微波集成传输线

微带线 微带线的特性参量
有效介电常数 e： e c / v p
2
1 e r，数值由相对介电常数 r和边界条件决定
工程上，用填充因子q来定义有效介电常数，即：
e 1 q( r 1)
q 0时， e 1，全空气填充 q 1时， e r，全介质填充
r 9.5 ~ 10 , tg 0.0003
r 2.1, tg 0.0004
聚四氟乙烯
聚四氟乙烯玻璃纤维板 砷化镓
r 2.55, tg 0.008
r 13.0, tg 0.006
jingqilu@
微带线
在导体带上面即 y>h的为空气
jingqilu@
微带线 微带线的特性参量
有效介电常数法
引入有效介电常数 e， 非均匀填充 均匀填充
纯TEM波，v p c
纯TEM波，v p c / r
准TEM波，c / r v p c
准TEM波，v p c / e
jingqilu@
传输波型：
★传输特性参数主要有：特性阻抗Z0、衰减常数α、相速vp和 波导波长λg。
jingqilu@
带状线（三板线） 特性阻抗
由于带状线上的传输主模为TEM模，因此可用准 静态分析法求得单位长分布电容C和分布电感L， 从而有： L 1
Z0
工程中：
C

v pC
b ①导带厚度为0时：Z 0 r we 0.441b 0 we w we是中心导带的有效宽度， b b (0.35 w / b) 2
微波集成传输线
各种微波集成传输系统，归纳起来可分为四大类：

c d
式中，α为带状线总的衰减常数；αc为
15
第五章
导体衰减常数；αd为介质衰减常数。 介质衰减常数由以下公式给出：
27.3 r 1 ad GZo tan (dB / m) 2 o
式中，G为带状线单位长漏电导，tanδ为 介质材料的损耗角正切。 导体衰减通常由以下公式给出（单位 Np/m）：
2 30 4 1 8 1 8 1 Z0 ln 1 6.27 m r m m
式中:
w w m bt bt
2 n w x x 0.0796x 1 0.5 ln b t (1 x) 2 x w / b 1.1x 2 x t n 2 /(1 ), x 3 1 x b
6
第五章
7
第五章
微带线是由在介质基片上的金属导体 带和接地板构成的一个特殊传输系统，它 可以看成由双导线传输线演化而来，即将 无限薄的金属片垂直插入双导线中间，因 为导体板和所有电力线垂直，所以不影响 原来的场分布，再将圆柱形导线变换成导 体带，并在导体带与导体板之间加入介质 材料，从而构成了微带线。微带线的演化 过程及结构如上图所示。
第五章
第五章 微波集成传输线
1
第五章
上一章介绍了金属波导的传输原理 及特性，这类传输系统具有损耗小、结 构牢固、功率容量高等优点，其缺点是 比较笨重。随着航空、航天事业发展的 需要，对微波设备提出了体积小、重量 轻、可靠性高、成本低等要求。即使对 于地面设备，也同样存在减轻设备体积 与重量的问题。20世纪50年代产生的带 状线及微带线不仅使微波电路的体积和 重量大为减少，而且结构简单，加工容 易，因此发展极为迅速。

传播常数
描述信号在传输线上传播时的 幅度和相位变化的参数。
衰减
指信号在传输过程中幅度的减 小，与传输线的长度和材料有 关。
延迟
指信号在传输过程中时间的延 迟，与传输线的长度和传播速
度有关。
03
微波传输线的性能分析
传输线损耗
导体损耗
辐射损耗
由于导体中的电子与电磁场相互作用， 导致能量转化为热能，从而产生损耗。
传输线不连续性
不连续性定义
01
不连续性是指微波传输线中因结构、尺寸、材料等因素引起的
电磁场分布不连续的现象。
不连续性类型
02
不连续性可分为短路、开路、不均匀、不匹配等类型。
不连续性的影响
03
不连续性会导致信号反射、散射和模式转换等，影响微波系统
的性能。
04
微波传输线的实际应用
卫星通信系统
卫星通信系统是利用微波传输线实现地球上不同位置之间通信的重要应用之一。
微波技术的应用领域
01
02
03
通信领域
利用微波的穿透性和反射 性，实现无线通信和卫星 通信，如移动通信、电视 广播等。
雷达领域
利用微波的反射性和高频 率特性，实现高精度、高 分辨率的雷达探测和定位。
加热领域
利用微波对水分子产生共 振的特性，实现快速、均 匀的加热，常用于食品加 工和工业加热。
02
未来发展方向与展望
未来微波传输线将朝着高频化、高速化、 小型化、集成化的方向发展，以满足不
断增长的信息传输需求。
随着新材料、新工艺的不断涌现，微波 传输线的性能将得到进一步提升，如采 用新型介质材料、电磁超材料等，实现
更低损耗、更高传输效率的目标。

