《微波技术与天线》第3章

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1、第三章第三章 微波集成传输线微波集成传输线规则金属波导传输系统：规则金属波导传输系统：优点优点-具有损耗小、结构牢固、功率容量高及电磁波限定在导具有损耗小、结构牢固、功率容量高及电磁波限定在导管内等；管内等；缺点缺点-比较笨重、高频下批量成本高、频带较窄等比较笨重、高频下批量成本高、频带较窄等对微波集成传输元件的基本要求之一就是它必须具有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，从而实现微波微波电路的集成化电路的集成化。随着航空、航天事业发展的需要，对微波设备提出了体积

2、小、重量轻、随着航空、航天事业发展的需要，对微波设备提出了体积小、重量轻、可靠性高、性能优越、一致性好、成本低等要求，这就促使微波技术可靠性高、性能优越、一致性好、成本低等要求，这就促使微波技术与半导体器件及集成电路的结合，产生了微波集成电路与半导体器件及集成电路的结合，产生了微波集成电路（microwave integrated circuit)。各种微波集成传输系统，归纳起来可以分为四大类各种微波集成传输系统，归纳起来可以分为四大类 微带线微带线共面波导共面波导槽线槽线鳍线鳍线介质波导介质波导镜像线镜像线H形波导形波导G形波导形波导准准TEM波传波传输线输线 非非TEM波传波传输线输线 开

3、放式介开放式介质波导质波导半开放式半开放式介质波导介质波导本章内容 3.1 微带传输线微带传输线 3.2 介质波导介质波导 3.3 光纤光纤3.1 微带传输线微带传输线 微带传输线的基本结构有二种形式：带状线和微带线，微带传输线的基本结构有二种形式：带状线和微带线，它们都属于双导体传输系统。它们都属于双导体传输系统。n本节要点n带状线带状线(strip line)n微带线微带线(microstrip line)n耦合微带线耦合微带线(coupling microstrip line)1.带状线带状线(strip line)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带状线是由同轴线演化

4、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。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。从其电场分布结构可见其演化特性。显然带状线仍可理解为与同从其电场分布结构可见其演化特性。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，传输的主模是轴线一样的对称双导体传输线，传输的主模是TEM模。也存在高模。也存在高次次TE和和TM模。模。传输特性参量主要有：传输特性参量主要有：特性阻抗、衰减常数、相速和波导波长。特性阻抗、衰减常数、相速和波导波长。带状线的演化过程及结构带状线的演化过程及结构带状线又称三板线，它带状线又称三板线，它由两块相距为由

5、两块相距为b的接地板的接地板与中间的宽度为与中间的宽度为W、厚厚度为度为t的矩形截面导体构的矩形截面导体构成，接地板之间填充均成，接地板之间填充均匀介质或空气匀介质或空气 (1)特性阻抗特性阻抗(characteristic impedance) 由于带状线上传输主模为由于带状线上传输主模为TEM模，因此可以用准静态的模，因此可以用准静态的分析方法求得单位长分布电容分析方法求得单位长分布电容C和分布电感和分布电感L，从而有：从而有：0p1/ZL CC其中，其中，vp为为相速。相速。只要求出带状线的单位长分布电容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。则就可求得其特性阻抗。求解分

6、布电容的方法求解分布电容的方法很多，但常用的有很多，但常用的有等效电容法和保角变换等效电容法和保角变换法。法。CfCfCpCpWCfCf 带线电容带线电容带线电容分成板间电容带线电容分成板间电容C Cp p和边缘电容和边缘电容C Cf f。 W Wb b愈大，愈大，C C愈大，特性阻抗愈大，特性阻抗Z Z0 0愈小。愈小。 W Wb b愈大，愈大，C Cf f影响愈小。影响愈小。由于计算结果中包含了椭圆积分函数而且对有厚度的情形还需修由于计算结果中包含了椭圆积分函数而且对有厚度的情形还需修正，不便于工程应用正，不便于工程应用(a)导带厚度为零时的特性阻抗计算公式导带厚度为零时的特性阻抗计算公式

7、)(441. 030er0bwbZ式中，式中，we是中心导带的有效宽度，由下式给出：是中心导带的有效宽度，由下式给出： 35. 0/35. 0/)/35. 0(02ebwbwbwbwbw比较实用的公式，分为导带厚度为零比较实用的公式，分为导带厚度为零(和导带厚度不为零和导带厚度不为零(H. A. 两种情况。两种情况。精确度约为精确度约为1.5%27. 61818141ln302r0mmmZ式中， tbwtbwmnxbwxxxxxtbw1 . 1/0796. 02ln5 . 01)1 (2xxn13212btx 精确度优于精确度优于0.5%（b）导带厚度不为零时的特性阻抗计算公式导带厚度不为零时

8、的特性阻抗计算公式带状线特性阻抗与带状线特性阻抗与w/b及及t/b的关系曲线的关系曲线可见：带状线特性阻抗随着可见：带状线特性阻抗随着w/b的增大而减小，而且的增大而减小，而且也随着也随着t/b的增大而减小。的增大而减小。w/bw/b 带状线的损耗包括由中心导带和接地板导体引起的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导体损耗、两接地板间填充的两接地板间填充的介质损耗介质损耗及及辐射损耗辐射损耗。由于带状线接地板通常。由于带状线接地板通常比中心导带大得多，辐射损耗可忽略不计比中心导带大得多，辐射损耗可忽略不计dc介质衰减介质衰减常数由以下公式给出： )dB/m(tan3 .2721

9、00rdGZ 其中，其中，G G为带状线单位长漏电导，为带状线单位长漏电导，tantan 为介质材料的损耗角正切。为介质材料的损耗角正切。(2) 衰减常数衰减常数1tandQ1tandcQQQ,tan导体衰减可由导体衰减可由增量电感法增量电感法求解求解, ,通常由以下公式给出（单位通常由以下公式给出（单位Np/m）：）： 12016. 0120)(30107 . 20r00r03cZBbZRZAtbZRsrStwwttwbBttbtbtbtbwA4ln21414. 05 . 07 . 05 . 012ln121其中，其中，Rs为导体的表面电阻，而为导体的表面电阻，而由于带状线传输的主模为由于带

10、状线传输的主模为TEM模，故其相速和波导波长分别为：模，故其相速和波导波长分别为： rcv/pr0/g（4）带状线的尺寸选择）带状线的尺寸选择 带状线传输的主模是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模，但若尺寸选择不合理也会引起高次模TE模和模和TM模。模。在在TE模中最低次模是模模中最低次模是模TE10,在在TM模中最低次模是模中最低次模是模模TM10 ，为抑制高次模，带状线的最短工作波长应满足：为抑制高次模，带状线的最短工作波长应满足： rTMcmin0rcTEmin0221010bw于是于是带状线的尺寸应满足带状线的尺寸应满足 rrbw2,2min0min0（3）

11、相速和波导波长）相速和波导波长223max22204602 101(1)2Pttb PZbb(5)带状线功率容量带状线功率容量2. 微带线微带线(microstrip line) 微带线微带线在中心导带和接地板之间加入了介质，可以证明在中心导带和接地板之间加入了介质，可以证明在两种不在两种不同介质的传输系统中不可能存在单纯的同介质的传输系统中不可能存在单纯的TEMTEM波，而只能存在波，而只能存在TETE模和模和TMTM模的混合模，模的混合模，因此纵向分量因此纵向分量Ez和和Hz必然存在。必然存在。但是当频率不很高但是当频率不很高时，微带线基片厚度时，微带线基片厚度h远小于微带波长，此时远小于