、高光潔度、易碎、金屬附著性差、成本高，毫米波陶瓷9.0~10.0（一般9.8）<15(20GHz以內)2~150.3高介電常數、損耗小、表面光潔、便于加工，厘米波-毫米波段藍寶石氧化鋁晶體

8.6（水平方向）、10.55（垂直方向）<150.5~10.4電各向異性，光潔度高、損耗低、價格昂貴，毫米波聚四氟乙烯纖維加強板

2.5~2.810~15(10GHz)

厘米波鐵氧體

13~162~5(10GHz)100.03非互易器件/電路氧化鈹

6.61(10GHz)2~102.5導熱好，功率器件高介陶瓷

20~801~2(10GHz)

0.01~0.05小型化電路TaconicRF60PTFERandomGlassFiber6.15+/-0.25

28（X-band）0.43

復合介質軟基片、雙面覆銅、硬度低、便于加工成型、機械強度低、導熱性差、低成本，應用廣泛RT/duroid58702.3312(10GHz)0.22

RT/duroid58802.29(10GHz)

0.20RT/duroid6010LMPTFECeramic10.223(10GHz)

0.86

ULTRALAM3850LiquidCrystallinePolymer2.925

無源器件應用最廣泛的硬基片應用最廣泛的軟基片微波集成傳輸線的常用介質基片材料2.1概述微波單片集成電路的常用半導體基片材料名稱SiGaAsInPGaNSiC電阻率（Ω·cm）103-105107-109~107≥1010≥1010相對介電常數11.712.9148.940電子遷移率(cm2/(V·s))145085006000800500電子飽和速度(cm/s)9×1061.3×1071.9×1072.3×1072×107抗輻照能力弱很好好優(yōu)優(yōu)密度(g/cm3)2.35.34.8

3.1熱導率(W/cm·℃)1.450.460.681.34.3工作溫度（℃）250350300>500>500禁帶寬度（eV）1.121.421.343.392.86擊穿電場(kV/cm)~300400500≥5000≥2000Si：較低的電阻率和電子遷移率，較好的導熱率，主要應用低頻、高功率器件GaAs：微波單片集成電路的主要基片材料InP：毫米波頻段，高增益、低噪聲性能。寬禁帶材料SiC、GaN：具有出色的熱穩(wěn)定性、化學穩(wěn)定性和抗輻照能力，適合制做微波高功率MMIC、航空航天、核工業(yè)等惡劣環(huán)境2.1概述微波集成傳輸線的金屬材料應具有的特點:高導電率；性能穩(wěn)定，不易氧化蝕刻性好容易焊接/鍵合容易淀積或電鍍對基板附著力強。材料電阻率Ω/cm趨膚深度μm（2GHz）表面電阻率

Ω/cm2×10-7f-1/2熱膨脹系數10-5/℃基片附著性銀1.59×10-61.42.521差銅1.67×10-6

1.52.618很差金2.35×10-6

1.73.015很差鋁2.65×10-61.93.325很差鎢5.34×10-6

2.64.74.6好鉬5.5×10-6

2.74.76.0好鉻12.7×10-6

2.74.79.0好鉭15.2×10-6

4.07.26.6很好薄膜與厚膜工藝產品之差異分析薄膜工藝厚膜工藝精度高，<±1%較低，<±10%鍍層材料材料穩(wěn)定度高易受漿料影響鍍層表面表面平整度高，誤差<0.3μm較差，誤差<3μm設備成本高成本低鍍層附著性無需高溫燒結，不含氧化物、附著性好易受基板材質影響電路對準使用曝光顯影，對準性高易受絲網張力及使用次數影響，對準性較差2.1概述薄膜工藝制備過程：基片處理研磨拋光鍍膜金屬層減薄版圖制作圖形放大照相制版光刻腐蝕甩膠曝光腐蝕接地/電鍍接地金屬化電鍍防護2.1概述性能：超常的層間結合；低吸水率；增強的尺寸穩(wěn)定性；低Z軸膨脹；頻率使用范圍穩(wěn)定的介電常數；增強的撓性強度。應用：功率放大器；濾波器和連結器；無源元器件；天線。2.1概述微波集成傳輸線分析方法考慮2.1概述

——微波集成傳輸線分析方法低頻、數字電路——集總參數方法工作頻率低，不考慮信號相移問題電場集中的地方——電容；磁場集中的地方——電感；損耗集中的地方——電阻連接線沒有電容、電感和電阻，不用考慮導線形狀和尺寸微波傳輸線——分析特定邊界條件下的電磁波的傳播情況：傳輸系統(tǒng)在微波頻率下的傳播模式工作頻率高、傳輸相位滯后傳輸主模（最低模式）、抑制高次模式局部高次模式場（電磁場能量堆積）引起局部電抗，影響幅度相位高頻情況下：趨膚效應，金屬損耗大；介質交替極化和晶格來回碰撞，介質熱損耗集總參數分析方法不再適用于微波傳輸線了求解給定邊界條件下的電磁場方程微波集成傳輸線分析方法考慮波導、同軸等立體傳輸線，邊界條件簡單，可嚴格求解電磁場方程傳輸TEM波傳輸線，可嚴格定義電壓電流，可由等效電路方法求解：橫向電場：金屬條帶與接地金屬面間存在電位差橫向磁場：金屬條帶上存在傳導電流微波集成傳輸線，邊界條件復雜，嚴格求解電磁場問題困難大多數常用微波集成傳輸線，傳輸主模是TEM波，可采用場、路結合的方法求解——分布參數電路分析方法TEM波傳輸線，電磁場橫截面分布與二維靜電場和穩(wěn)恒磁場分布一致，滿足二維拉普拉斯方程。傳輸線等效電路模型可由求解穩(wěn)態(tài)邊值問題得到2.1概述

——微波集成傳輸線分析方法微波集成傳輸線分析方法考慮分布參數電路分析方法分析集成傳輸線（TEM波）的步驟2.1概述

——微波集成傳輸線分析方法傳播TEM波的微波集成傳輸線等效分布參數等效電路網絡（C0、L0、R0、G0）求解穩(wěn)態(tài)場邊值問題分布參數電路模型參數（元件）：C0、L0、R0、G0分析電路網絡/方程傳輸線特性參數：Zc、Vp、λg、…….TEM波微波集成傳輸線分布參數電路分析方法TEM波微波集成傳輸線由一系列部分參數元件C0、L0、R0和G0級聯而成分布參數元件連續(xù)地分布在整個傳輸線上（不是在有限的點上）元件值由傳輸線結構尺寸、基片材料和金屬材料特性決定，可由穩(wěn)態(tài)邊值問題求解得到對于復雜的邊值條件，可采用一定的近似，并由實驗驗證確定2.1概述

