Chp3s123 - 第3章 微波传输线 本章内容:...

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Unformatted text preview: 第3章 微波传输线 本章内容: 本章内容 本章内容: • 引言 • 带状线 • 微带传输线 • 耦合带状线和耦合微带传输线 • 金属波导传输线的一般理论 • 矩形波导 • 圆波导 3.1 3.1 引 言 微波传输线的发展 一. 微波传输线的发展 微波传输线是用来传输微波信号和微波能量的传输线。 微波传输线是用来传输微波信号和微波能量的传输线。 1. 低频—封闭的导线 低频— 低频 2. 在微波的低频段,可以 在微波的低频段, 在微波的低频段 用平行双线来传输微波 能量和信号。 能量和信号。 3. 随着频率的进一步提高,开放空间受干扰,影响太大。 3. 随着频率的进一步提高,开放空间受干扰,影响太大。 起来,使能量在内部传输。 又开始用枝节再一次封闭起来,使能量在内部传输。这 是由开放→封闭的第二过程,它是对第一次的否定。 是由开放→封闭的第二过程,它是对第一次的否定。但 是这一次所封闭的不是导线内部,而是空间内部。 是这一次所封闭的不是导线内部,而是空间内部。 λ λ a 从双导线到矩形波导 4. 随着频率的进一步升高,光纤又变成开放结构。 4. 随着频率的进一步升高,光纤又变成开放结构。 高端—开放空间 S S S 低频—封闭的导线 微波低端—开放空间 高端—封闭空间 微波传输线的分类: 微波传输线的分类 二. 微波传输线的分类: 微波传输线按传输电磁波的性质, 微 波传输线按传输电磁波的性质 微波传输线按传输 电磁波的性质,可分为以下三种波型 (或模): 1. TEM模传输线(包括准TEM模传输线): 横电磁波(TEM波): E z = 0, Hz = 0 平行双线、同轴线、带状线及微带线等双导线传输线。 平行双线、同轴线、带状线及微带线等双导线传输线。 2. TE模和TM模传输线: 模传输线: Hz = 0, E z ≠ 0 横磁波 横磁波(TM波),又称电波(E波): 横电波(TE波),又称磁波(H波): E z = 0, Hz ≠ 0 矩形波导、圆波导、椭圆波导、 矩形波导、圆波导、椭圆波导、脊波导等金属波导传输线 • • 横电磁波只存在于多导体系统中; 横电磁波只存在于多导体系统中; 而横磁波和横电波一般存在于单导体系统中, 而横磁波和横电波一般存在于单导体系统中,它们是色 散波。 散波。 3. 表面波传输线: 表面波传输线: 表面波传输线 传输模式一般为混合模,介质波导, 传输模式一般为混合模,介质波导,介质镜像线 3.2 3.2 带状线 Stripline 一、带状线的结构 带状线的结构是由一条厚度为 带状线的结构是由一条厚度为t,宽度为W的矩形截面的 中心导带和上、下两块接地板构成。 中心导带和上、下两块接地板构成。两接地板的距离为b。 中心导带的周围媒质可以是空气或其它介质。 中心导带的周围媒质可以是空气或其它介质。 带状线中传输的主模为TEM模 带状线(Stripline)它可以看作是同轴线的变形。 带状线(Stripline)它可以看作是同轴线的变形。 同轴线 同轴线 扁带同轴线 带状线 带状线研究的主要问题: 带状线研究的主要问题: 特性阻抗 衰减 功率容量 尺寸设计 二、特性阻抗 由长线理论可知, 模传输线特性阻抗的计算公式: 由长线理论可知,TEM模传输线特性阻抗的计算公式: L1 1 Z0 = = C1 v pC1 L1:带状线单位长度上的分布电感 C1:带状线单位长度上的分布电容 带状线单位长度上的分布电容 vp:带状线中TEM模的传播速度。 模的传播速度。 C'f C'f W Cp Cp C'f C'f (一) 中心导带厚度为零时的特性阻抗 中心导带厚度为零时的特性阻抗 导带的厚度 导带的厚度 t → 0 ,利用保角变换法可求得特性 阻抗的精确表达式为: 阻抗的精确表达式为: 30π K ( k ′) Z0 = ε r K(k ) (二) 中心导带厚度不为零时的特性阻抗 中心导带厚度不为零时的特性阻抗 (1) 宽导带情况 ( w (b − t ) ≥ 0.35 ) 宽导带情况 Z0 = 1 = v pC 94.15 Cf wb εr + 1 − t b 0.0885ε r (2) 窄导带情况 ( w (b − t ) < 0.35 ) 窄导带情况 Z0 = 60 4b ln ε r πd 带状线的特性阻抗与尺寸 带状线的特性阻抗与尺寸w/b 和t/b的关系曲线 纵坐标为空气带状线的特性阻抗Z 实际带状线的特性阻抗Z 纵坐标为空气带状线的特性阻抗Z01,实际带状线的特性阻抗Z0 带状线尺寸的设计考虑 三. 