第3章 微波集成传输线

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1、第3章微波集成传输线3.1平面型传输线3.2介质波导第3章微波集成传输线对微波集成传输元件的基本要求之一就是它必须具有平面型结构,这样可以通过调整单一平面尺寸来控制其传输特性,从而实现微波电路的集成化。下图给出了各种集成微波传输系统：微带传输线共面波导槽线鳍线介质波导镜像波导H形波导G形波导归纳起来可以分为四大类：①准TEM波传输线,主要包括微带传输线和共面波导等;②非TEM波传输线,主要包括槽线、鳍线等;③开放式介质波导传输线,主要包括介质波导、镜像波导④半开放式介质波导,主要包括H形波导、G形波导等。本章首先讨论带状线、微带

2、线及耦合微带线的传输特性,然后介绍介质波导的工作原理,并对几种常用介质波导传输线进行介绍。3.1平面型传输线平面波导结构是由相对较薄的介质基板在其双面或单面金属化而得来的。利用光刻或蚀刻金属面的尺寸来得到各种无源器件、传输线和匹配电路，而有源器件也能很方便地集成到平面波导结构中。这使复杂的微波、毫米波电路实现起来更紧凑、更便宜。平面型传输线主要包括:带状线(Stripline)、微带线(Microstripline)、耦合微带线(CouplingMicrostripline)、共面波导(CoplanarWaveguider)、槽

3、线(Finline)和共面带状线(CoplanarStripline)等，本文将讨论前面四种结构。带状线是由同轴线演化而来的，即将同轴线的外导体对半分开后,再将两半外导体向左右展平，并将内导体制成扁平带线。显然，带状线仍可理解为与同轴线一样的对称双导体传输线，主要传输的是TEM波。带状线的演化过程及结构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，它可以看成由双导体传输线演化而来，即将无限薄的导体板垂直插入双导体中间，因为导体板和所有电力线垂直，所以不影响原来的场分布，再将导体圆柱变换成导体带，并在导体带

4、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图所示。微带线的演化过程及结构1.带状线带状线又称三板线，它由两块相距为b的接地板与中间宽度为w、厚度为t的矩形截面导体构成，接地板之间填充均匀介质或空气，如图所示：由于带状线由同轴线演化而来，因此与同轴线具有相似的特性，传输主模也为TEM，也存在高次TE和TM模。带状线的传输特性参量主要有：特性阻抗Z0、衰减常数α、相速vp和波导波长λg。1)特性阻抗Z0由于带状线上的传输主模为TEM模，因此可以用准静态的分析方法求得单位长分布电容C和分布电感L，从而有：式中相速(c

5、为自由空间中的光速)只要求出带状线的单位长分布电容C，则就可求得其特性阻抗。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。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：式中，we是中心导带的有效宽度，由下式给出:(2)导带厚度不为零时的特性阻抗计算公式：式中：而：式中，t为导带厚度。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。带状线特性

6、阻抗随形状参数w/b的变化曲线2)带状线的衰减常数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。由于带状线接地板通常比中心导带大得多,因此带状线的辐射损耗可忽略不计。所以带状线的衰减主要由导体损耗和介质损耗引起,即：α=αc+αd式中，α为带状线总的衰减常数；αc为导体衰减常数；αd为介质衰减常数。3）相速和波导波长由于带状线传输的主模为TEM模，故其相速为：而波导波长为：式中，λ0为自由空间波长；c为自由空间光速。4）带状线的尺寸选择带状线传输的主模是TEM模，但若尺寸选择不合理也

7、会引起高次模TE模和TM模。在TE模中最低次模是TE10模，其截止波长为：在TM模中最低次模是TM10模，其截止波长为：(3-1-9)(3-1-10)于是带状线的尺寸应满足：因此为抑制高次模，带状线的最短工作波长应满足：【例3-1】一根以聚四氟乙烯(εr=2.1)为填充介质的带状线，已知b=5mm，t=0.25mm，w=2mm，求此带状线不出现高次模式的最高工作频率。2.微带线微带线可由双导体系统演化而来，但由于在中心导带和接地板之间加入了介质，因此在介质基底存在的微带线所传输的波已非标准的TEM波，而是纵向分量Ez和Hz必然存

8、在。下面我们首先从麦克斯韦尔方程出发加以证明纵向分量的存在。微带线的演化过程及结构为微带线建立如图所示的坐标：(3-1-13)微带线及其坐标介质边界两边电磁场均满足无源麦克斯韦方程组:由于理想介质表面既无传导电流,又无自由电荷,故由连续性原理,在介质和空气的交界