——微波集成傳輸線分析方法TEM波微波集成傳輸線分布參數元件分布參數元件值由傳輸線上電壓、電流、電量和能量之間的關系確定分布參數電容：單位長度傳輸線上一個導體上電荷總量Q0

與兩導體間電位差U之比分布參數電感：傳輸線導體之間的磁通量和導體上的電流之比分布電容和分布電感是表征微波集成傳輸線電磁傳播特性的主要參數，也是決定傳輸線特性阻抗的主要因素它們與頻率無關，但由它們所引起的傳輸線分布電抗和分布電納卻與頻率成正比?！l率越高，分布參數特性越顯著2.1概述

——微波集成傳輸線分析方法TEM波微波集成傳輸線分布參數元件定義分布參數電導：表征了單位長度微波集成傳輸線基片介質損耗，可從功率損耗角度去度量微波單片集成電路采用的傳輸線是制作在半導體基片上的，基片導電率相對較高，傳導損耗是基片損耗的主要部分。制作在絕緣介質基片上的微波集成傳輸線，在較高頻率下基片介質極化阻尼損耗是主要原因。單位長度傳輸線基片損耗功率為：得：2.1概述

——微波集成傳輸線分析方法TEM波微波集成傳輸線分布參數元件定義分布參數電阻：表征了單位長度微波集成傳輸線導體條帶和金屬接地面損耗，可由單位長度傳輸線沿傳輸方向導體上的壓降Ud與通過導體的電流I之比：較高的導體損耗是微波集成傳輸線損耗高于波導和同軸等傳輸線的主要因素：隨著頻率增加，趨膚效應減小了導體有效導電截面積，增大了這部分電阻損耗由于微波集成傳輸線橫截面尺寸遠小于波導和同軸等立體傳輸線，分布參數電阻更大2.1概述

——微波集成傳輸線分析方法TEM微波集成傳輸線分布參數等效電路分析2.1概述

——微波集成傳輸線分析方法TEM微波集成傳輸線分布參數等效電路分析對于無耗傳輸線（標準TEM波）良導體和絕緣介質基片*傳播TEM波的傳輸線:2.1概述

——微波集成傳輸線分析方法2.2

微帶線微帶線是混合微波集成電路（HMIC）、單片微波集成電路（MMIC）以及多芯片組件（MCM）中的主要傳輸線1952年，GriegandEngelmann，首次發(fā)表關于微帶線的報道，“Microstrip-ANewTransmissionTechniquefortheKlilomegacycleRange”，IREproceeding。1955年，

ITTFerearlTelecommunicationsLaboratories（NewJersey）,報道了多篇關于微帶線的報道，IEEEtransactionsonMicrowaveTheoryandTechnique.1960年，薄厚度基片的微帶線流行。2.2.1微帶線概述微帶線由介質基片、介質基片上的導帶與金屬接地層組成。微帶線的構成2.2.1微帶線概述微帶線的主要優(yōu)點（與波導、同軸線等立體傳輸線相比)2.2.1微帶線概述體積小、重量輕平面電路結構,電路結構緊湊；微帶線印制在很薄的介質基片上，線的橫截面尺寸比波導、同軸線小很多；微帶線采用高介電常數的介質基片，其波導波長比自由空間的波長小很多，縮短了電路縱向尺寸。采用的半空間開放電路結構，便于固體器件安裝和電路調試。微帶電路可實現更多的功能，并獲得更好的性能。制造成本低,易于批量生產采用印制電路技術，相對于同功能的波導和同軸電路便宜很多。微帶線的主要缺點（與波導、同軸線等立體傳輸線相比)（1）損耗大：電路Q值低；不便于系統(tǒng)連接（2）功率容量?。翰贿m于大功率應用微帶線可以看成由平行雙線演變而來，傳播準TEM波微帶線傳播準TEM波模式標準TEM波準TEM波2.2.2微帶線中的主模和高次模微帶線傳播的是TE波和TM波的混合模式：微帶線為部分填充介質導波系統(tǒng)，在介質-空氣分界面處，Ez、Hz不全為零或都不為零，微帶線傳輸主?？山茷門EM?！獪蔜EM波微帶線工作頻率遠低于“上限頻率”，微帶橫截面尺寸小（w、h<<λ），電磁場主要集中在介質中，空氣中的場較弱（縱向場分量可以忽略），近似于TEM?！獪蔜EM模微帶線傳播主模是準TEM模的理解：2.2.2微帶線中的主模和高次模微帶線中，介質基片與空氣分界面邊界條件復雜，嚴格的電磁場分析困難。在工作頻率較低（工作波長較長）的條件下，傳輸的是準TEM波，可近似地看作TEM波，采用準靜態(tài)法分析：

（1）采用穩(wěn)態(tài)場方法作近似分析，

（2）考慮色散特性：特性參量隨頻率增加的變化情況

**這種方法適合于分析大多數微波集成傳輸線。工作頻率較高時，高次模式為考察重點。

(1)微帶線不再滿足橫截面尺寸小的特點，TEM波模式減少，縱向場分量——高次模式在增加

**兩種高次模式：波導模式、表面波模式

微帶線準TEM波分析考慮2.2.2微帶線中的主模和高次模2.2.2微帶線中的主模和高次模波導模:

波導模指在金屬導帶與接地板之間構成有限寬度的平板波導中存在的TE、TM模。最易產生的波導波型：

平板波導最低TE模——TE10模，平板波導最低TM模——TM01模。

（1）平板波導TE10模。電場只有橫向分量；磁場存在縱向分量。在平板內部，電磁場沿基片高度h方向保持不變；沿微帶金屬條寬度方向存在一次駐波變化。在金屬條帶兩側為電場波腹，在條帶中心為電場波谷截止波長：計入導體條帶厚度影響，由于邊緣效應：2.2.2微帶線中的主模和高次模波導模:

（2）平板波導TM01模。磁場只有橫向分量；電場存在縱向分量。在平板內部，電磁場沿微帶金屬條寬度w方向保持不變；沿基片高度h方向存在一次駐波變化。在基片高度方向兩側為電場波腹，中心為電場波谷（h為半個駐波波長）。截止波長：2.2.2微帶線中的主模和高次模表面波模:

