微带电路的发展和应用

微带电路的发展和应用通过生产斗争和科学实验，人们对客观世界的认识不断深化，各种新技术不断涌现，近年来迅速发展的微带线技术就是其中之一。微带线是微波传输线的一种，作为微波传输线，有平行线、同轴线、波导、带状线和微带线等不同形式。他们发展和演变，都源于生产实践。最初形成的平行传输线，频率升高就有显著的辐射损耗，不适于作为很高频率（例如分米波、厘米波段）的传输线和电路元件，因此发展成为封闭结构的同轴线和波导，防止了辐射消耗，大大提高了工作性能，把微波技术推进到了一个新的水平。但是同轴线和波导的最大缺点是体积、重量大。这个问题在过去并不突出，但随着空间电子技术（例如空用雷达和其他空用电子设备、卫星通信设备等）的发展，设备的体积和重量成为一个主要矛盾，必须予以解决，即使对一些地面电子设备、减轻体积、重量也成为一个重要问题，例如相控阵雷达，使用了成千上万个微博单元，包括收、发设备和微波电路系统，如仍沿用过去的元件，则整个系统也将很复杂笨重。此外，同轴线和波导作为传输线和电路元件还存在机械加工量大、成本高、调整不易等缺点。总之，为了适应现在无线技术的发展，微波传输线必须相应地有个大变革。为了减轻整个无线电设备的体积和重量，增加其可靠性，首先再低频电路中有了很大发展：由电子管发展到晶体管，进而又发展到集成电路，为整机小型化开辟了道路。整个变革逐渐扩展到了微波领域。近十几年来，发展期一大批微波固体器件，它们和电子管相比，体积、重量大为减小。但要真正做到微波整机的小型化，还必须有电路部分与之配合。六十年代中期后，将器件和电路结合起来解决小型化问题的微波集成电路发展起来，从而使微波设备的固体化、小型化成为可能，并大大改进了整机的指标。目前应用的微波集成电路有两种：第一种称为集中参数型集成电路，其特点是电感、电容、电阻等电路元件均为集中参数，尺寸远小于工作波长，借助于蒸发、淀积、光刻等工艺印制在介质基片上，和有源微波固体器件连接后即构成整个微波集成电路。第二种即分布参数型集成电路或微带集成电路（简称微带电路），电路元件由于分布参数的微带线构成。他们包含按设计图形印制在介质基片一面的导体带条和另一面的金属接地板，图形的尺寸可以和工作波长比拟，和微波固体器件连接后即构成整个微带电路。将两者进行比较：前者的工作频带宽，某些电路元件（如滤波器）特性理想，集成度也很高，但其工艺比较复杂，质量不易保证，并且由于电路元件的精度难以提高，从而使整个电路特性的一致性差；而对微带电路，只要保证精确的印制工艺，就可得到较高的电路质量，故目前实际使用的大部分是这种电路。微带线可印制在很薄的介质基片上（可以薄到1mm以下），故其横截面积尺寸比波导、同轴线小得多，其纵向尺寸虽和工作波长可以比拟，但因可采用高介电常数的介质基片，使线上的波长比自由空间波长小了几倍，同样可以减小。此外，整个微带电路元件共用接地板，只须由导体带条构成电路图形，使整个电路的结构大为紧凑。由于上述原因，微带电路较好地解决了小型化问题，与波导、同轴线元件相比，大大减小了体积、重量。早在四十年代末、五十年代初，微带线作为一种传输线类型，几乎和带状线同时被提出。微带线和带状线可认为是由平行传输线及同轴线演变而来，如图（1—1）所示。在平行双线两圆柱导体间的中心面上放置一导电平板,使导电平板和所有电力线垂直，不扰动原来的电场结构，再把传输线从中心面一分为二，把其中一侧的导体柱体移去，另一侧导体周围的电场分布也不变，而导体柱体变为一带状扁条而敷在介质板的一面，介质板的另一面为接地板，即构成微带线。图1—1的下部表示带状线的演变过程。