求解分布电容的方法很多，但常用的是等效电容法和保角变换 法。由于计算结果中包含了椭圆函数而且对有厚度的情形还需修正，
故不便于工程应用。
第八页，共78页。
在这里给出了一组比较实用的
公式，这组公式分为导带厚度为 零和导带厚度不为零两种情况。
(1) 导带厚度为零时的特性阻抗计算公式：
Z0
30 b () r we0.44b1
b w tπx -(x)1 10.5ln 2 xx 2 w 0 /.0 b1 7 .x 1x9 n 6
而：n122
x
，x t b
3 1x
式中，t为导带厚度。
第十页，共78页。
带状线特性阻抗随形状参数w/b的变化曲线
由图可见, 带状线特性阻抗随着w/b的增大而减小，而且也随着 t/b的增大而减小。
vp
1 LC
式中，L和C分别为微带线上的单位长分布电感和单位长分布
电容。
第二十三页，共78页。
然而，由于微带线周围不是填充一种介质，其中一部 分为基片介质，另一部分为空气，这两部分对相速均产生 影响，其影响程度由介电常数ε和边界条件共同决定。
当不存在介质基片即空气填充时，这时传输的是纯TEM波， 此时的相速与真空中光速几乎相等，即vp≈c=3×108m/s；
抗越小。
图 3-6 微带线特性阻抗随w/h的变化曲线
第三十一页，共78页。
2) 波导波长λg
微带线的波导波长也称为带内波长，即：
g
0 e
(3-1-38)
显然，微带线的波导波长与有效介电常数εe有关, 也就是与 有 关, 亦h 即与特性阻抗Z0有关。
对同一工作频率, 不同特性阻抗的微带线有不同的波导波长。
(3-1-23)

在低频，基于准TEM模所计算的Zc、A是相当精确的，但是 在高频端场的纵向分量变得明显，必须予以考虑。高频效应 导致了色散现象，即微带线的阻抗和有效介电常数将随工作 频率的变化而变化。 图3.29是微带线特性阻抗随 W h 变化的曲线(宽带近 似 W h 1 )，图3.30是微带线特性阻抗随 W h 变化的曲线(窄 W 带近似， h 1 )，这些曲线以 r 为参变量，它们是根据惠勒 的精确解计算的。
(0 ) min (0 ) min h min , 2 r 4 r 1 w (0 ) min 0.4h 2 r
(3-2-18)
第3章 微波集成传输线
实际应用中, 常用的基片厚度一般在0.008～0.08 mm 之间，且都用金属屏蔽盒，从而不受外界干扰。金属屏蔽 盒的高度取为H≥(5～6)h，接地板的宽度取为a≥(5～6)w。 目前，混合微波集成电路(HMIC)和单片微波集成电 路(MMIC)中最常用的平面传输线就是微带线。它易于与 其他无源微波电路和有源微波器件连接，也易于实现微波 系统的集成化。 微带线的加工一般有两种方法，一种是采用双面聚四 氟乙烯(εr=2.1，tanδ=0.0004)或聚四氟乙烯玻璃纤维 (εr=2.55，tanδ=0.008)敷铜板，光刻腐蚀做成电路。再一 种就是在纯度为99.8%的氧化铝陶瓷(εr=9.5～10， tanδ=0.0003)基片上用真空镀膜技术做成电路。
图3.27微带线结构(a) 微带线结构; (b) 微带线的场结构
第3章 微波集成传输线
微带线是在介质基片的一面制作导体带，另一面制作接地金属 平板而构成。微带线是半开放系统，虽然接地金属板可以帮助 阻挡场的泄露。但导体带会带来辐射。所以微带线的缺点之一 是它有较高损耗并与邻近的导体带之间容易形成干扰。 微带线的损耗和相互干扰的程度与介质基片的相对介电常数 εr有关，如果εr增大，可以减小损耗和相互干扰的程度，所以 常用的介质基片是介电常数高、高频损耗小的材料，例如氧化 铝陶瓷（εr=9.5~10，tanδ=0.0002）。 微带线板的种类： 常用的有99%的氧化铝陶瓷、石英、 蓝宝石、聚四氟乙烯玻璃纤维等。