带状线尺寸的设计考虑 ( λC ) TE = 2W ε r ( λC ) TM = 2b ε r 10 01 带状线中除传输主模 模外, 带状线中除传输主模TEM模外,还可能传输其它模 带状线的尺寸满足关系式 的尺寸满足关系式: 式。带状线的尺寸满足关系式: λ min λ min ω< ,b < 2 εr 2 εr 为最短工作波长。 带状线中保证只传输主模TEM模。λmin为最短工作波长。 为了减少横向辐射, 必须满足: 为了减少横向辐射,接地板宽度D和接地板间距b必须满足: D > (3 ~ 6)ω , b << λ 2 3.3 3.3 微带传输线 Microstrip 一、微带线的结构和特点 1. 结构 结构 微带线是由介质基片的一边为中心导带, 微带线是由介质基片的一边为中心导带 微带线是由介质基片的一边为中心导带,另一边为接 地板所构成, 地板所构成,其基片厚度为h,中心导带的宽度为w。 微带 则可以看成是双导线演化而成的。 微带线则可以看成是双导线演化而成的。 w h er t 2. 特点 特点 (1)集成结构:它采用金属薄膜工艺,而不是象带线要做 (1) 它采用金属薄膜工艺, 机加工,是非机械加工, 机加工,是非机械加工, 基片 设计照相 打孔 蒸发 光刻 腐蚀 电镀 (2)微结构:微带均有介质填充,低耗高介质材料。。 微带均有介质填充,低耗高介质材料。。 不均匀结构 上下结构不对称。 (3). 不均匀结构:上下结构不对称。 (4)等效思想:有效介电常数(它是全空间填充的)。 有效介电常数(它是全空间填充的) w h t εr εe w t 有效介电常数 εe 二、微带线中的主模 • 对于空气介质的微带线,它是双导线系统,且周围 对于空气介质的微带线,它是双导线系统, 是均匀的空气, 是均匀的空气,因此它可以存在无色散的TEM模。 • 在两种不同介质的传输系统中,不可能存在单纯的 在两种不同介质的传输系统中, TEM模,而只能存在TE模和TM模的混合模。 模的混合模。 • 在微波波段的低频端由于场的色散现象很弱,传输 在微波波段的低频端由于场的色散现象很弱, 模式类似于TEM模,故称为准TEM模 (Quasi— TEM mode) 。 常用的基片有两种: 常用的基片有两种: 氧化铝Al 陶瓷: 氧化铝Al2O3陶瓷: 聚四氟乙烯或聚氯乙烯: 聚四氟乙烯或聚氯乙烯: 9.0~ εr= 9.0~9.9 εr= 2.50左右。 2.50左右。 左右 微带线的特性阻抗 三. 微带线的特性阻抗 在微波波段,微带线工作在弱色散区, 在微波波段 在微波波段,微带线工作在弱色散区,因此把微带线的工作 模来分析 分析, 模式当作TEM模来分析,这种方法称为“准静态分析法”。 (quasi-static approach) 由前面分析: 模传输线的特性阻抗的计算公式: 由前面分析:TEM模传输线的特性阻抗的计算公式: 1 Z0 = v pC1 微带线的相速度; vp:微带线的相速度;C1:单位长度分布电容 对于空气微带线, 对于空气微带线,微带线中传输TEM模的相速度vp = v0(光速), 则其特性阻抗: 假设它的单位长度上电容为C01,则其特性阻抗: 1 Z 01 = v0C01 等效微带线 等效微带线 引入一个相对的等效介电常数为ε 引入一个相对的等效介电数为 引入一个相对的等效介电常数为εre,其值介于1和εr之间, 用它来均匀填充微带线 ,构成等效微带线 , 并保持它的尺寸 和特性阻抗与原来的实际微带线相同 所示。 和特性阻抗与原来的实际微带线相同,如图(d)所示。 等效微带线中波的相速度为 v p = v0 / ε re λ0 λp = ε re C1 = C01ε re Z0 = Z 01 微带线中波的相波长为: 微带线中波的相波长为: 微带线中单位长度的电容: 微带线中单位长度的电容: 微带线的特性阻抗: 微带线的特性阻抗: ε re 微带线的电容分布 w h Cf Cp t Cf er C1 = Cp + 2C f W愈大特性阻抗愈低,h愈大特性阻抗愈高。 愈大特性阻抗愈低, 愈大特性阻抗愈高。 