3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
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微带线
在导体带上面即 y>h的为空气
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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
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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。
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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：
准TEM波 传输线
半开放式 介质波导
开放式 介质波导 非TEM波 传输线
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§3.1微波集成传输线
微带传输线的基本结构有两种形式：带状线、 微带线。它们均属于双导体传输线，主要传输 的是TEM波。
★带状线（Strip Line） ★微带线（Microstrip Line） ★耦合微带线（Coupling Microstrip Line）
当2 r 16、 w / h 16以及f 100GHz时 0.06
②导带厚度不为0时：Z 0 30
30
w / b 0.35 w / b 0.35
4 1 8 1 8 1 ln{1 [ ( ) 2 6.27]} m m m r
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带状线（三板线）
带状线特性阻抗随形状参数w/b的变化曲线
带状线的特性阻抗随着w/b的增大而减小，也随着t/b 的增大而减小
t 0时，导带的边缘电容增大，相当于导体宽度w加宽为we 当t h、t w / 2时相应的修正公式为： 2h w t (1 ln ) we h h t 4 w h w t (1 ln ) h h t w h w h 1 2 1 2
微带线
★微带线的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。
微带线的特性参量
微带传输线同其他传输线一样，满足传输线方 程。因此对准TEM模而言，如忽略损耗，则有：
特性阻抗：z0 L / C 1/(v pC ) 相速：v p 1/ LC
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。
1 1 12h 2 q 1 1 2 w
☆波导波长（带内波长）：g 0 / e
Z 0：介质微带线的特性阻抗 ☆Z 0＝Z 0 / e Z 0 ：空气微带线的特性阻抗 直接求解较复杂，工程上一般采用近似公式。
相速&波导波长
相速： vp c / r 波导波长： g 0 / r
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带状线（三板线） 带状线尺寸的选择
带状线传输的主模是TEM模，但若尺寸选择不 合理也会引起高次模TE模和TM模。
TE模中最低次模TE10，其截止波长：cTE10 2 w r ； TM 模中最低次模TM 10，其截止波长：cTM10 2b r ； 因此，为抑制高次模，带状线应满足： 0 min 0 min
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带状线（三板线） 衰减常数α
带状线的损耗包括由中心导带和接地板导体引起的导 体损耗、两接地板间填充的介质损耗及辐射损耗。一 般来说衰减主要是由导体损耗及介质损耗引起的，即： c d
27.3 r 1 d GZ 0 tan dB/m 介质衰减常数： 2 0 2.7 103 RS r Z 0 式中， r Z 0 120 30 (b t ) A 导体衰减常数： c 0.16 RS B r Z 0 120 Z 0b
第三章 微波集成传输线
电子科技大学中山学院电子系 卢晶琦 jingqilu@
Chpt3 微波集成传输线
jingqilu@
1
微带传输线
2
光纤
Chpt3 微波集成传输线
规则金属波导传输系统：
优点：
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• 损耗小、结构牢固、功率容量高、电磁波限定在导管内；
一般情况下, 微带线的导体衰减远大于介质衰减, 因此一般可忽 略介质衰减。但当用硅和砷化镓等半导体材料作为介质基片时, 微带 线的介质衰减相对较大, 不可忽略。
☆辐射损耗
• 相对其它两种损耗，辐射损耗可以忽略不计；
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微带线 微带线的色散特性
• 色散是指电磁波的相速、特性阻抗等随频率而 变的现象。当频率较低时，微带线上传播的波 基本上是准TEM模，故可不考虑色散。 • 当频率较高时，微带线的特性阻抗与相速随着 频率变化而变化，即具有色散特性； • 频率f↑→相速vp↓、εe↑、特性阻抗Z0↓
微带传输线的边界条件特殊，求解过程相当繁琐。因此本 章的重点在于在阐述微带传输线的基本概念和特性的基础上， 利用前人推导出来的计算公式、曲线图和数据表，初步掌握微 带传输线的结构、原理和参数。
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§3.1微波集成传输线