在金屬導體板上貼覆一層介質，電磁場就可能會以表面波模式傳播。表面波的電磁能量主要集中在導體板表面處的介質基板附近，在較遠處隨距離呈指數規(guī)律衰減。表面波模式存在于微帶線上導體條帶兩側此處結構為：微帶接地面上貼覆有介電常數較高的介質層，該介質層能吸引電磁場，使其不向外擴散并沿導體板表面?zhèn)鞑?.2.2微帶線中的主模和高次模微帶線最低次TE表面波?！猅E1模,截止波長微帶線最低次TM表面波?！猅M01模,截止波長表面波模:

最低次TE型表面波截止波長隨基片介電常數和基片厚度增加而增大;TM型表面波在所有工作波長都存在從截止波長來說，微帶線表面波（特別是TM型表面波）是很容易激勵起的高次模式微帶準TEM波主要在金屬條帶與接地板之間的介質內傳播，只有當準TEM和表面波相互耦合時，表面波對準TEM波的影響才明顯體現2.2.2微帶線中的主模和高次模微帶線準TEM波和表面波的相速都介于c和之間，當兩者相速相同時，將發(fā)生強耦合，使微帶不能以準TEM波正常工作。發(fā)生強耦合的頻率：表面波模:

對于工作于準TEM波的微帶線，應該使工作頻率低于最低次TM表面波與發(fā)生之耦合的頻率:fTM2.2.2微帶線中的主模和高次模高次模式對微帶線準TEM波的影響與微帶線的基片材料，幾何尺寸相關。在基片介電常數較高的情況下：基片厚度大時容易激勵起TM波導模式，導體條帶較寬時容易激勵起TE波導模式。對于窄導體條帶（高阻抗）的微帶線來說，條帶兩側更具備表面波存在的條件，但當微帶線工作頻率低于fTM時，就可避免微帶準TEM波與表面波發(fā)生強耦合毫米波頻段，采用基片特性如何考慮？2.2.3微帶線特性參數分析微帶線主要特性參數特性阻抗Zc:傳輸線上行波電壓和行波電流之比（或入射波電壓和入射波電流之比），與傳輸線橫向尺寸相關體現為信號在傳輸線上的阻抗關系，與阻抗匹配有關傳播相速vp:指電磁波在傳輸線上的行進速度，即電磁波等相位點向前移動的速度，表達了傳輸線（在傳輸方向）的幾何尺寸和電長度的關系2.2.3微帶線特性參數分析無限長均勻的TEM波傳輸線等效為分布參數電路級聯網絡：分布參數元件:并聯電容C0、串聯電感L0、串聯電阻R0和并聯電導G0這些分布參數元件值分別按靜電場和穩(wěn)恒磁場來計算由等效電路方程，求解特性參數結合實驗數據修正得到準確結果微帶線特性參數準靜態(tài)方法分析2.2.3微帶線特性參數分析準靜態(tài)方法分析微帶線特性參數微帶線由于引入用于支撐金屬條帶的介質基片，邊界條件復雜，難以得到嚴格的電磁場解首先分析無耗空氣微帶線理想導體(

=0)，R0=0；理想無耗介質(，)，G0=0空氣微帶線無縱向電磁場分量，傳播的是標準TEM波，可以用靜場方法分析其分布參數等效電路，并得到相應特性參數良導體絕緣介質TEM波：2.2.3微帶線特性參數分析微帶線邊界空氣-介質邊界條件的考慮——等效的方法實際微帶為部分填充介質傳輸線，等效為全部均勻填充相對介電常數

e介質微帶線全部均勻填充同一種介質

r時的微帶線，相速為：實際微帶線——部分填充介質微帶線，等效為均勻填充相對介電常數

e的微帶線，實際微帶線的相速：

分布參數電容：

因此：

和1≤

e≤r2.2.3微帶線特性參數分析微帶線的特性參數可等效表達為：微帶線特性參數求解落腳點在于求解分布參數電容：微帶線的特性參數求解步驟：（1）求解空氣微帶線特性參數和實際微帶線的等效介電常數（2）求解實際微帶線特性參數和和和2.2.3微帶線特性參數分析空氣微帶線特性參數求解（1）求解分布參數電容是一個靜電場邊值問題（2）求采用多角形變換（保角變換或許瓦茨變換)，將z1平面中空氣微帶線的電場分布于整個上半平面區(qū)域變換為z平面的矩形區(qū)域，并根據平板電容的計算公式和復變函數z1和z的變換關系，可計算出K(k)為第一類全橢圓積分，K’(k)為第一類余全橢圓積分，k為模數2.2.3微帶線特性參數分析（3）空氣微帶線特性阻抗將上述橢圓積分展開成級數，表達為：2.2.3微帶線特性參數分析（3）空氣微帶線特性阻抗在0≤w/h≤10的范圍內精度可達±0.25%2.2.3微帶線特性參數分析部分填充介質微帶線分析微帶線部分填充介質情況的復平面變換分布參數電容等效分析2.2.3微帶線特性參數分析微帶線等效介電常數**填充系數q部分填充微帶線電磁場分布在介質和空氣中對于寬條帶的情況，w/h較大,可認為電磁場全部在介質內：對于窄條帶情況,w/h較小2.2.3微帶線特性參數分析微帶線等效介電常數以上近似方法求得的

e精度為±2%2.2.3微帶線特性參數分析微帶線特性參數和2.2.3微帶線特性參數分析微帶線金屬條帶厚度的影響金屬層厚度的增加實際上相當于增加導體條帶的寬度，使得微帶線特性阻抗比實際值減小*隨著基片厚度的增加，導帶金屬層厚度對特性阻抗的影響增大2.2.3微帶線特性參數分析微帶線數值計算方法有限差分法，有限元法，全波分析法等等，商用電磁場分析工具軟件AgilentADSANSOFTHFSSMicorwaveOffice……2.2.4微帶線的損耗微帶線的損耗主要有三部分：(1)基片損耗：傳導損耗：由于基片的導電率不為零引起；極化阻尼損耗：高頻電場作用下介質分子產生交變極化MMIC電路基片損耗主要部分HMIC電路基片損耗主要部分(2)導體損耗：導體條帶和接地面電阻損耗：金屬為有限電導率引起；低頻時，金屬導體內電流均勻分布，金屬電阻表現為直流電阻，損耗與頻率無關；高頻時，趨膚效應減小了金屬導體有效導電截面積，增大了這部分電阻損耗。微帶線橫截面尺寸小，導體損耗大在微波頻段下，導體損耗是微帶線損耗的主要部分。2.2.4微帶線的損耗微帶線的損耗主要有三部分：(3)輻射損耗：由于微帶線半開放式場結構，能夠向空間輻射電磁能量所引起的。對于微帶線來說，高介電常數介質基片的引入和小的橫截面尺寸使得電磁場主要集中在導體條帶與接地面之間的介質基片以內，導體條帶上空間電磁能量小，輻射損耗低。在微帶線不均勻處，由于高次波型的存在，會增大空間電磁能量的存在，引起較大的輻射。屏蔽微帶線可避免輻射，并防止有其他外界電磁干擾微帶線輻射損耗較低，在工程應用中可以忽略。微帶線損耗主要為介質損耗和導體損耗2.2.4微帶線的損耗傳輸線損耗基本參量衰減常數α與功率損耗衰減常數α表達了單位長度傳輸線的功率損失情況。電壓/電流幅度衰減因子：功率衰減因子為：

