57微波技术基础-传输线和波导(6)

微微波波技技术术基基础础北京邮电大学无线电与电磁兼容实验室北京邮电大学无线电与电磁兼容实验室刘凯明刘凯明副教授副教授（明光楼（明光楼718718室，室，6228130062281300））[e-mail]@sohu.com2010北京邮电大学——《微波技术基础》2微带线微带线北京邮电大学——《微波技术基础》3研究内容研究内容¾微带线结构特点、应用¾微带线特征阻抗、设计北京邮电大学——《微波技术基础》4tWhrε微带线概述微带线概述¾微带线结构特点微带线是一种重要的微波传输线，其结构如下图所示。它是由介质基片上的导带和基片下面的接地板构成。微带线容易实现微带电路的小型化和集成化，所以微带线在微波集成电路中获得了广泛的应用。部分场在空气中，部分场在介质中„一个薄、窄的中心导体„一个接地平板„低损耗介质基片北京邮电大学——《微波技术基础》5微带线概述微带线概述¾微带线结构特点微带线可看作是由平行双线演变而来的，如下图所示。常用的基片有两种：‡氧化铝Al2O3陶瓷，εr=90～99‡聚四氟乙烯或聚氯乙烯，εr=2.50左右北京邮电大学——《微波技术基础》6微带线概述微带线概述¾微带线与带状线区别带状线微带线„一个薄、窄的中心导体„两个接地平板„由同轴线演变而成„主模为TEM波„一个薄、窄的中心导体„一个接地平板„由平行双线演变而成„主模“近似”TEM波北京邮电大学——《微波技术基础》7微带线概述微带线概述微带线应用举例——BPF(带通滤波器）优点：容易集成，和有源器件、半导体管构成放大、混频和振荡电路。北京邮电大学——《微波技术基础》8微带线概述微带线概述¾微带线特点1、微带的第一个特点是非机械加工，它采用金属薄膜工艺，而不是像带状线要做机加工。基片打孔蒸发光刻腐蚀电镀微带线工艺2、一般地说，微带均有介质填充，因此电磁波在其中传播时产生波长缩短，微带的特点是“微”。北京邮电大学——《微波技术基础》9微带线概述微带线概述¾微带线特点3、场结构特点——微带线的非均匀结构准TEM模!„在两种不同介质的传输系统中，不可能存在单纯的TEM模，而只能存在TE模和TM模的混合模。„在微波波段的低频段，由于场的色散现象很弱，传输模式类似于TEM模，故称为准TEM模。北京邮电大学——《微波技术基础》10微带线概述微带线概述证明：在两种不同介质的传输系统中，不可能存在单纯的TEM模。反证法：假设是TEM模，在介质内部和空气中相速度不同（色散），传输一段便分开，不满足分界面连续条件。„准TEM模→场分布与TEM相似，基本在平面内。„分析方法→微带线一般工作在弱色散区，将微带线工作模式当作TEM模来分析，称为“准静态分析法”。引入“有效介质”的概念，假设空间均匀填充相同介质。北京邮电大学——《微波技术基础》11微带线分析微带线分析0rεε0ε¾微带线分析方法——有效介电常数有效介电常数是一个均匀媒质的相对介电常数。eε设有效介电常数为eε0?,?eZε==空气介质等效均匀介质北京邮电大学——《微波技术基础》12C1——微带中单位长度的电容工程上，通常认为微带线中近似传播TEM波。TEM模传输线的特性阻抗为为011pZvC=vp——微带中电磁波的相速微带线分析微带线分析0111(,)pLZvCLC==01011ZcC=空气填充时特征阻抗空气中vp=c，即真空中光速；C01表示空气中单位长度的电容。有效介电常数填充时的相速与电容？北京邮电大学——《微波技术基础》13C01是空气填充时单位长度的电容,采用等效均匀介质填充后，微带线单位长度的实际电容为C1，则有011pZvC=/pevcε=CCe101=ε010010111eeeeZZccCCεεεε===根据等价定义：微带线分析微带线分析代入定义式有01011ZcC=求得C01与C1则可得εe空气填充时的特征阻抗北京邮电大学——《微波技术基础》14特别要注意从概念上理解CCCpf12=+W愈大特性阻抗愈低，h愈大特性阻抗愈高。erhCfCpCfwt微带的电容分布微带线分析微带线分析北京邮电大学——《微波技术基础》15根据上述思路，问题发生了转化原问题介质微带Z001eZε转化问题空气微带和有效特性阻抗求解的转化ZZe001=ε微带线分析微带线分析空气均匀填充北京邮电大学——《微波技术基础》16Gupta的闭式工作微带传输线的难于计算和查表问题使国外发展了与Computer、CAD相联系的闭式工作，也就是把场论复杂的结果用简要的ClosedForm(称为闭式)表示，其目标是计算简单，精度高。1.分析工作——已知微带线尺寸求解特征阻抗Gupta的工作分为分析和综合两大部分。已知Whr/,ε求解Ze01,ε分析问题微带线分析微带线分析北京邮电大学——《微波技术基础》17ZhWWhhWWhWheerr012608025121211200411=+⎛⎝⎜⎞⎠⎟=++−+⎛⎝⎜⎞⎠⎟+−⎛⎝⎜⎞⎠⎟⎡⎣⎢⎢⎤⎦⎥⎥⎧⎨⎪⎪⎩⎪⎪−εεεεln../≤窄带ZWhWhhWWhrerr01212013930667144412121121=+++⎛⎝⎜⎞⎠⎟=++−+⎛⎝⎜⎞⎠⎟⎧⎨⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪−πεεεε..ln.//＞宽带微带线分析微带线分析北京邮电大学——《微波技术基础》182.综合工作——已知特征阻抗求解微带线尺寸/,rWhε求解01,eZε已知分析问题首先判断参数AAZrrrr=+⎛⎝⎜⎞⎠⎟+−++⎛⎝⎜⎞⎠⎟012601211023011εεεε/..当A＞1.52的窄带情况WheeAA=−822微带线分析微带线分析北京邮电大学——《微波技术基础》19当A≤1.52的宽带情况WhBBBrrr=−−−+−−+−⎡⎣⎢⎤⎦⎥⎧⎨⎪⎩⎪⎫⎬⎪⎭⎪2121121039061πεεεln()ln()..BZr=6020πε其中典型数据有εr=9.6，W/h=1，Z0=49.69Ω，εe=6.49。微带线分析微带线分析北京邮电大学——《微波技术基础》20微带线设计微带线设计¾微带线的色散特性和尺寸设计考虑(一)微带线的色散特性微带线中电磁波传播的速度是频率的函数，它使得微带线的特性阻抗Z0和εe将随频率而变化，频率愈高，则相速愈小，等效介电常数愈大，特性阻抗愈低。临界频率的近似值为()00140.95GHz1rZfhε=−北京邮电大学——《微波技术基础》21微带线设计微带线设计¾微带线的色散特性和尺寸设计考虑(二)微带线尺寸设计考虑当工作频率提高后，微带线中除了传输TEM模以外，还会出现高次模。据分析，当微带线的尺寸w和h给定时，最短工作波长只要满足minminmin2241rrrwhhλελελε⎧⎪⎪⎨⎪−⎪⎩就可保证微带线中主要传输TEM模。北京邮电大学——《微波技术基础》22微带线作业微带线作业¾教材P137页，第3.20题