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1 0.8 0.6 1 G Hz 0.4 0.2 0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 r / mm 100 kHz 1 M Hz 10 M Hz 10 kHz 100 M H z
图2-2 半径a=1mm的铜导线在不同频率下的Jz/Jz0相对于r的曲线
第2章 传输线理论 由图2-2可以看出,在频率达到1MHz左右时,就已经 出现比较严重的集肤效应,当频率达到 1GHz时电流几 乎仅在导线表面流动而不能深入导线中心, 也就是说 金属导线的中心部位电阻极大。 金属导线本身就具有一定的电感量,这个电感在射 频/微波电路中,会影响电路的工作性能。电感值与导 线的长度形状、 工作频率有关。工程中要谨慎设计, 合理使用金属导线的电感。 金属导线可以看作一个电极,它与地线或其他电子 元件之间存在一定的电容量,这个电容对射频/微波电 路的工作性能也会有较大的影响。对导线寄生电容的 考虑是射频/微波工程设计的一项主要任务。
第2章 传输线理论 高密度碳介质合成电阻、 镍或其他材料的线绕电 阻、温度稳定材料的金属膜电阻和铝或铍基材料薄膜片
电阻。
这些电阻的应用场合与它们的构成材料、 结构尺 寸、 成本价格、 电气性能有关。在射频/微波电子电
路中使用最多的是薄膜片电阻,一般使用表面贴装元件
(SMD)。单片微波集成电路中使用的电阻有三类: 半 导体电阻、 沉积金属膜电阻以及金属和介质的混合物。
103 102 101 100 1 0 -1 1 0 -2 1 0 -3 106 电容 效应 电感 效应
理想 电阻
| Z | /
1z
1 0 10
1 0 11
1 0 12
图2-6 电阻的阻抗绝对值与频率的关系
第2章 传输线理论 从图2-6中可以看出,在低频率下阻抗即等于电阻 R,而随着频率的升高达到 10MHz以上,电容C a 的影响 开始占优,导致总阻抗降低;当频率达到20GHz左右时, 出现了并联谐振点; 越过谐振点后,引线电感的影响 开始表现出来,阻抗又加大并逐渐表现为开路或有限阻 抗值。这一结果说明,看似与频率无关的电阻器,用于 射频/微波波段将不再仅是一个电阻器,应用中应特别 加以注意。 电阻的基本结构为图2-3所示长方体。在微波集成 电路中,为了优化电路结构和某些寄生参数,会用到曲边 矩形电阻。
是频率的函数时,其特性变异将更严重。
2.1.4 电感 在电子线路中常用的电感器一般是线圈结构,在高 频率下也称为高频扼流圈。它的结构一般是用直导线 沿柱状结构缠绕而成,如图2-9所示。
第2章 传输线理论
Cd
R
d
R
d
图2-9 在电感线圈中的分布电容和串联电阻
第2章 传输线理论 导线的缠绕构成电感的主要部分,而导线本身的电感可 以忽略不计,细长螺线管的电感量为
d=l/N=3.6×10-4mm,极板面积
A=2alwire=2a(2π rN),lwire为绕成线圈的导线总长度, 根据式(2-7)可求得Cs=0.087 pF。导线的自身阻抗
由式(2-1)可求得,即0.034Ω 。于是可得图2-10所示
等效电路对应的阻抗频率特性曲线如图2-11所示。
第2章 传输线理论
第2章 传输线理论
H
L
W
图2-3 物质的体电阻
第2章 传输线理论 在射频应用中,电阻的等效电路比较复杂,不仅具有 阻值,还会有引线电感和线间寄生电容,其性质将不再是
纯电阻,而是“阻”与“抗”兼有,具体等效电路如图2-4
所示。图中Ca表示电荷分离效应,也就是电阻引脚的极板 间等效电容;Cb表示引线间电容; L为引线电感。
第2章 传输线理论
第2章 传输线理论
2.1 集总参数元件的射频特性 2.2 射频/微波电路设计中Q值的概念 2.3 传输线基本理论
2.4 无耗传输线的工作状态
2.5 有耗传输线的工作状态 2.6 史密斯圆图 2.7 微带线的理论和设计 2.8 波导和同轴传输线简介
第2章 传输线理论
象将随着频率的升高而加剧,这就是通常所说的“集肤效
应”。进一步研究表明,在射频(f≥500MHz)范围此导线 相对于直流状态的电阻和电感可分别表示为
R R dc a 2 a 2
(2-3a)
L
R dc
(2-3b)
第2章 传输线理论 式中 δ=(πfμζ) -1/2 (2-4)
L
r 0 N
2
2
l
(2-10)
式中,r为螺线管半径,N为圈数,l为螺线管长度。在考虑 了寄生旁路电容Cs以及引线导体损耗的串联电阻Rs 后,电感 的等效电路图如图2-10 所示。
第2章 传输线理论