带状线（三板接地板（相距为
b
t
☆介质衰减常数αd
• 对均匀介质传输线, 其介质衰减常数为： 1 27.3 ad GZ0 tan 2 0
由于实际微带只有部分介质填充，介质衰减常数修正为： 27.3 e 1 1 ad Ge Z 0 qGZ 0 qe tan 2 2 0 填充系数：qe
r ( e 1) e ( r 1)
导体带下方y < h 区域为介质基片
故场大部分场集中在介质基片内，集中在导体带与接地板 之间；但有一部分在空气中。由于空气和介质中的TEM模
的相速不同（c 和 c / er ），即相速在两分界面上对 TEM模不匹配。
★微带线所传输的波为准TEM波（纵向分量Ez和Hz存在且很小）
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2 8.68 h h w/h t /h we [1 ] 1 [ln(4 )]} ( w / h 0.16) 2 t /h w/h 4h we we 2 a0 Z 0h 8.68 h h 2h t we [1 ] 1 [ln )]} (0.16 w / h 2) RS t h 4h we we 2 8.68 w w /( h ) h h 2h t [ e e ] 1 [ln( )] ( w / h 2) t h we 2 ln[2 e( we 0.94)] h we 0.094 we we h 2h 2h

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特性阻抗&相速
☆导带厚度为0时，空气微带的特性阻抗Z 0 及其有效介电常数 e
8h w w 59.952 ln( ) 1 w 4h h Z0 119.904 w 1 6 h w / h 2.42 0.44h / w (1 h / w) 12h 1/ 2 w w r 1 r 1 [(1 ) 0.041(1 ) 2 ] 1 2 2 w h h e r 1 r 1 12h 1/ 2 w (1 ) 1 2 2 w h ☆导带厚度不为0时，空气微带的特性阻抗Z 0 及有效介电常数 e
插入 金属板
介质 基片
导带
微带线的演化过程及结构
金属 底板
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微带线
特点：
导带 t h W D εr 介质基片 接地板
容易制作（可用光刻程序制作） 容易集成（可与其它无源微波电路 和有源微波电路器件集成），由此 可实现微波部件和系统的集成化。
99.5%的氧化铝陶瓷
介 质 材 料
b），中间为矩形截面导体带 （宽度为W、厚度为t），板
W 中心导带
间填充空气或介质。 接地板
中心导带
接地板
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带状线（三板线）
同轴线---内外导体变成矩形，外窄边延伸至无限远---带状线。 用途： 特点： 缺点： 替代同轴线制作高性能的无源元件； 宽频带、高Q值、高隔离度； 不便外接固体微波器件，---不宜做有源微波电路。 工作模式为TEM波，可存在高次模。
很多时候已知特性阻抗 和相对介电常数，求w/h
微带线的设计！
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微带线
微带特性阻抗与w/h的关系
介质微带特性阻抗随着w / h增大而减小；相同尺寸条件下，
r 越大，特性阻抗越小。
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微带线 微带线的衰减常数α
介质损耗 d ：介质分子交替极化和晶格来回碰撞---热损耗
0 min w 2 cTE10 2 w r r cTM10 2b r b 0 min 2 r
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§3.1微波集成传输线
微带线
导带 t h W D εr 介质基片 接地板
微带线是由沉积在 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，导体带 宽度为w，厚度为t
缺点：
• 笨重、高频下批量成本高、频带较窄；
微波集成电路：
优点：
• 体积小、重量轻、低剖面、可靠性高、 性能优越、一致性好、成本低；
缺点：
• 损耗大、功率容量小、品质因数Q较低
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Chpt3 微波集成传输线 微带天线
手机天线
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导体损耗 c ：截面较小，导体损耗大
辐射损耗：由半开放性所引起，截面小则不均匀点较大,故微 带线常放在金属屏蔽盒中—可避免辐射损耗
无辐射损耗时
c d
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微带线的特性参量 微带线的衰减常数α
☆导体衰减常数αc
• 由于微带线的金属导体带和接地板上都存在高频表面 电流，因此存在热损耗。工程上一般近似计算公式：
为了降低导体的损耗，除了选择表面电阻率很小的导体材料 （金、 银、 铜）之外，对微带线的加工工艺也有严格的要求。 一 方面加大导体带厚度, 一般取导体厚度为 5~8 倍的趋肤深度；另一 方面，导体带表面的粗糙度要尽可能小，一般应在微米量级以下。
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微带线的特性参量 微带线的衰减常数α