应用保角变换方法确定空气微带线的电容 应用保角变换方法确定空气微带线的电容C01和实际微带线 两者比值的倒数为相对等效介电常数, 的电容C1,两者比值的倒数为相对等效介电常数,即 C1 ε re = = 1 + q(ε r − 1) C01 q:填充因子,表示介质填充的程度。 填充因子,表示介质填充的程度。 表示无介质填充; 当 q=0,εre=1,表示无介质填充; 表示全部介质填充。 当 q=1,则εre=εr,表示全部介质填充。 q值主要决定w/h值,而与εr关系不大,q计算公式为: 而与ε 关系不大, 计算公式为: 1 10h q = [1 + (1 + )] 2 ω − 1 2 空气微带线特性阻抗 空气微带线特性阻抗Z01 及填充因子q和微带线的 的关系曲线。 形状比w/h的关系曲线。 实际微带线的特性阻抗 可以应用逼近法直接查 图求得, 图求得,也可以查实际 微带线特性阻抗Z0和εr、 w/h的关系曲线或表格, 的关系曲线或表格, 这些曲线和表格在微波 工程手册中均可查得。 工程手册中均可查得。 微带线特性阻抗Z0和相对等效介电常数与尺寸的关系 60 h W ln8 + 025 . Z0 = h εe W −1 2 ε = εr +1 + εr −1 1+12 h + 0041− W . e h 2 2 W 120π εr Z0 = W W . + 1393 + 0.667 ln + 1.444 h h −1/ 2 εr + 1 εr − 1 h + ε e = 1 + 12 2 2 W W / h≤ 窄带 1 W / h > 1宽带 微带线特性阻抗 微带线特性阻抗Z0和相对等效介电常数与尺寸的关系 微带线的色散特性和尺寸设计考虑 三. 微带线的色散特性和尺寸设计考虑 (一) 微带线的色散特性 微带线的色散特性 微带线中的电磁波的速度是频率的函数, 微带线中的电磁波的速度是频率的函数,它使得微带线的 随频率变化。频率愈高, 特性阻抗Z0和εre随频率变化。频率愈高,则相速度愈 等效介电常数愈大,特性阻抗愈低。 小,等效介电常数愈大,特性阻抗愈低。 但当频率f低于某一个临界值f0时,微带线的色散可以 不予考虑, 的近似值为: 不予考虑,其临界频率f0的近似值为: 0.95 f0 = 1/ 4 ( ε r − 1) z0 (G H z ) h 75 f 0< h ε − 1 ( 对于宽微带 ) r f < 106 ( 对于窄微带 ) 0 h εr −1 其中,h——mm,f——GHz, 其中, [例1]如果要提高f0,则要减少h和εr。 =9.0, 要达到12 GHz, 要小于何值? 设εr=9.0,若f要达到12 GHz,则h要小于何值? h< 106 f0 εr − 1 = 3123 mm . 要消除高次模, mm。 要消除高次模,X-band,微带不要超过 3 mm。 (二) 微带线中的高次模式 微带线中的高次模式 高次模主要有两种: 高次模主要有两种 高次模主要有两种:波导模式和表面波模式 波导模式:存在于导带与接地板之间, 波导模式:存在于导带与接地板之间, 最低模式为TE10和TM10。 (λc )TE10 = 2W ε r (λc )TE10 = 2 ε r (W + 0.4h) (λc )TM10 = 2h ε r 修正值 表面波模式:在接地板上有介质基片才存在。 表面波模式:在接地上有介质基片才存在。 (λc )TE1 = 2h ε r − 1 (三) 微带尺寸设计考虑 微带尺寸设计考虑 为抑制高次模。 为抑制高次模 应选择为: 为抑制高次模。微带线的横向尺寸w和h应选择为: λmin W + 0.4h < 2 εr λmin h< 2 εr 金属屏蔽盒高度取H>(5~6)h;接地板宽度取a>(5~6)W 习题: 习题 习题: 3-2,3-3,3-4 ...
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This note was uploaded on 04/11/2010 for the course EECS 530 taught by Professor Sarabandi during the Fall '08 term at University of Michigan.

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