传输线和集总参数元件

10
－
3
10
6
10 7
10 8
10 9 10 10
10 11
10 12
f / Hz
图1-6 电阻的阻抗绝对值与频率的关系
电阻及其寄生电容和电感在高频上随频率变化，是所有 电阻器的一个共同问题
传输线和集总参数元件
电容
在低频率下,电容器的电容量定义为
CdA0r
A d
在射频/微波频率下,实际的介质内部存在传导电 流,也就存在相应的损耗, 介质中的带电粒子还有一 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,也会引起能量的损耗。
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电阻
基本功能是将电能转换成热产生电压降。
电子电路中,一个或多个电阻可构成降压或分压 电路用于器件的直流偏置,也可用作直流或射频电 路的负载电阻完成某些特定功能。通常有：
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。
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）。
传输线和集总参数元件
在交流状态下,有“集肤效应”；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 a R dc 2 L a R dc 2
（1-3a） （1-3b）
一般在δ＜＜a条件下成立
传输线和集总参数元件 δ=(πfμσ) -1/2 （1-4）
定义为“集肤深度”。 集肤深度与频率之间满足平方反比关系,随着 频率的升高,集肤深度按平方率减小。 电流密度为
传输线和集总参数元件
所以
Z 1百度文库
Ge jC
（1-8）
Ge
d A
d
（1-9）
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Rg和介质损耗电阻Re。
传输线和集总参数元件
平面式电容器由金属-绝缘体-金属结构组成，氮化 硅、氧化硅和聚酰亚胺是其经常使用的绝缘体。
传输线和集总参数元件
图1-8 电容阻抗的绝对值与频率的关系
注：也可用一段很短的开路传输线来模拟电容器
传输线和集总参数元件
电感 常用的电感器一般是线圈结构,在高频率也称为高频
扼流圈，其结构一般是用直导线沿柱状结构缠绕而成。
Cd
Rd Rd
图1-9 在电感线圈中的分布电容和串联电阻 注：一段很短的短路传输线也可用来模拟电感器
传输线和集总参数元件
所希望使用的薄膜电阻特性是： 稳定性好的电阻值，不随时间变化； 低的电阻温度系数（TCR）； 足够的散热能力； 寄生参量足够小； 最大长度小于0.1λ，使得传输线效应可以忽略。
传输线和集总参数元件
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,
R L
WH
(1-6a)
10 5 实 际电 感
10 4
理 想电 感
铜电感线圈的高频特 性：在谐振点之前阻抗升
10 3
高很快,而在谐振点之后,
由于寄生电容Cs的影响已
10 2
经逐步处于优势地位而逐
10 1 10 8
10 9
10 10
f /Hz
10 11 渐减小。
图1-11 电感阻抗的绝对值与频率的关系
传输线和集总参数元件
射频/微波集成电路电感器可分为： （1）带状电感器 （2）单圈环形电感器 （3）多匝螺旋电感器
传输线和集总参数元件
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
L r20N2
l
（1-10）
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，电感的等效电路如图1-10 所示。
L
Rs
Cs
图1-10 高频电感的等效电路
传输线和集总参数元件
| Z | /
交指型电容器
C (pF)rw 1l[(N3)A 1A 2]
C
L
Rg
Re
图1-7 射频电容的等效电路
传输线和集总参数元件
交指型电容器 交指型电容器的最大电容值受限于物理尺寸，其最 大可工作的频率受限于指间的分布特性。 交指型电容器特别适合于用做调谐、耦合和匹配元 件，这些场合要求电容量小、量值精确的电容器。
定义薄片电阻
Rh
1
H
,则
R
Rh
L W
(1-6b)
传输线和集总参数元件
H
L
W
图1-3 物质的体电阻
Ca
L
R
L
Cb
图1- 4 电阻的等效电路
C1
L2
R
L1
L2
C2
图 1-5 线绕电阻的等效电路
传输线和集总参数元件
| Z | /
10 3
10 2
理想电阻
10 1
电感效应
10 0
电容效应
10 － 1
10 － 2
Jz2paI
J0(pr) J1(pa)
（1-5）
p2=-jωμσ。
传输线和集总参数元件
图 1-1 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
传输线和集总参数元件
金属导线本身有一定的电感量,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、形状和工作频率有关。
金属导线还可以看作一个电极,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 电路的工作性能也有较大的影响。
传输线和集总参数元件
知识回顾
传输线基本理论
i(z＋ z,t)
z
Rz L z
Zg
~ Eg
＋
Z1 u(z＋z,t)
C z G z
－
i(z,t)
＋ u(z,t)
－
zl
z＋ z
z
0
(a)
z (b)
(d ) (c)
传输线和集总参数元件
( R jL )G ( jC ) j (1-13)
Z 0U I U I G jCG R jj C L
传输线和集总参数元件
集总参数元件的射频特性
集中参数元件尺寸小、价格低，可实现宽带，这些 优点特适合HMIC和MMIC，目前应用可达60GHz以上。
在微波频段，集中参数元件可看作一段很小的TEM 传输线来设计，设计时需要考虑综合一些数学模型，建 立模型时需考虑接地面的存在、邻近效应、边缘场、寄 生参数等。
交指型电容器和平面式电容器（金属-绝缘体-金属 （MIM）电容器）两者都能用于射频集成电路中。
平面式电容器在实现大容量值的隔直流模块和去耦电 路时需特别注意功率容量 。
传输线和集总参数元件
102
101
实 际电 容
| Z | /
100
10－ 1
10－
2
108
理 想电 容
109
1010
1011
f /Hz
当R=G=0时,传输线没有损耗,无耗传输线的传输常 数γ及特性阻抗Z0分别为
j j LC
L Z0 C
传输线和集总参数元件
α定义为传输线的衰减常数:
L 2C (R LG C)1 2(R0Y G0Z ) 定义为相移常数：