第2章毫米波传输线20140316-鳍线

电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义微带线是一种非常好传输线结构，目前最高频率可达110GHz。但是在毫米波高端仍旧存在问题：1.辐射损耗大，电路中寄生模耦合明显增加，电路Q值降低。2.强烈的色散效应以及随之而来的高次模传输的可能性必然导致电路稳定性下降。3.把多个电路集成在一起时，为减小电路间的有害耦合必须采用模式隔离或谐振吸收装置。2.4鳍线1972年，P.J.Meier提出的鳍线（Fishline）:一种由介质片支撑具有薄脊的加脊波导，或者一种带有金属鳍的介质平板加载波导。电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义2.4鳍线（a）双侧鳍线；（b）单侧鳍线；（c）对极鳍线；（d）单侧绝缘鳍线；（e）双侧绝缘鳍线鳍线横截面结构示意图损耗小，最常用隔离鳍线，偏置低阻抗电路使用双面做电路，但损耗较大电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义鳍线传播模式鳍线传播的不是准TEM模，是TE和TM模系组成的混合模。若以TE模为主，习惯叫HE模（磁电模），若以TM为主，则用EH模（电磁膜）表示。设计得当，可以保证传输的为主模TE10模，最高工作频率140GHz。鳍线的组成鳍线可认为是准平面结构，既要制作电路图形，又要考虑金属波导盒影响。鳍线常用的基片材料有微纤强化覆铜板（PTFE），如RT-duroid5880。基片通常安放在矩形波导E面中心，用尼龙或者其他金属螺钉固定装配。为保持金属鳍和金属波导内壁的射频连续性，基片放置处的金属波导宽壁壁厚应等于λg/4。2.4鳍线电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义2.4鳍线（a）（b）鳍线导体鳍线槽（a）（b）（a）滤波器；谐振器；（b）阻抗变换器；耦合器矩形波导中的过度段(a)渐变式；（b）多阶梯式电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义E面鳍线滤波器模型图E面鳍线滤波器的实物照片2.4鳍线电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义鳍线的特点与微带电路相比鳍线的Q值较高，传输衰减较小;对导体条带的加工公差要宽松些（因其导行波长比微带的导行波长要长）;色散较弱，在多个电路集成时，无须模式滤波器和去耦隔离装置;鳍线的屏蔽外壳可直接采用标准矩形波导，可以在整个波导带宽内实现电路，与矩形波导的兼容性好;与矩形波导相比鳍线的结构和尺寸都易于集成固态器件;单模传输带宽更大，对金属矩形波导盒内壁公差的要求更为宽松；损耗更大。2.4鳍线电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义鳍线设计考虑的问题导行波长和特性阻抗不连续性金属鳍的厚度腔体及装架槽损耗和Q值2.4鳍线鳍线的分析方法鳍线的分析方法主要有：横向谐振法（TRM），传输线矩阵法（TLMM），有限元法（FEM），谱域法（SDM），谱域导抗法（SDIM）等数值方法，以及经验公式近似法。电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义P.J.Meier的近似公式，将鳍线看成带有介质衬底的加脊波导：适用条件：低介电常数的薄基片（d/a0.1，εe近似看作一个常数）导行波长和特性阻抗2(/)gecr2(/)ccecrZZ同尺寸空气填充加脊波导f→∞的特性阻抗同尺寸空气填充加脊波导的截止波长有效介电常数2.4鳍线电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义对εr较大的基片，需考虑εe与f的依赖关系Sharma和Hoefer的频率相关εe（MTT1983）：εe=εc·F(w/b，d/a，λ，εr)其中，εc为截面上的有效介电常数，并由下式给出εc=（λcf/λcr）λcf和λcr分别为鳍线中的截止波长和等效的空气填充脊波导的截止波长，修正因子F由数值计算获得。(范围：1/16w/b1/4，1/32d/a1/4，εr=2.22和3等）Pramanick和Bhartia的单侧鳍线近似公式（1985MTT）具有更宽的适用范围（1/32w/b1，d/a20，εr3.75）。前提：εe=εc，因此只适用于低介电常数和薄基片。频率相关近似公式2.4鳍线电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义•导行波长与特性阻抗（Ka频段单鳍线）2.4鳍线电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义当频率由低向高变化时，λg/λ下降，即频段高端的导行波长小于低端的导行波长；Zc随频率变化不大。当介质厚度增加时，λg/λ和Zc略微下降。相同频率下，λg/λ和Zc随槽宽的增大而增加。若槽宽w=0.05mm,对应毫米波频段的特性阻抗为100~120。对于中等槽宽，λg/λ和Zc随频率变化更剧烈。当w接近b时退化成介质片加载波导。2.4鳍线电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义介质基片横移的情况2.4鳍线介质基片横移，λg/λ有一定程度增加（w=0.1mm:0.92增大到0.94）；当w较大时，Zc随介质基片的横移有明显的降低(w=2mm:400降到330)。电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义槽在E面位移的情况2.4鳍线当s从零增加到(b-w)/2时，λg/λ先增后减，Zc在(b-w)/2时趋于饱和；对于固定的s,λg/λ和Zc随槽宽的增大而增加；低阻抗结构可以通过将槽向一侧壁移动时获得。s趋于零、w=0.1时，Zc=40Ω，利于低阻抗器件的匹配。电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义a,b,εr,d公差的影响2.4鳍线鳍线电路设计过程中，对参量a和εr的公差要求比对b和d的公差要求更为严格。电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义本征模的色散特性2.4鳍线分析单模工作带宽，则需分析高次模的影响。主模是HE1，其它为高次模。虚线的几种模式不会由TE10模激励，核心是HE3模式。VahldieckR(1951-2011).,MTT,1984电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义金属鳍片厚度的影响2.4鳍线Zc随基片厚度t的增加而减小；在靠近截止频率的低频段，鳍线的作用如同脊波导，t增大时，截止频率降低，εe增加；在较高频段，基片作用像槽线，随εe频率增加而减小；金属鳍厚度影响在高工作频段和槽宽较窄时较为明显；频段中的某些频点上，t对有效介电常数的影响可以忽略。电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义装架槽的影响2.4鳍线电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义小结本章要点：各种毫米波传输线概念和结构；各种毫米波传输线的优缺点；微带线的主要特性参数有哪些？矩形波导的特性参数计算和推导。