=1N每單位長時，單位長度傳輸線的功率衰減為13.5%用分貝表示：

為單位長度傳輸線的損耗分貝（dB）值2.2.4微帶線的損耗傳輸線損耗基本參量衰減常數α與功率損耗單位長度傳輸線損耗功率為衰減常數

可表達為：

2.2.4微帶線的損耗傳輸線損耗基本參量衰減常數與功率損耗單位長度傳輸線損耗功率表達為三個部分：微帶線衰減常數α也由三個部分組成：

,和輻射損耗較小，往往可以忽略2.2.4微帶線的損耗基片損耗——介質P0線上的傳輸功率（行波狀態(tài)）；pd單位長度上線由基片（介質）引起而損耗的功率再考慮標準微帶線：部分填充介質情況方法：先考慮均勻填充微帶線：所有電磁場均浸入介質中P0為在傳輸線橫截面上對傳輸功率密度的積分。pd為在單位長度傳輸線介質體內對單位體積介質損耗功率的積分2.2.4微帶線的損耗介質損耗介質均勻填充微帶線情況傳輸功率P0為傳輸功率密度在傳輸線橫截面S上的積分。傳輸線功率密度矢量即坡印廷矢量（TEM波）TEM波的波阻抗真空/大氣中：2.2.4微帶線的損耗介質損耗均勻介質微帶線情況單位長度微帶線介質損耗功率為采用等效損耗電導

1來表示微帶線介質損耗，由此引起的有功電流密度為：時，△V內電磁場不隨長度變化單位體積介質損耗功率為:2.2.4微帶線的損耗介質損耗均勻介質微帶線情況介質損耗角正切相移常數2.2.4微帶線的損耗介質損耗標準微帶線引入等效介電常數

e和填充系數q概念來近似部分填充介質情況2.2.4微帶線的損耗介質損耗例：基片材料為厚度為0.254mm的Duriod5880，金屬層厚度為0.017mm，制作的50歐微帶線條帶寬度約為0.761mm，求10GHz時，一個波長的介質損耗（dB）。(Duriod5880的介電常數

，10GHz時）解：

故一個波長微帶線介質損耗約為2.13×10-2dB。通常介質損耗較小，分析中甚至可以忽略不計；但若介質吸收了較多的水份或含有其他雜質時，介質損耗將會增大。在HMIC和MMIC中，基片損耗誰更大些？2.2.4微帶線的損耗基片損耗作業(yè)：基片材料為厚度為4mil(0.1mm)的GaAs，金屬層厚度為4um的金Au，在工作頻率為10GHz時，求50歐微帶一個波長的基片損耗（dB）。2.2.4微帶線的損耗導體損耗P0線上的傳輸功率（行波狀態(tài)）；pc單位長度上線由導體引起而損耗的功率傳輸線特性阻抗Zc,線上電壓U，電流I單位長度傳輸線導體電阻R0,對微帶線即為分布參數電阻則：2.2.4微帶線的損耗導體損耗對于直流或低頻時***高頻情況下，由于趨膚效應使得電流大部分集中于導體的表面部分，并以指數規(guī)律向內部衰減，

導體電阻率，A導體橫截面積上述公式在微波頻率不適用2.2.4微帶線的損耗導體損耗高頻趨膚效應，導體電流密度J隨深度x按指數規(guī)律變化趨膚深度當x=，在趨膚深度處:電流密度函數幅度衰減為表面的1/e;相位要比表面上落后1弧度。2.2.4微帶線的損耗導體損耗若電流密度只隨深度

x方向變化，沿y方向均勻分布，則對于y方向及z方向長度均取為一個單位長度的部分導體來說，通過的電流這部分導體損耗的功率Rs為稱為金屬表面電阻：橫截面寬度為1、厚度為，導體長度為1，電阻率為的導體直流電阻——表面電阻2.2.4微帶線的損耗導體損耗這部分導體電壓降U（長度方向上）為：定義分布參數內阻抗ZnRn為分布參數內電阻，

Xn為分布參數內電抗。內阻抗實部和虛部相等，并等于表面電阻(每方):高頻趨膚效應引起的導體內電感：內阻抗是由電流以指數幅度衰減和線性相移的規(guī)律滲入導體內部所引起的阻抗2.2.4微帶線的損耗導體損耗傳輸線分布參數電阻R0等于整個導體橫截面周界的表面電阻，也等于分布參數內電抗分布內電感Ln

和總分布參數電感L0有如下關系：分布內電感Ln可看做總分布參數電感L0的增量總分布參數電感L0為假定電流完全分布于導體表面的無限薄厚度（即不向內滲透）的條件下求得，故也稱為外分布電感n為導體表面且指向導體內部的法向軸?？偡植紖惦姼蠰0分布內電感Ln分布參數電阻R0總分布參數電感L0如何求解？2.2.4微帶線的損耗導體損耗傳輸線分布參數電阻R0為沿整個導體橫截面周界的表面電阻，即對Rs沿整個周界的積分微波集成傳輸線，導體周界路勁復雜，表面電流分布不均，以上積分困難2.2.4微帶線的損耗導體損耗

c單位為dB考慮到金屬厚度t后，對導體條帶寬度修正結果2.2.4微帶線的損耗導體損耗2.2.4微帶線的損耗導體損耗對

的微帶線，可認為導體條帶電流在條帶寬度上均勻分布，有如下近似公式：作業(yè)：基片材料Duriod5880，厚度為0.254mm；金屬層為銅，厚度為0.017mm。制作的50歐微帶線條，帶寬度約為0.761mm。求10GHz時，一個波長的金屬損耗（dB）。銅的表面電阻：2.2.5微帶線的品質因素低頻率下(300MHz內)，采用LC回路實現諧振器LC回路的歐姆損耗、介質損耗、輻射損耗隨工作頻率增加而劇增在微波頻率下，要求電容量和電感量小

