通信射频电路预备基础知识传输线

第0章射频电路预备基础知识2电子科技大学游长江——射频传输线及特性分析射频前端电路2GHz功放电路版图(HMIC)一、传输线种类射频微波传输线是用来传输微波信号和微波能量的，按其传输电磁波的性质可分为三类：a.TEM模传输线(包括准TEM模传输线)，如平行双线、同轴线、共面波导及微带线等双导线传输线；b.TE模和TM模传输线,如矩形波导、圆波导、椭圆波导、脊波导等金属波导传输线；c.表面波传输线，其传输模式一般为混合模，如介质波导，介质镜像线等。1.双并行线(Two-wireParallelTL)Features:•Alternatingelectricfieldbetweenconductors•Alternatingmagneticfieldsurroundingconductors•Dielectrictendstoconfinefieldinsidematerial在射频微波的低频段，可以用平行双线来传输微波能量和信号；而当频率提高到其波长和两根导线间的距离可以相比时，电磁能量会通过导线向空间辐射出去，损耗随之增加，频率愈高，损耗愈大，因此在微波的高频段，平行双线不能用来作为传输线。2.同轴线(Co-axialcableTL)Features:•Electricfieldiscompletelycontainedwithinbothconductors•Perfectshieldingofmagneticfield•TEMmodesuptoacertaincut-offfrequency随着频率的提高，同轴线的横截面尺寸必须相应减小，才能保证它只传输TEM模，这样会导致同轴线的导体损耗增加，尤其内导体引起损耗更大，传输功率容量降低。因此同轴线又不能传输很高频率的电磁波，一般只工作到毫米波段的较低段（一般小于60GHz）。3.微带线(MicrostripTL)它是由介质基片的一边为中心导带，另一边为接地板所构成，其基片厚度为d，中心导带的宽度为w。其制作工艺是先将基片研磨、抛光和清洗，然后放在真空镀膜机中形成一层铬-金层，再利用光刻技术制成所需要的电路，最后采用电镀的办法加厚金属层的厚度，并装接上所需要的有源器件和其它元件，形成微带电路。4.带状线(Triple-layertransmissionline)Conductoriscompletelyshieldedbetweentwogroundplanes它是由一条厚度为t，宽度为W的矩形截面的中心导带和上、下两块接地板构成。两接地板的距离为b。中心导带的周围媒质可以是空气，也可以是其它介质。带状线中传输的主模为TEM模。为了减少横向辐射，接地板宽度D和接地板间距b必须满足：(3~6),2DWb5.共面波导(Co-planarWaveguideTL)在介质基片的一个面上制作出中心导体带，并在紧邻中心导体带的两侧制作出导体平面，这样就构成了共面波导，又叫共面微带传输线。共面波导传播的是TEM波，没有截止频率。由于中心导体与导体平板位于同一平面内，因此，在共面波导上并联安装元器件很方便，用它可制成传输线及元件都在同一侧的单片微波集成电路。6.矩形波导通常由金属材料（铜、铝等）制成的，矩形截面的、内部填充空气介质的规则金属波导称之为矩形波导。注意：矩形波导中有无穷多个满足边界条件的模式。矩形波导宽边a一般大于窄边b，故在矩形波导中，TE10模的截止波长最长，是最低传播模式。当波导中传输的电磁波的工作频率低于TE10模的截止频率时，电磁波将很快衰减，不能在波导中传播。7.圆波导通常由金属材料（铜、铝等）制成的，圆形截面的、内部填充空气介质的规则金属波导称之为圆波导。注意：圆波导中有无穷多个满足边界条件的模式，但不存在TE00、TEm0、TM00和TMm0模式。它的最低模式是TE11模。二、传输线特性分析传输线有长线和短线之分。所谓长线是指传输线的几何长度与线上传输电磁波的波长比值(电长度)大于或接近1，反之称为短线。长线(LongLine)分布参数电路忽略分布参数效应短线(ShortLine)集中参数电路考虑分布参数效应当频率提高到射频微波波段时，这些分布效应不可忽略，所以微波传输线是一种分布参数电路。这导致传输线上的电压和电流是随时间和空间位置而变化的二元函数。根据传输线上的分布参数是否均匀分布，可将其分为均匀传输线和不均匀传输线。我们可以把均匀传输线分割成许多小的微元段dz(dzλ)，这样每个微元段可看作集中参数电路，用一个L型网络来等效。于是整个传输线可等效成无穷多个L型网络的级联。•传输线分析理论•QuestionsKirchhoff’slawsatRFdonotapplyanymore,HowtoanalyzeRFcircuit?•Approaches1.EMTheory2.EquivalentCircuitTheory•等效电路法特点1.直观的物理图象2.可用Kirchhoff定理分析3.微观到宏观形式扩展的过程4.近为一维分析5.