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1、毫米波理论与技术第三章 微带传输线,2011年10月,导波,按传播环境，电磁波可分为自由空间波导波由传输媒介引导，在其边界附近或边界之间传播的电磁波,导波结构（传输媒介）,导波结构的基本功能引导或限制电磁波的传播构成电路的基本元件经典的传输媒介平行双导线（不能用于毫米波）同轴线（可用至毫米波低频端）波导（可用于毫米波）,传输线,矩形波导,圆波导,平行双线,同轴线,微带线,集成传输线,集成化对传输线的要求便于集成无源和有源器件低成本设计和生产微波毫米波电路的发展波导电路混合集成 单片集成 三维集成,毫米波传输线,毫米波传输线分类,平面传输线微带、悬置微带、倒置微带共面波导、共面带线、槽线准平面传
2、输线鳍线（准TE10）波导矩形波导圆波导介质波导矩形介质波导介质镜像波导H波导、槽波导,微带印制电路板,3.1 微带结构的一般形式,开放微带,1 基本微带结构,2 变形微带结构,悬置微带倒置微带屏蔽微带,3 类微带结构,分区域填充不同介质,类微带结构,开放微带h1=0;h2=h,r2=r;h3=0;h4=,r4=1;L=悬置微带r1=1;h2=h,r2=r;h3=0;h4=,r4=1;L=倒置微带r1=1;h2=0;h3=h,r3=r;h4=0;L=屏蔽微带h1=0;h2=h,r2=r;h3=0;h4=h,r4=1,类微带线的传输模在工作频率较低时为准TEM模，可采用准静态分析在工作频率较高时
3、为TE+TM混合模准TEM模纵向场分量较横向场分量小得多，且随着频率f降低而减小，当f0时纵向场分量趋近于0，即趋近于TEM模,3.2 类微带结构的准静态分析,准静态的含义在工作频率较低时，准TEM模可近似看作TEM模来分析，故称为准静态分析特性阻抗和有效相对介电常数,准静态分析,物理意义对于置于(x0,y0)处的单位电荷，Green函数（指什么物理量？）满足Poisson方程,Green函数,这里假设类微带线的导体条带无限薄，即忽略其厚度的影响，t 0,前述Green函数的解有如下分离变量的形式两种边界条件E-wall DiricheletH-wall Newmann,Green函数的解,这
4、里假设介质材料无耗、各向同性、非磁,类微带结构边界条件三种情况对应的解的形式x=0和x=L处均为E-wallx=0处E-wall，x=L处H-wallx=0和x=L处均为H-wall上面第一种情况对应于我们所讨论的类微带结构，代入Poisson方程得两边同乘sin(nx/L)后在(0,L)积分，并利用正弦函数的正交性,类微带结构边界条件确定的解,图3.4的类微带线是在y方向上的分层介质结构，可视为沿y方向分段均匀的传输线，利用传输线理论来简化分析在y=y0（导体条带处）应看作有一电流源由于电压与Green函数满足同样的边界条件设y=y0处的导纳为Y（可用横向传输线法计算），则,横向传输线法,类
5、微带线的电容f(x)为导体条带s1上的电荷分布,电容的变分表示式,实变函数是以实数为自变量的函数复变函数是以复数为自变量的函数泛函是以函数为自变量的函数泛函分析（Functional Analysis）的特点是它不但把古典分析的基本概念和方法一般化了，而且还把这些概念和方法几何化了。例如，不同的函数可以看作是“函数空间”的点或矢量，这样最后得到了“抽象空间”这个一般的概念。它既包含了以前讨论过的几何对象，也包括了不同的函数空间。,泛函的概念,将准TEM模按TEM模考虑，将特性阻抗的求解转化为静电容的求解建立Green函数并分离变量，由边界条件先得出Gnx(x)用横向传输线法求Gny(y)对电容
6、的变分表示式求泛函极值，得到导体条带上的电荷分布，从而得出电容值,准静态分析步骤小结,对奇偶模分别考虑,对称耦合微带结构的准静态分析,准静态法将准TEM模按TEM模考虑，忽略了色散模，即TE和TM模，要求w,h，因此只在较低频率时适用在毫米波频段，类微带线传输的是TE+TM混合模，色散影响较为显著，采用准静态法的误差很大，但可以在准静态分析结果的基础上作修正,准静态法的限制,特性阻抗和有效相对介电常数随w/h的变化情况,r,w,hre,Zc,特性阻抗和有效相对介电常数随频率的变化情况,fre,Zc,近似公式通过与全波分析的结果比较，确定近似公式的适用范围导体条带厚度的影响边缘电容We|t0W|
7、t0 re|t0re|t0 Zc|t0Zc|t 0,3.3 类微带线的特性阻抗和有效介电常数,屏蔽外壳的作用实现电磁屏蔽增加机械强度便于密封安装接头屏蔽外壳影响可忽略的条件W,h5时，顶盖的影响可忽略,屏蔽外壳的影响,色散的程度微带的色散效应可忽略的频率上限式中fd以GHz计，h以cm计r,hfd频率对有效介电常数和特性阻抗的影响在准静态分析结果基础上作修正,色散的影响,损耗导体损耗c表面电阻系数Rsc趋肤深度c表面不平度c介质损耗d基片介质材料的损耗角正切tand辐射损耗rh时，r很小，可近似忽略,3.4 微带线的损耗、功率容量和品质因数,f,r,hT,总损耗随基片厚度的变化情况,f,r,h
8、T,功率容量平均功率容量主要受限于导体损耗和介质损耗引起的热效应峰值功率容量主要受限于基片介质击穿效应波导和同轴线可用于高功率，微带一般只能用于中小功率电路,功率容量,Q值是描述谐振系统的频率选择性和能量损耗程度的物理量w为谐振时的储能，wL为一个周期内的损耗能量，PL为一个周期内的平均损耗功率,品质因数,品质因数随基片厚度的变化情况,与波导、同轴线相比，微带的Q值通常要低一至二个数量级,对一个给定频率，存在一个使Q值最大的最佳基片厚度hoptf,rhopt,不连续性问题准静态分析全波分析基片的选择毫米波混合集成常选用较薄的低介电常数基片，如RT-Duroid 5880单片集成常选用高介电常数
9、基片以便集成有源器件，如GaAs或Si,3.5 有关微带电路设计的其它问题,毫米波电路尺寸小，制造公差问题比较突出,公差的影响,低介电常数的薄基片允许的公差相对大一些,最高工作频率受限于寄生模的激励过高的损耗严格的制造公差加工安装损坏严重的不连续效应辐射引起的Q值降低制造工艺的限制,频率上限,频率上限的主要障碍是微带中准TEM模与最低的最低次表面波寄生模之间的耦合，二者不出现强耦合的最高工作频率为Vendelin式中fT以GHz计，h以mm计r,hfT,寄生模决定的频率上限,r,w,hre,Zc图3.7,P129fre,Zc图3.8,P131r,h fd式3.34,P136f,r,hT图3.10,P139h(Vo),r(Zc)Pp式3.43,P140f,r hopt=hQmax图3.11,P143r,hfT式3.50,P148,微带特性小结,
