毫米波传输线 鳍线
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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 （SDMwenku.baidu.com，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
2.4鳍线
导行波长和特性阻抗
➢ P. J.Meier的近似公式，将鳍线看成带有介质衬
➢ Pramanick和Bhartia的单侧鳍线近似公式（1985 MTT）
✓ 具有更宽的适用范围（ 1/32<w/b<1，d/a<20， εr<3.75）。 ✓ 前提： εe = εc ，因此只适用于低介电常数和薄基片。
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
• 导行波长与特性阻抗（Ka频段单鳍线）
频率相关近似公式
➢ 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 （ MTT 1983）：
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=（ λ cf / λ cr ）
λ cf和λ cr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：1/16<w/b<1/4，1/32<d/a<1/4， εr=2.22和3等）
时退化成介质片加载波导。
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
介质基片横移的情况
➢ 介质基片横移， λ g / 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
2.4鳍线
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;
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,εr,d公差的影响
➢ 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
2.4鳍线
本征模的色散特性
➢ 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
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
装架槽的影响
No Image
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。
电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
➢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。
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
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
激励，核心是HE3模式。
Vahldieck R(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
2.4鳍线
金属鳍片厚度的影响
➢ 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
2.4鳍线
➢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
底的加脊波导：
g
e (/cr)2
同尺寸空气填充加 脊波导的截止波长
有效介电常数
Zc
Zc
e (/cr)2
同尺寸空气填充加脊波 导f→∞的特性阻抗
➢ 适用条件：低介电常数的薄基片（d/a<0.1，εe 近似看作一个常数 ）
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
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
双面做电路， 但损耗较大
鳍线横截面结构示意图
损耗小，最常用
低阻 抗电 路使 用
隔离鳍线，
（a）双侧鳍线；（b）单侧鳍线；（c）对极鳍线； 偏置 （d）单侧绝缘鳍线；（e）双侧绝缘鳍线
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
➢ 当频率由低向高变化时， λ g / 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， λ g / λ和 Zc略微下降。 ➢ 相同频率下， λ g / 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， λ g / λ和 Zc随频率变化更剧烈。当w接近b
2.4鳍线
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
槽在E面位移的情况
➢ 当s从零增加到(b-w)/2时， λ g / λ先 增后减，Zc在(b-w)/2时趋于饱和 ；
➢ 对于固定的s , λ g / 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。
✓ 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RTduroid 5880。
✓ 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。
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）
鳍线导体
鳍线槽
（a）
（b）
（a）滤波器；谐振器；
（b）
矩形波导中的过度段
（b）阻抗变换器；耦合器
(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
2.4鳍线
E面鳍线滤波器模型图
E面鳍线滤波器的实物照片
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 （SDMwenku.baidu.com，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
2.4鳍线
导行波长和特性阻抗
➢ P. J.Meier的近似公式，将鳍线看成带有介质衬
➢ Pramanick和Bhartia的单侧鳍线近似公式（1985 MTT）
✓ 具有更宽的适用范围（ 1/32<w/b<1，d/a<20， εr<3.75）。 ✓ 前提： εe = εc ，因此只适用于低介电常数和薄基片。
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
• 导行波长与特性阻抗（Ka频段单鳍线）
频率相关近似公式
➢ 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 （ MTT 1983）：
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=（ λ cf / λ cr ）
λ cf和λ cr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：1/16<w/b<1/4，1/32<d/a<1/4， εr=2.22和3等）
时退化成介质片加载波导。
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
介质基片横移的情况
➢ 介质基片横移， λ g / 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
2.4鳍线
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;
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,εr,d公差的影响
➢ 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
2.4鳍线
本征模的色散特性
➢ 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
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
装架槽的影响
No Image
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。
电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
➢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。
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
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
激励，核心是HE3模式。
Vahldieck R(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
2.4鳍线
金属鳍片厚度的影响
➢ 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
2.4鳍线
➢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
底的加脊波导：
g
e (/cr)2
同尺寸空气填充加 脊波导的截止波长
有效介电常数
Zc
Zc
e (/cr)2
同尺寸空气填充加脊波 导f→∞的特性阻抗
➢ 适用条件：低介电常数的薄基片（d/a<0.1，εe 近似看作一个常数 ）
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
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
双面做电路， 但损耗较大
鳍线横截面结构示意图
损耗小，最常用
低阻 抗电 路使 用
隔离鳍线，
（a）双侧鳍线；（b）单侧鳍线；（c）对极鳍线； 偏置 （d）单侧绝缘鳍线；（e）双侧绝缘鳍线
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
➢ 当频率由低向高变化时， λ g / 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， λ g / λ和 Zc略微下降。 ➢ 相同频率下， λ g / 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， λ g / λ和 Zc随频率变化更剧烈。当w接近b
2.4鳍线
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
槽在E面位移的情况
➢ 当s从零增加到(b-w)/2时， λ g / λ先 增后减，Zc在(b-w)/2时趋于饱和 ；
➢ 对于固定的s , λ g / 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。
✓ 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RTduroid 5880。
✓ 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。
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）
鳍线导体
鳍线槽
（a）
（b）
（a）滤波器；谐振器；
（b）
矩形波导中的过度段
（b）阻抗变换器；耦合器
(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
2.4鳍线
E面鳍线滤波器模型图
E面鳍线滤波器的实物照片
电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义