微帶諧振器振蕩器、濾波器等電路具有選頻特性，其基本單元電路為諧振器，要求電路具有高的品質因數Q值在微波頻率，往往用一段傳輸線來實現高Q諧振器一段兩端開路或短路的微帶線就是一個微帶諧振器2.2.5微帶線的品質因素

微帶諧振器品質因數Q微帶諧振器品質因數Q值定義WM為一段微帶線最大儲能WT為一個周期內一段微帶線的能量損耗PL為平均功率損耗。ω0為一段微帶線的諧振頻率2.2.5微帶線的品質因素

微帶線諧振器品質因數Q定義微帶線損耗包括三個部分，Q值由三個部分組成，它們的關系為Qc為導體損耗對應Q值Qd為介質損耗對應Q值Qr為輻射損耗對應Q值通常，微帶線輻射損耗很小而可以忽略2.2.5微帶線的品質因素

開路微帶線諧振器品質因數Q一段兩端開路的微帶線可看作一個半波長諧振器，線上電流電壓呈正弦駐波分布線上駐波電壓U可看成是幅度為Um/2而方向相反的一對行波電壓疊加的結果；線上駐波電流I可看成是幅度為Im/2而方向相反的一對行波電流疊加的結果。2.2.5微帶線的品質因素

半波長線上一個行波傳輸功率為：半波長線上一個行波損耗功率為：開路微帶線諧振器品質因數Q**認為半波長線上傳輸功率不變，故取近似兩個相反方向的行波總損耗功率為：一周期內的損耗能量：2.2.5微帶線的品質因素

線上最大儲能——取磁場儲能開路微帶線諧振器品質因數Q**諧振器最大儲能不變**最大儲能等于任何瞬刻的電場和磁場儲能之和。**為了方便起見，這里取線上電流到達最大值而電壓為零時刻的磁場儲能為最大儲能半波長開路線Q值為：2.2.5微帶線的品質因素

兩端開路的半波長微帶線Q值Q值和衰減常數

呈倒數關系2.2.5微帶線的品質因素

均勻介質微帶線情況實際微帶線情況（部分填充介質）作業(yè)：基片材料為厚度為0.254mm的Duriod5880，金屬層為厚度為0.017mm的銅，制作的50歐微帶線條帶寬度約為0.761mm，忽略輻射損耗，求10GHz時微帶線的Qc,Qd和Q值。介質損耗對應的Q值2.2.6微帶線的色散特性

電磁波的色散是指其在媒質中傳播速度隨其頻率而變化（或者說不同頻率的電磁波在媒質中傳播速度不同）的現象；出現色散現象的傳輸線稱為色散傳輸線。微帶線是一種色散傳輸線微帶線傳播TE波和TM波的混合模式，該混合模式能在任何頻率下傳播。在頻率較低的情況下，電磁場主要集中在介質中，空氣中的場較弱，電磁場的縱向分量很小，場結構近似于TEM模——準TEM模，可認為其相速或等效介電常數與頻率無關，沒有色散現象。當工作頻率較高時，微帶線物理尺寸相對于工作波長足夠大時，空氣中的電磁場分量比較突出，分析時縱向場分量不可忽略。此時，微帶線的相速或等效介電常數將隨頻率而產生明顯的變化。微帶線的色散特性：微帶線的相速或等效介電常數將隨頻率而產生明顯的變化，或者說不同頻率的信號在微帶線上傳輸的相速和等效介電常數不同的現象。2.2.6微帶線的色散特性

微帶線的色散特性：微帶線的相速或等效介電常數將隨頻率而產生明顯的變化，或者說不同頻率的信號在微帶線上傳輸的相速和等效介電常數不同的現象。2.2.6微帶線的色散特性

微帶線的色散特性可以用實驗方法得到，也可以用理論分析方法求得。嚴格的理論分析微帶線的色散特性，涉及到多波型、復雜的介質邊界條件的電磁場問題，求解過程相當繁雜。微帶線有效介電常數色散關系可用下列經驗公式計算fn為歸一化頻率:fcTE為最低次TE表面波截止頻率:2.2.6微帶線的色散特性

微帶線色散特點微帶線低頻時，色散現象不明顯微帶線高頻時，等效介電常數趨近于基片介電常數色散使微帶線隨頻率增加而變大；使變小存在色散最嚴重的工作頻率2.2.6微帶線的色散特性

微帶線相對相速色散關系微帶線相對相速：微帶線相對相速是頻率單調遞減函數微帶線等效介電常數是頻率單調遞增函數工作頻率在最低次表面波頻率處，相對相速隨頻率變化最快，此處色散最嚴重。2.2.6微帶線的色散特性

微帶線色散特點2.2.6微帶線的色散特性

微帶線色散特點基片介電常數越高，阻抗越低，基片越厚，色散越嚴重；（波導模式？）基片厚度對色散的作用更顯著。（波導模式+表面波模式?）2.3其他類型集成傳輸線帶狀線懸置微帶和倒置微帶共面波導鰭線其他類型集成傳輸線槽線TEM波傳輸線準TEM波傳輸線非TEM波類傳輸線2.3.1帶狀線帶狀線傳輸TEM波，主要由三導體構成，故又稱為三板線或夾心線。同軸線到帶狀線演變過程2.3.1帶狀線帶狀線是早期微波集成電路采取的主要傳輸線形式，主要用于實現微波無源元件，如功率分配器、濾波器、定向耦合器、balun等。在LTCC電路中應用：中間層信號傳輸特性參數2.3.1帶狀線相速：式中，c為光速，εr為帶狀線中填充介質的相對介電常數。波導波長：式中，λ0為自由空間中TEM波波長2.3.1帶狀線特性阻抗C0為單位長帶狀線的分布參數電容：由帶狀線的結構尺寸和填充介質決定；分布參數電容可用保角變換法求解t≠0時，有限厚度導體帶帶狀線特性阻抗公式(惠勒(Wheeler，H.A.）,保角變換法)；當W/(b-t)<10時，精度優(yōu)于0.5%2.3.1帶狀線簡化的特性阻抗經驗公式：1.導體條帶厚度為t、寬度為W的可等效為導體條帶厚度為零、寬度為We的帶狀線。等效關系為：精度為：1%2.中心導帶與一邊接地板之間的單位長度電容為：