未考虑电路材料的非线性特征•传输线方程()()()()VzzVzRjLIzz•微观Kirchhoff电压/电流定律()()()()IzzIzGjCVzzz•传输线方程(电报方程)()()()dVzRjLIzdz()()()dIzGjCVzdz222()()0dVzkVzdzR、L、G、C为单位长度的等效参数K.V.LK.C.L0),(),(),(),(tzzvttzizLtzziRtzv0),(),(),(),(tzzittzzvzCtzzzvGtziDividingby△zthen△z0(,)(,)(,)(,)(,)(,)()()()()()()vztiztRiztLztiztvztGvztCztdVzRjLIzdzdIzGjCVzdzi(z,t)+v(z,t)_Zz•传输线方程(电报方程)222()()0dVzkVzdz222()()0dIzkIzdz()()kRjLGjCj典型的波动方程!•波动方程的解k:复传播常数,：相位常数,：衰减常数()kzkzVzVeVe()kzkzIzIeIe(,)coscoszzoouuvtzVtzeVtze2Pvf(,)coscoszzooiiitzitzeitze波长：相速：β：相位常数表示单位长度对应的相位•传输线特性阻抗0()/()VVZRjLGjCII01()()()()kzkzkzkzkIzVeVeVeVeRjLZ传输线特性阻抗依赖于传输线上单位长度的R,L,G,C!()()()dVzRjLIzdz()kzkzVzVeVe()()kRjLGjC•传输线上单位长度的R,L,G,C结论：1.微带线h、εr一定时，W↑，Z↓，反之亦成立2.微带线h、W一定时，εr↑，Z↓，反之亦成立3.微带线εr、W一定时，h↑，Z↑，反之亦成立•微带线特性阻抗与结构,材料特性的关系•Effectofconductorthicknessonthecharacteristicimpedanceofamicrostripline•Characteristicimpedance(Zo)rangesforthevariousstructuresStructureZo(Ω)Microstrip20-125Invertedmicrostrip20-130Trappedinvertedmicrostrip(TIM)30-140Suspendedstripline40-150Coplanarwaveguide(CPW)40-150Slotline60-200Finline10-400Imageline≈26•无损传输线特性电压波/电流波沿无损传输线传播而无衰减!0,0RG0//ZjLjCLC无损传输线特性阻抗无损传输线传播常数LC/LC无损传输线上电压波/电流波特性(,)coscosoouuvtzVtzVtz(,)coscosooiiitzitzitz0()()kRjLGjC0()/()VZRjLGjCI•端接负载无耗传输线的输入阻抗()?()inVdZId•电压反射系数)kzkzVzVeVe（()()()VzzVz)()kzkzkzkzooVzVeVeVee（)()kzkzoIzIee（)()/()ZzVzIz（()/ZkzkzoVeeo0z10)1oLooZZZ（•电压/电流波空间分布特性LooLoZZZZ无耗传输线情况下kjjLC)()jzjzoVzVee（)()/jzjzooIzVeeZ（22(1))()/()(1)jdjdoinojdjdoVeeZVdIdZVee（d另一坐标系统下)()jzjzoVzVee（)()/jzjzooIzVeeZ（cossin()cossinLOinOOLZdjZdZdZZdjZd(0)inLZZcossintan()cossintanLOLOinOOOLOLZljZlZjZlZlZZZljZlZjZl•端接负载无耗传输线的输入阻抗22(1))()/()(1)jdjdoinojdjdoVeeZVdIdZVee（d•驻波比及电压驻波比(SWR/VSWR))()jzjzVzVee（)2sin()cos(/2)vVzt（z,t•短路驻波特性StandingwavepatternforvariousinstancesoftimeLooLoZZZZ)2sin()cos(/2)vVzt（z,t(0)0oo2)(1)()(1())jzjzoVzVeeAzz（2()()jzjzoAzVeze)jzVzVe（完全匹配时•驻波比(SWR/VSWR)0maxmaxminmin011VISWRVI1SWR0oSWRisameasureofmismatchoftheloadtothelineSWR=1(matched)SWR=verylarge(mismatch----totalmismatch)•特殊情况分析与讨论1.一端口短路传输线的输入阻抗tantantanLOinOOOLZjZlZZjZlZjZlShortLoad一端口短路传输线的输入阻抗与传输线长度关系Voltage,current,andimpedanceasafunctionoflinelengthforashortcircuittermination.一端口短路给定长度传输线的输入阻抗与传输频率(波长)关系Magnitudeoftheinputimpedancefora15cmlong,short-circuittransmissionlineasafunctionoffrequency2.一端口开路传输线的输入阻抗(OpenLoad)tantancotLOinOOLOZjZlZZZjZljZlLOinZZZ23.一端口接负载ZL、λ/4奇数倍传输线的输入阻抗•λ/4阻抗匹配(转换)阻抗匹配目的(1)RF无反射传输,消除驻波(2)最小NF传输(3)最大功率传输传输线阻抗匹配特点:(2n+1)fo,n=0,1,2…….Z