微波技術基礎詹銘周電子科技大學電子工程學院地點：清水河校區科研樓C305

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電郵：mzzhan@本課內容1、第三章、微波集成傳輸線常用集成傳輸線的種類和主要特點2、第四章介質波導和光波導1、傳播條件和波型2、特性阻抗3、波長，相速4、功率容量5、衰減了解微波集成傳輸線

微波集成傳輸線的最大特點是平面化五種重要的傳輸線：帶狀線（Stripline）微帶線（Microstripline）槽線（Slotline）鰭線（Finline）共面線（Coplanarline）注意耦合線結構共面波導（CPW）共面帶線（CPS）接地共面波導（CBCPW）Conducter-backedCPW指元器件、傳輸線導帶等在同一平面按傳播模分類均勻介質的多導體傳輸線均勻介質的單導體傳輸線非均勻介質的平面傳輸線結構帶狀線鰭線準TEM模一、回顧帶狀線

1950年，R.M.Barrett發明了帶狀線，是一種三導體TEM波傳輸線。上下兩塊導體板是接地板，中間的導體帶位于上下板的對稱面上，導體帶與接地板之間可以是空氣介質或填充其它介質。故又稱為三板線或夾心線。帶狀線—優缺點和應用1、改變線寬一個參數就改變電路參數（特性阻抗）。2、在饋線、功分器，耦合器，濾波器，混頻器，開關的設計中，體積小，重量輕，大批量生產的重復性好。3、立體電路的設計，適用于多層微波電路，LTCC等，輻射小。4、封閉的電路，調試難。5、電路需要同軸或波導饋入，引入不連續性，需要在設計時補償。6、在多層電路設計中，存在不同節點常數的介質之間的連接，介質與金屬導體的連接，分析方法非常復雜，尤其對3D電路，尚缺少各種不連續性的模型和相關設計公式，采用全波分析法或者準靜態場分析。3.2微帶線D.D.GriegandH.F.Englemann,“Microstrip—ANewTransmissionTechniquefortheKilomegacycleRange,”Proc.IRE,Vol.40,pp.1644–1650,Dec.1952.

微帶線的特性參量，如相位常數，特性阻抗等可由橫向截面的參數全部確定，方便與有源器件連接，是目前HMIC和MMIC中使用最廣泛的平面傳輸線。

二、微帶線

微帶線1.直流到高頻均可傳輸2.方便與器件連接，（串并聯）3.方便器件和電路的在線測試(開放式平面傳輸結構)4.傳輸線的波導波長小，電路尺寸小5.結構穩定，電路可靠性高，能夠承受高電壓和中等功率水平微波集成傳輸線－微帶線

微帶線可以看作由雙線傳輸線演變而來。在兩根導線之間插入極薄的理想導體平板，它并不影響原來的場分布，而后去掉板下的一根導線，并將留下的一根“壓扁”，即構成了微帶線。微帶線中的主模是準TEM模

準TEM模（電磁場的縱向分量很小）具有色散持性，這與純TEM模不同，而且隨著工作頻率的升高，這兩種模之間的差別也愈大。微波集成傳輸線－微帶線

傳輸媒質為空氣和介質的非均勻媒質，微帶線的電磁場存在縱向分量，不能傳播純TEM波。但是，主模的縱向場分量遠小于橫向場分量。因此，主模具有純TEM相似的特性；純TEM的分析方法也對微帶線適用。———準TEM近似法1970,Vendelin指出微帶線中除了準TEM模外，還可能存在其它兩種高次模式：波導模（橫向諧振模）和表面波模

波導模是指在金屬導帶與接地板之間構成有限寬度的平板波導中存在的TE、TM模（寬導體情況下）。最低橫向諧振模為TE模，與準TEM模發生強耦合。平板波導的最低TE模和TM模是TE10模、TM01模，邊緣修正微波集成傳輸線－微帶線

表面波模：具有金屬接地板的介質中傳播，存在于導帶的兩側。表面波中最低的TE和TM模分別是TE1模和TM0模。它們的截止波長分別為：TE1模激勵頻率低，但是相速高，與TEM發生強耦合的最低模的首先是TM0模。波導橫向諧振模易消除。表面波限制了微帶線的工作頻率上限。微波集成傳輸線－微帶線

工作頻率上限最后，抑制波導模和表面波，保證單模傳輸為微帶線設計中，金屬屏蔽盒高度取H≥（5~6）h，接地板寬度取L≥（5~6）W

微波集成傳輸線－微帶線

有效相對介電常數→準TEM波引入的H.A.Wheeler,Transmission-linepropertiesofparallelwidestripsbyaconformalmappingapproximation,IEEETrans.MicrowaveTheoryTech.12:280–289(May1964).H.A.Wheeler,Transmission-linepropertiesofparallelstripsseparatedbyadielectricsheet,IEEETrans.MicrowaveTheoryTech.13:172–185(March1965).或者微波集成傳輸線－微帶線

3.2-14特性阻抗W/h>2的寬微帶線W/h<2的窄微帶線微波集成傳輸線－微帶線

介質影響傳播速度E.HammerstadandO.Jensen,AccurateModelsformicrostripcomputer-aideddesign,IEEEMTT-SInt.MicrowaveSymp.Digest,1980,pp.407–409.