單位長度帶狀線分布參數電容為：簡化后的帶狀線特性阻抗經驗公式為：2.3.1帶狀線衰減常數：2.3.1帶狀線帶狀線高次模式最低次TE高次模式——TE11:沿中心導體位置將帶狀線分為兩半，每一半成為一個變形的矩形波導，其中傳播的是TE10波；該矩形波導的TE10波的截止波長即為帶狀線TE11模的截止波長：

最低徑向線模式——TM10b較大時,出現徑向線模式最低次徑向磁波截止波長：2.3.1帶狀線帶狀線只傳輸TEM模的條件(單模傳輸條件)為：

不考慮徑向線模式，帶狀線的最高工作頻率為式中W和b的單位取cm。傳播準TEM波電磁場大部分處于空氣中，εe→1，傳輸線特參量接近空氣微帶線傳輸線損耗小，比微帶線更高的Q值（500-1000）,便于實現高Q濾波器、諧振器等便于安裝鐵氧體，介質諧振器，二極管等器件2.3.2懸置微帶和倒置微帶（a）懸置微帶（b）倒置微帶基本特性2.3.2懸置微帶和倒置微帶特性阻抗對屏蔽懸置微帶，在w>>h(即邊緣場的作用不大)時,有近似公式：主要特性參數為空氣線的特性阻抗。2.3.2懸置微帶和倒置微帶傳輸線損耗主要是金屬損耗，

c可用微帶線金屬損耗公式計算在W>>h(即邊緣場的作用不大)時可用下列近似公式計算其特性阻抗和有效介電常數：主要特性參數傳輸線Q值，主要由金屬損耗決定2.3.3槽線基本特性具有縱向磁場分量，主要傳播TE波，色散傳輸線空間場分量存在，可做輻射天線可用作傳輸線，采用高介電常數基片使電磁場能量集中于槽內，減小輻射損耗可制作高阻抗線TE波2.3.3槽線基本特性槽縫兩邊有電位差，電場跨過槽口，磁場垂直于槽口，便于并聯兩端器件磁場具有橢圓極化區(qū)，可用于設計非互易鐵氧體器件，如環(huán)形器、隔離器等便于和微帶線耦合，制作耦合器，過渡結構2.3.3槽線主要特性參數色散傳輸線，相速和特性阻抗隨頻率變化：阻抗定義具有任意性，一般采用功率-電壓定義：波導波長等效介電常數，誤差為10%以內2.3.4共面波導（CPW）基本特性傳播準TEM波，色散傳輸線具有圓極化磁場分布，便與設計非互易器件中心導帶與接地層位于同一平面，便于并聯連接兩端器件特性阻抗與基片厚度幾乎無關，可采用高介電常數基片減小導波波長，實現微波低頻率下的小型化設計2.3.4共面波導（CPW）主要特性參數K(k)為第一類完全橢圓積分:為對應空氣線的特性阻抗以上結果為基片厚度h=∞的結果采用高

r，h~2-3s時，Zc的影響很小結構特點2.3.5鰭線（1）在矩形金屬波導內E面嵌入槽線所組成的一種復合結構（2）一種由介質片支撐具有薄脊的加脊波導鰭線是一種可用于毫米波混合集成電路的準平面結構傳輸線:（1）電路圖形，包括有源器件在內都集成在一塊介質基板上，具有平面結構；（2）電路設計必須要考慮到金屬波導立體結構的影響。1972年，P.J.Meier提出鰭線（Finline）結構基本特性2.3.5鰭線鰭線傳播TE和TM混合波；通常設計為傳輸主模為準TE10波傳播特性與脊波導類似，具有比矩形波導更寬的單模傳輸帶寬根據“加脊”方式不同，有雙側鰭線，單側鰭線，對極鰭線，絕緣鰭線等基本特性2.3.5鰭線鰭線用于毫米波頻率

一種嵌入金屬波導內的傳輸結構鰭線具有微波集成傳輸線的一些優(yōu)點:對有源和無源電路的集成提供了可能條件。當金屬鰭位于同一側時，鰭線結構可方便地并聯連接兩端有源器件，制作成開關、移相器、混頻器、倍頻器等電路。同時，由于鰭線中電磁能量主要集中在金屬鰭間縫隙內，而金屬鰭可由集成電路工藝實現，避免了矩形金屬波導在毫米波頻段所要求的嚴格機械加工公差，具有平面電路制作上的優(yōu)點。鰭線阻抗變換器基本特性2.3.5鰭線鰭線結構上介于立體傳輸線和平面集成傳輸線之間可方便地用作這兩者之間的過渡轉換。鰭線具有較低的損耗，電路Q值高，可方便地用于設計成諧振器、濾波器等電路。矩形波導-鰭線過渡段鰭線濾波器特性參數2.3.5鰭線鰭線是一種分區(qū)填充介質的導波系統(tǒng)，工作于混合模式。精確地分析、計算其色散特性及特性阻抗需要依賴各種數值計算方法。單面鰭線可近似為等效脊波導，波導內均勻填充