本课内容
1、第三章、微波集成传输线常用集成传输线的种类和主要特点2、第四章介质波导和光波导
1、传播条件和波型2、特性阻抗3、波长，相速4、功率容量5、衰减
了解
微波集成传输线
微波集成传输线的最大特点是 平面化
五种重要的传输线：带状线（Stripline）微带线（Microstrip line）槽线（Slotline）鳍线（Finline）共面线（Coplanar line）
式中
微波集成传输线－带状线
带状线—优缺点和应用
1、改变线宽一个参数就改变电路参数（特性阻抗）。2、在馈线、功分器，耦合器，滤波器，混频器，开关的设计中，体积小，重量轻，大批量生产的重复性好。3、立体电路的设计，适用于多层微波电路，LTCC等，辐射小。4、封闭的电路，调试难。5、电路需要同轴或波导馈入，引入不连续性，需要在设计时补偿。6、在多层电路设计中，存在不同节点常数的介质之间的连接，介质与金属导体的连接，分析方法非常复杂，尤其对3D电路，尚缺少各种不连续性的模型和相关设计公式，采用全波分析法或者准静态场分析。
毫米波鳍线混频器
介质波导和光波导
当毫米波波段→亚毫米波段→太赫兹波段时普通的微带线将出现一系列新问题1）高次模的出现使微带的设计和使用复杂2）金属波导的单模工作条件限制了其横向尺寸不能超过大约一个波长的范围。这在厘米波段和毫米波低频段不成问题。但到毫米波高频段，单模波导的尺寸就显得太小，不仅制造工艺困难，而且随着工作频率的提高，功率容量越来越小，壁上损耗越来越大，衰减大到不能容忍的地步。因此，对毫米波段的高端及来说，封闭的金属波导已不再适用。于是，适合于毫米波高频段、亚毫米波的传输线 —— 介质波导等非封闭式的传输线（或称开波导）便应运而生
微波集成传输线－微带线

低频的集总参数带通滤波器，关心每 一个元器件的值，与传输线无关。
分布参数电路与集总参数电路的区别

分布参数电路：当元器件的尺寸与波长可比拟时， 电磁场（幅度相位）不仅随时间变化，而且同时随 空间位置变化，电磁波在电路中传输的滞后效应显 著。传输线就不能再简单的认为只是电路上两点之 间的连接方式，而应该等效为具有分布参数的电路 网络，线上各点的电位不同，处处有储能和损耗， 导体上存在有损耗电阻、电感，导体间存在分布电 容和漏电导。在设计时必须把传输线作为电路的一 部分来考虑。

TEM模的一个重要特性就是电磁场垂直于传播方向，场 分布与静场相同，电压、电流和特性阻抗可以由电磁场 唯一确定。另外，传输线参数，如，单位长度的电感和 电容等也可以由电磁场唯一定义，这样，传输线理论就 把集总参数电路理论用来解决一般的电磁场问题（化场 为路）。 最后，矩形波导，圆波导和槽线支持的是非TEM模，单 导体系统也无法确定对应电压波和电流波。在这次课， 我们只研究TEM模传输线的分布参数电路理论，对于波 导系统的分布参数理论在以后的课程中介绍。
专业资料发电厂发电厂用户家中用户家中交流电频率fis50hz波长llis5??106m传输线的形式1专业资料集成电路微带线带状线通孔从此处截面pcb基板tw上图的横截面t信号微带地地电源信号带状线信号带状线地地电源信号微带铜导线copperplanefr4基板w信号频率f5ghz波长ll6cm微带线带状线传输线的形式2专业资料?选择何种形式的传输线必须根据其应用场合和目的例如用于传输兆瓦级电磁能量的高功率传输线必须具有高功率容量和低损耗特性一般都非常笨重
传输线的参量





每个单元均可由L1，C1，G1，R1四个参数来决定。 L1表示导体的自感，与单位长度传输线内存储的磁 能时均值相关。 C1表示导体之间的电容耦合，决定于导体的接近程 度，与单位长度传输线内存储的电能时均值相关。 G1表示由介质引起的单位长度的传输线上的功率耗 散的时均值。 R1表示由金属的有限导电率引起的传输线上的功率 损耗的时均值。 G1，R1表示的是传输线的衰减（损耗）参量。