L
Rs
C
s
图2-10 高频电感的等效电路
第2章 传输线理论 例如,一个N=3.5的铜电感线圈,线圈半径为1.27 mm,线圈长度为1.27 mm,导线半径为63.5 μ m。假设 它可以看做一细长螺线管,根据式(2-10)可求出其电 感部分为 L=61.4nH。其电容Cs可以看做平板电容产生 的电容,极板间距离假设为两圈螺线间距离
2.1 集总参数元件的射频特性
2.1.1 金属导线 在直流和低频领域,一般认为金属导线就是一根连 接线,不存在电阻、 电感和电容等寄生参数。实际上, 在低频情况下,这些寄生参数很小,可以忽略不计。当 工作频率进入射频/微波范围内时,情况就大不相同。 金属导线不仅具有自身的电阻和电感或电容,而且还是 频率的函数。寄生参数对电路工作性能的影响十分明 显,必须仔细考虑,谨慎设计,才能得到良好的结果。下 面研究金属导线电阻的变化规律。
第2章 传输线理论
102
101
实际 电容
| Z | /
100
10
-1
理想 电容 1 0 -2 8 10 10
9
10 f / Hz
10
10
11
图2-8 电容阻抗的绝对值与频率的关系
第2章 传输线理论 从图2-8中可以看出,其特性在高频段已经偏离理 想电容很多,可以设想在真实情况下损耗角正切本身还
导线横截面电流密度对直流情况的归一化值。图2-2表
示半径a=1 mm的铜导线在不同频率下的Jz/Jz0相对于r的 曲线。
第2章 传输线理论
图 2-1 交流状态下铜导线横截面电流密度 对直流情况的归一化值
第2章 传输线理论
2 1.8 1.6 1.4 1.2
Jz / Jz0
1 k Hz
对于线绕电阻,其等效电路还要考虑线绕部分造成的
电感量L1和绕线间的电容C1,引线间电容Cb与内部的绕线 电容相比一般较小,可以忽略,等效电路如图2-5所示。
第2章 传输线理论
Ca
L
R
L
C
b
图2- 4 电阻的等效电路
第2章 传输线理论
C1
L2
R
L1
L2
C
2
图 2-5 线绕电阻的等效电路
处于优势地位而逐渐减小。
第2章 传输线理论
2.2 射频/微波电路设计中Q值的概念
品质因素Q表示一个元件的储能和耗能之间的关系,即
Q 元件的储能 元件耗能
从上节中元件的等效电路图可以看出,金属导线、 电阻、 电容和电感的等效电路中均包含储能元件和耗能元件,其中 电容、 电感代表储能元件,电阻代表耗能元件。由两者的比 值关系可以看出,元件的耗能越小,Q值越高。当元件的损耗 趋于无穷小,即Q值无限大时,电路越接近于理想电路。在某 些射频/微波电路设计中,Q值概念清晰,计算方便。
第2章 传输线理论 2.1.3 电容 在低频率下,电容器一般都可以看成是平行板结构,其极 板的尺寸要远大于极板间距离,电容量定义为
C
A
d
0 r
A d
式中,A是极板面积,d表示极板间距离,ε=ε0εr 为极板为填 充介质的介电常数。
理想状态下,极板间介质中没有电流。在射频/微波频率 下,实际的介质并非理想介质,故在介质内部存在传导电流, 也就存在传导电流引起的损耗,更重要的是介质中的带电粒子 具有一定的质量和惯性,在电磁场的作用下,很难随之同步振 荡,在时间上有滞后现象,也会引起对能量的损。
第2章 传输线理论 所以电容器的阻抗由电导Ge和电纳ω C并联组成,即
Z 1 G e j C
(2-8)
式中,电流起因于电导,
d 其中,ζ d是介质的电导率。
Ge
dA
(2-9)
在射频/微波应用中,还要考虑引线电感L以及引线导 体损耗的串联电阻Rs和介质损耗电阻Re,故电容器的等效 电路如图2-7所示。
定义为“集肤深度”。式(2-3)一般在δ a条
件下成立。从式(2-4)可以看出,集肤深度与频率之 间满足平方反比关系,随着频率的升高,集肤深度是按
平方率减小的。
交流状态下沿导线轴向的电流密度可以表示为
J z pI 2 a J 0 ( pr ) J 1 ( pa )
(2-5)
第2章 传输线理论 式中,p2=-jωμζ, J0(pr)和J1(pa)分别为0阶和1阶贝塞 尔函数,I是导线中的总电流。图2-1表示交流状态下铜
第2章 传输线理论 以500Ω 金属膜电阻为例(等效电路见图2-4),设两 端的引线长度各为2.5cm,引线半径为0.2032mm,材料
为铜,已知Ca为5pF,根据式(2-3)计算引线电感,并
求出图2-4等效电路的总阻抗对频率的变化曲线,如图 2-6所示。
第2章 传输线理论
第2章 传输线理论 物质的电阻的大小与物质内部电子和空穴的迁移 率有关。从外部看,物质的体电阻与电导率ζ 和物质的
体积L×W×H有关(如图2-3所示),即
R L
WH
1