e，此時：,F為修正因子，是鰭線結構尺寸、基片介電常數和工作頻率的函數。通常，單側鰭線的特性阻抗高于100Ω；對于低于100Ω的鰭線，可采用對極鰭線實現。小結本章要點：各種微波傳輸線概念和結構；各種傳輸線的優(yōu)缺點；微帶線的主要特性參數有哪些？3.3耦合微帶線概述間距離接近的傳輸線之間都有能量耦合：電耦合（耦合電容），磁耦合（耦合電感）可利用有規(guī)律、可控的耦合實現特定微波電路功能：定向耦合器，濾波器，匹配電路，混合電橋等耦合微帶線：（1）結構：由在介質基片上同一側面的兩根平行金屬導帶以及基片背面同一金屬接地面構成，形成了兩根導帶側邊間距為s的平行微帶線結構；（2）耦合微帶線間的耦合是兩列TEM波間的電耦合和磁耦合（類似靜電耦合和靜磁耦合），可由分布互電容CM和分布互電感LM表達。KC：電容耦合系數，KL：電感耦合系數；L和C為考慮另一根線存在但未被激勵時，單根線的分布參數電感和分布參數電容。耦合關系：3.3耦合微帶線耦合微帶線上TEM波傳播情況復雜，是兩列相互耦合的TEM波傳輸，電磁分布情況復雜；耦合微帶線分析方法考慮復雜的電磁問題簡化為多個簡單問題的迭加——（迭加方法：比如利用傅里葉級數分析非正弦波、利用泰勒級數分析非線性線性問題等）復雜分布參數電路的奇偶模分析方法：要點：分析奇偶模激勵下的電磁場問題，并充分利用對稱性使問題簡化（3）利用迭加原理得到任意激勵下的電路響應（1）利用電路結構對稱性，分別對電路饋以反對稱激勵（偶模激勵和奇偶激勵），得到不同的、具有對稱特性的電磁場分布（2）分別利用對稱性簡化電磁場分布邊界條件，實現簡化分析奇、偶模激勵下的電路，并得到奇偶模響應結果；3.3耦合微帶線此方法即求在奇偶模激勵下耦合微帶線的傳播特性參量與等效分布參數參量之間的關系；考慮理想TEM波耦合微帶在奇偶模激勵下的情況（1）先考慮空氣耦合微帶線，部分介質填充情況引入填充因子來考慮；（2）忽略傳輸損耗；（小尺寸電路）；（3）忽略高次波型影響，線間為純TEM波耦合（類似于靜電耦合和靜磁耦合），可完全有互電感和互電容表示；（4）僅僅考慮奇偶模激勵情況，其他情況可看做奇偶模情況的迭加奇偶模法分析耦合微帶線KC：電容耦合系數，KL：電感耦合系數；L和C為考慮另一根線存在但未被激勵時，單根線的分布參數電感和分布參數電容。耦合關系：3.3耦合微帶線奇偶模法分析耦合微帶線方程中的符號問題？？均勻介質耦合微帶線分布參數電路方程電耦合與磁耦合性質不同決定了耦合微帶線等效電路網絡中的感應電流和感應電壓的正負關系3.3耦合微帶線奇偶模法分析耦合微帶線均勻介質耦合微帶線分布參數電路方程3.3耦合微帶線奇偶模法分析耦合微帶線均勻介質耦合微帶線分布參數電路方程3.3耦合微帶線均勻介質耦合微帶線特性參數奇偶模相速關系奇偶模特性阻抗關系均勻介質填充耦合微帶線，電磁耦合系數相等，奇偶模相速/相移常數相等3.3耦合微帶線均勻介質耦合微帶線特性參數均勻介質耦合微帶線各種特性阻抗關系均勻介質耦合微帶線特性阻抗與耦合系數的關系3.3耦合微帶線均勻介質耦合微帶線特性參數：Zce＞Zco;緊耦合時，K

→1，Zce>>Zco;弱耦合時，K

→0，Zce=Zco=Zc;弱耦合時，耦合微帶特性參數接近單根微帶線特性參數，可得到寬帶工作特性；均勻介質填充時，奇偶模特性相移常數、相速、耦合系數等參數相等，可用于實現高方向性定向耦合器奇偶模特性參量可充分表達耦合特性：3.3耦合微帶線耦合微帶線奇偶模特性參數求解耦合微帶線奇偶模特性阻抗可由分布參數電容表達3.3耦合微帶線空氣耦合微帶線奇偶模特性阻抗的求解3.3耦合微帶線部分介質填充耦合微帶線空氣引入等效介電常數

e概念，將部分填充介質

r情況等效為均勻填充介質

eo、

ee情況來分析部分填充介質耦合微帶線奇偶模相速不相等：3.3耦合微帶線耦合微帶線特性阻抗3.3耦合微帶線耦合微帶線特性參數EDA計算工具-LinCalc3.4耦合微帶線定向耦合器概述由電長度為π/2的耦合微帶線構成，①為輸入端、④為輸出端、②為耦合端、③為隔離端。①-④為主線，

②-③為副線。主線和副線上信號傳輸方向相反，又稱為“反向定向耦合器”一般為弱耦合情況（-20dB），主線上傳輸大功率信號，副線耦合輸出弱的取樣信號，用于高功率信號檢測等3.4耦合微帶線定向耦合器主要技術指標耦合度C：P1P2P4P3方向性D：隔離度I：三者之間的關系為:I=C+D理想情況下，高隔離度，高方向性：P3→0，D→∞，I→∞3.4耦合微帶線定向耦合器奇偶模法分析均勻介質填充耦合微帶線定向耦合器奇偶模特性參數：

奇偶模激勵時的反射系數和傳輸系數：

0o、T0o

;

0e、T0e奇偶模分析法要點：——求解奇偶模特性參數和四端口網絡的端口電壓、傳輸功率的關系（耦合、隔離關系）奇偶模阻抗為：Zco

，Zce均勻介質奇偶模電長度相等:3.4耦合微帶線定向耦合器奇偶模法分析均勻介質填充耦合微帶線定向耦合器偶模激勵時，單根線對端口匹配負載Z0歸一化轉移矩陣：UeUe3.4耦合微帶線定向耦合器奇偶模法分析均勻介質填充耦合微帶線定向耦合器奇模激勵時，單根線對端口匹配負載Z0歸一化轉移矩陣：-UoUo耦合微帶線定向耦合器網絡參數可由：Z0、ZcO、Zce、Θ確定3.4耦合微帶線定向耦合器奇偶模法分析均勻介質填充耦合微帶線定向耦合器各端口入射波電壓：各端口出射波電壓：設①口接電壓源1V，②③④口均接匹配負載Z0。各端口電壓：3.4耦合微帶線定向耦合器奇偶模法分析均勻介質填充耦合微帶線定向耦合器ae2ae1偶模激勵電壓：偶模激勵時端口電壓3.4耦合微帶線定向耦合器奇偶模法分析均勻介質填充耦合微帶線定向耦合器ao2ao1奇模激勵電壓：奇模激勵時端口電壓3.4耦合微帶線定向耦合器奇偶模法分析均勻介質填充耦合微帶線定向耦合器利用線性疊加原理，各端口的電壓a2a13.4耦合微帶線定向耦合器奇偶模法分析均勻介質填充耦合微帶線定向耦合器利用線性疊加原理，各端口的電壓a2a13.4耦合微帶線定向耦合器3.4耦合微帶線定向耦合器奇偶模法分析均勻介質填充耦合微帶線定向耦合器理想定向耦合器要求：P1P2P4P3（1）理想端口匹配（2）理想隔離完全匹配和完全隔離條件:Z0=ZC3.4耦合微帶線定向耦合器奇偶模法分析均勻介質填充耦合微帶線定向耦合器理想定向耦合器各端口電壓：P1P2P4P33.4耦合微帶線定向耦合器理想定向耦合器P1P2P4P3電壓耦合系數耦合度/（功率）耦合系數傳輸系數3.4耦合微帶線定向耦合器理想定向耦合器P1P2P4P3能量守恒：耦合微帶線定向耦合器是全頻段90°定向耦合器S21和S41相差90°在中心頻率處，