一同轴线的外导体对半分开，然后把两半外导体分别向上、下方向展平，把内导体做成扁平带状，即构成带状线。对比图1—1上、下部分的电力线结构，可知微带线的电力分布只是左右对称，上下不对称；而带状线则上下、左右都对称。因此微带线有时又称为不对称带状线。微带线和带状线之所以被提出作为一种新的传输线，主要是由于其下述特点：它们都由带状导体和面积很大的接地板构成，在组成各种微波电路时，可借助于印刷技术，因而使电路的结构和工艺大为简化。在开始时，尽管对称结构的带状线得到广泛推广，而不对称结构的微带线却未见有很多实际应用，其因为主要在于：微带线的场结构和平行双线一样（相当于半个平行双线）属于半开放性，工作频率提高，将引起显著的辐射损耗；而且这种不对称的场结构除了主要的TEM型外，还会激励起其他波型，使工作特性变坏。为了避免上述缺点，可将微带线的横截面尺寸大大缩小，使之远远小于波长，即使介质基片的厚度h，导体带条的宽度W远小于波长。但这样又导致其导体损耗增大，而使微带传输线的损耗或Q值指标远逊于其他传输线。此外还由于当时的工艺水平差，小的尺寸难于保证其精度，又缺少一套较为精确的理论设计方法，因而各种微带电路元件也比较粗糙。这都是微带线最初不如带状线用得广泛的原因。在流逝年代以来，无线电技术对小型化的要求日趋迫切，改变以波导、同轴线为主体的微波系统已成为当务之急；同时在微波固体器件上产生重大突破，要求有微波传输线与之配合。此时微带线遂登上重要地位，因为它的下述三个主要特点解决了微波电路小型化、集成化中的主要矛盾。1)可用印刷的方法做成平面电路，电路结构十分紧凑；2)传输线的尺寸，不仅线的横截面，而且在沿着线的方向，也因采用高介电常数的介质基片缩短了线上的波长而可大为缩减；3)微带线带的半边使自由空间（在带状线两侧和接地板之间，均有介质填充），连接微波固体器件十分方便。微带线的损耗大诚然是一缺点，但在精心选择介质基片材料，不断改进工艺的过程中，已可将其降低。在采用金属镀膜与光刻这一套工艺后，电路的尺寸精度又大为提高。加以这方面的生产实践推动了有关理论研究工作的进展，而计算微带线参量的电磁场问题和设计微带电路的网络问题都取得了研究成果后，反过来也提高了这方面生产实践的水平。微带电路已由研制发展到实际应用，特别是目前已由小块的单件而发展成大的微波功能块，如微波固体接收机、微波相控阵单元固体模件等，可以说是微博技术上的一次大的革新。总括起来，又微带和微波固体器件组成的微波集成电路，有下述一些有点：1)小型化、轻量化。图（2—2）示出了10cm波段波导平衡混频器和微带平衡混频器的比较，可以看出明显地减小了尺寸。2)生产成本降低，生产周期缩短，这是由于把大量的机械加工变为微带印制工艺的缘故。3)提高了可靠性。4)提高了性能。上3）、4）两点也是由于用印制的平面电路，代替结构复杂、调节部件繁多的波导与同轴线的立体电路；同时也是由于采用了高性能的微波固体器件的结果。目前这种微波集成电路的发展也十分迅速，已成为微波技术的发展方向之一。但是，尽管强调微带电路的优点，也并非说波导、同轴线将完全被它代替。微带电路目前还存在着缺点和局限性：毕竟它的损耗大，Q值约比同轴线低一个能量级，比波导几乎还低两个数量级，因此在构成滤波器、谐振腔等一类电路元件时，性能较差；在构成整个微波功能模块时，有时其传输线损耗可高达几个dB，这在某些应用中也不允许；由于微带线的尺寸小而不适合传输大功率，只能应用于中小功率，如固体接收机等。此外，要发挥它的可靠性高、性能好等优点，尚有待遇继续改进它的生产工艺。