2u y 2
0
2
2
x2
2
y 2
0
西安电子科技大学
［证明］ 解析函数满足Cauchy-Rieman条件
u x
y
u y
x
2u 2
x2 yx
2u y 2
2
xy
2u
0
2) w=u+jv是解析函数，则等位线 u(x, y)=c1和力线v(x, y)=c2在z平面必须相互 正交。 ［证明］ 正交条件是
第4章 微波集成传输线
六十年代以来，在微波工程和微波技术上，出 现 了 一 次 不 小 的 革 命 ， 即 所 谓 MIC(Microwave Integrated Circuit)微波集成电路。其特色是体积小、 功能多、频带宽，但承受功率小。因此被广泛用于接 收机和小功率元件中，并都传输TEM波。
1、相速和波导波长
由于TEM模，
kc 0
p
1
c
r
相移常数为
k 00r k0 r
西安电子科技大学
波导波长 g p 0 / r
2、特性阻抗
L Z0 C
Z0
LC C
1
Z0 C L
其中 c / r , c 3，.0 1是08所m 填/ s充 0 r
的介质，于是一般的特性阻抗问题可转化为求电容C
作为这一革命的“过渡人物”是带状线(Stripline) 。它可以看作是同轴线的变形。
同轴线
扁带同轴线
带状线 西安电子科技大学
4-1 带状线
对于带状线的分析可以用传输线理论来分析。表 征带状线的主要特性参量有传播常数、相速、相波 长和特性阻抗。
西安电子科技大学
一、带状线的TEM特性

3. 偶模激励(even-mode excitation):
由大小相等、方向相同的电流对耦合线两带状导体产生的激励，偶模激励中 间对称面为磁壁 。
偶模激励的场结构 单根带状导体对地的分布电容为偶模电容
等效电容网络
Ce C11 C22
Anhui University
4. 奇偶模分析方法
在奇、偶模激励下，耦合线被电壁和磁壁分成两半，另一根带状导体的影响 分别可用对称面上的电壁和磁壁边界条件来等效，这样只需分别研究单根奇模线 和单根偶模线的特性.，然后叠加便可得到耦合线的特性。
Z 1 r 1 0.11 A 0 r 0.23 60 2 r 1 r W / h≤2 窄带 当A》=1.52窄带情况：
W 8e A 2A h e 2
当A《=1.52宽带情况：
W / h 2宽带
1 W 2 0.61 B 1 ln(2 B 1) r ln( B 1) 0.39 h 2 r r
Anhui University
4.2 微带线(microstrip line)
微带线是第二代微波集成传输线，是微波集成电路最常用的一种平面型传输线，它 易于与有源微波电路和无源微波电路集成，又称为标准微带。
一、微带的结构与工作模式：
它是在高度为h的介质片上，一边为宽度为w 厚度为t的导体带，另外一边为接地板构成。
Anhui University
2.奇模激励 (odd-mode excitation):
由大小相等、方向相反的电流对耦合线两带状导体产生的激励，奇模激励 时中间对称面为电壁。
奇模激励的场结构
单根带状导体对地的分布电容为奇模电容

K(· )为第一类完全椭圆积分，k为模数，k’为补模 数。 k 1 k 2 k与带状线的尺寸w和b有关。 w k sech 2b
带状线 二、相速度和波导波长 带状线的主模为TEM模 传播速度为:
北京交通大学
Beijing Jiaotong University
9
vp
c
r
波导波长为:
难点：耦合带状线的主要特性。
微波集成传输线 内容提要 3.1 带状传输线
北京交通大学
Beijing Jiaotong University
3
3.2 微带线
3.3 耦合微带线
3.4 共面波导
微波集成传输线 内容提要 3.1 带状传输线
北京交通大学
Beijing Jiaotong University
四、微带线的损耗 微带线的损耗包括导体损耗、介质损耗和辐射 损耗。（频率较低时，辐射损耗一般可忽略）
re 0 g re
vp
c
c d r c为导体的衰减常数， d为介质的衰减常数
微带线
北京交通大学
Beijing Jiaotong University
22
微带线 一、微带线中的模式
E、H — 空气中的场 E、H — r 1的介质中的场
北京交通大学
Beijing Jiaotong University
14
介质与空气分界面处，电场强度、磁场强度的切向分量 应该连续，即：
E x Ex E z Ez
H x Hx H z Hz
北京交通大学
Beijing Jiaotong University
25
200Ω
150Ω