=90°，耦合端與輸入端同相，輸出端滯后90°3.4耦合微帶線定向耦合器理想定向耦合器P1P2P4P3弱耦合時，k<<1此時，在中心頻率上耦合最強，偏離中心頻率越遠，耦合越弱3.4耦合微帶線定向耦合器耦合微帶線定向耦合器的耦合與奇模和偶模歸一化阻抗的關系耦合度C（dB）電壓耦合系數kZco/Z0Zce/Z0耦合度C（dB）電壓耦合系數kZco/Z0Zce/Z010.89130.23984.170160.15850.85231.17320.79430.33862.954170.14130.89741.15330.70790.41352.418180.12590.88111.13540.63100.47572.102190.11220.89341.11950.56230.52931.889200.10000.90451.10660.50120.57641.735210.089130.91451.09370.44670.61841.620220.079430.92351.08380.39810.65611.542230.070790.93151.07390.35480.69011.449240.063100.93881.065100.31620.72081.387250.056230.94531.058110.28180.74851.336260.050120.95111.051120.25120.77361.293270.044670.95631.046130.00390.79631.234280.039810.96101.041140.19950.81691.224290.035480.96511.036150.17780.83551.197300.031620.96891.0323.4耦合微帶線定向耦合器耦合微帶定向耦合器設計：已知端口阻抗Z0、耦合度C/耦合系數K，求解奇偶模參數和電長度P1P2P4P3（1）令：（2）耦合系數K：（3）得：耦合微帶物理參數：基片厚度/線寬，基片材料，間距等；耦合段長度取奇偶模四分之一波長平均值3.4耦合微帶線定向耦合器實際耦合微帶定向耦合器具體問題理想隔離、理想匹配——理想方向性耦合器是建立在均勻介質填充條件下的。Z0=ZC實現耦合端和輸入端同相的相位條件非均勻介質填充耦合微帶線的影響3.4耦合微帶線定向耦合器實際微帶線由非均勻介質填充耦合微帶線，不滿足理想隔離、理想匹配條件——理想方向性3.4耦合微帶線定向耦合器P1P2P4P3實際微帶線由非均勻介質填充耦合微帶線，不滿足理想隔離理想匹配條件——理想方向性3.4耦合微帶線定向耦合器消除非均勻介質填充對定向耦合器方向性影響的方法（2）采取介質加載的方法，使電磁場完全在同一種介質中分布。（1）采取耦合帶狀線實現定向耦合器加載介質與基片材料相同，厚度為3~5h3.4耦合微帶線定向耦合器消除非均勻介質填充對定向耦合器方性影響的方法（3）采用折線邊界耦合微帶，增加奇模耦合電容，滿足匹配和隔離條件以及相位條件C0o=C1+C2C1C2奇模電場分布比偶摸電場分布在空氣中更多，故

eo＜

ee

∴veo＞

vee增加奇模電容中C2分量，減小veo使veo→vee，達到KL→KC，滿足匹配和隔離條件以及相位條件：3.4耦合微帶線定向耦合器增加耦合度的方法（1）簡單串接，實現緊耦合單個耦合微帶定向耦合器可實現-8dB~-30dB左右的耦合，不易實現緊耦合采用兩個相同耦合系數k的耦合器串接，耦合系數為：3.4耦合微帶線定向耦合器增加耦合度的方法（1）簡單串接，實現緊耦合3.4耦合微帶線定向耦合器增加耦合度的方法（1）簡單串接，實現緊耦合3.4耦合微帶線定向耦合器增加耦合度的方法（2）LANGE耦合器：更復雜的串接3.5微帶線功率分配器概述功率分配器概念：將輸入信號分成相等或不等的多路功率輸出網絡功率分配器應用MMICPA；高功率合成功率分配相控陣雷達將發(fā)射功率分配到各天線單元；共用同一本振的多通道收發(fā)系統(tǒng)功率合成（功率合成器）3.5微帶線功率分配器概述功率分配器主要技術指標：支路數功率分配比隔離度損耗駐波功率容量功率分配器類型二進制樹形，級聯型，N-路型，……等功率型，非等功率型隔離型，非隔離型波導型，同軸型，微帶型……

……3.5微帶線功率分配器WilkinsonN-wayHybridpowerdividerAcoaxiallineinwhichthehollowinnerconductorhasbeensplitintonsplinesoflength/4.Ashortingplateconnectsthesplinesattheinputend,andresistorsareconnectedinaradialmannerbetweeneachsplineattheoutputendandacommonjunctionOutputconnectorsareshownconnectedtothesplinesinan“inline”manner3.5微帶線功率分配器微帶Wilkinson

功分器3.5微帶線三端口功率分配器微帶線wilkinson功率分配器結構與功能平衡工作狀態(tài)：通過選擇不同Z02和Z03的

g/4線，并配接合適的負載R2和R3，實現不同比例的功率分配/功率合成，并使(2)、(3)端口間無壓差，電阻R上無電流由T/Y型結，特性阻抗為Z02和Z03的

g/4線、電阻R構成的三端口功率分配網絡:(1)為輸入端口，

(2)、(3)為輸出端口非平衡工作狀態(tài)：(2)、(3)端口間存在電壓差，電阻R上有電流流過。由(2)口輸入的信號分為兩路達到(3)端口：一路Z02

g/4線—Z03

g/4線，一路通過電阻R，并在(3)端口實現相互抵消。即實現(2)-(3)端口隔離隔離電阻3.5微帶線三端口功率分配器微帶線wilkinson功率分配器網絡分析功率分配比與支路阻抗的關系設(2)、(3)端口功率分配比：平衡工作狀態(tài)，(2)、(3)端口無電壓差：Z2Z3V2V3V13.5微帶線功率分配器Z2Z3V2V3V1Zin3Zin2Zin2和Zin3為在(1)處分別向支路(1)-(2)和支路(1)-(3)的輸入阻抗：在(1)處分別流向支路(1)-(2)和支路(1)-(3)的功率比值：功率分配比與支路阻抗的關系功率分配比與支路阻抗的關系：3.5微帶線三端口功率分配器微帶線wilk