色散以上關于微帶線的結論都是在準TEM近似下得出的。——有效介電常數、傳播速度、波導波長等與頻率無關。事實上由于微帶線結構存在空氣和介質的突變，在此邊界上會有縱向場分量，微帶線實際傳播的是混合波。色散：電磁波的傳播速度隨頻率變化的現象。微帶線——相對介電常數隨頻率變化——電磁波能量的傳播速度隨頻率變化——脈沖信號個各個頻率分量將以不同速度在微帶線上傳播——信號失真。4.

頻率接近的TE1表面波截止頻率時相速度出現拐點：E.HammerstadandO.Jensen,Accuratemodelsformicrostripcomputeraideddesign,IEEEMTT-SInt.MicrowaveSymp.Digest,1980,pp.407–409.M.Kobayashi,AdispersionformulasatisfyingrecentrequirementsinmicrostripCAD,IEEETrans.MicrowaveTheoryTech.MTT-36:1246–1250(1988).微帶線的衰減導體損耗，介質損耗（耗散作用）——主要輻射損耗，寄生模式損耗——可忽略導體損耗介質損耗

懸置或倒置微帶線中，電磁場的大部分處于空氣中，介質影響不大，其有效相對介電常數εre接近于1，從而其特性參量接近空氣中的參量，線中損耗大大減小，具有比微帶線更高的Q值(500-1500)，接近于無色散，并且可實現的阻抗值范圍大，因此特別適合應用于濾波器、諧振電路等Q值較高的場合。懸置微帶線的缺點是，與標準微帶線相比，結構不緊湊。懸置或倒置微帶線傳輸的主模是準TEM模微帶的改型——懸置微帶線和倒置微帶線3.4

懸置微帶線和倒置微帶線懸置微帶線倒置微帶線當0.2<a/b<1，1<W/b<8,,精度在時優于1%；3.4

懸置微帶線和倒置微帶線3.3

耦合帶狀線和耦合微帶線

奇偶模方法→采用奇模激勵和偶模激勵兩種狀態對它進行分析，其它的激勵狀態可看作是這兩種狀態的疊加。

奇模激勵→在耦合線的兩個中心導體帶上加的電壓幅度相等，而相位相反→中心對稱面為電壁 偶模激勵→在耦合線的兩個中心導體帶上加的電壓幅度相等，相位相同→中心對稱面為磁壁3.3

耦合帶狀線和耦合微帶線

先求奇偶模電容、再求奇偶模阻抗槽線屬于分區填充介質的導波系統，非TEM模，即Ez和Hz都不為零，屬于一種波導模。便于安置固體器件，但難以得到低于60Ω的特性阻抗。三、槽線無截至頻率ε

re=(εr+1)/2槽線四、共面傳輸線

共面傳輸線分共面波導（CPW）、共面帶線（CPS）等等。明顯優點是與有源器件和無源元件連接十分方便。工作模式非TEM模傳播→便于MMIC共面波導共面波導3.6共面傳輸線共面帶線第一類完全橢圓函數、余函數3.6共面傳輸線2.共面帶線式中五、鰭線

雙側鰭線單側鰭線雙側非對稱鰭線對脊鰭線絕緣鰭線

安裝在金屬矩形波導E面上的平面電路，金屬鰭印刷在介質基片上→應用于毫米波頻段。 工作模式為混合模，特性參量計算較為復雜，采用譜域法等數值方法。3.7

鰭線

集成傳輸線總結微波集成傳輸線－分析方法

分析方法有兩類：解析方法和數值解法———目標，傳輸線的特性阻抗和傳播常數。1、解析方法——準靜態法把主模當成純TEM分析，通過計算結構的靜電容得出結果。包括：保角變換、變分法、有限差分和積分方程。準靜態法在低頻情況下完全能滿足工程設計的需求。

2、數值方法——全波分析法考慮所有混合模式。積分方程方法，譜域法，以及時域有限差分法（FDTD）等，有限元法等。

全波分析方法更嚴格，可精確計算出與頻率相關的參數。介質波導和光波導當毫米波波段→亞毫米波段→太赫茲波段時普通的微帶線將出現一系列新問題1）高次模的出現使微帶的設計和使用復雜2）金屬波導的單模工作條件限制了其橫向尺寸不能超過大約一個波長的范圍。這在厘米波段和毫米波低頻段不成問題。但到毫米波高頻段，單模波導的尺寸就顯得太小，不僅制造工藝困難，而且隨著工作頻率的提高，功率容量越來越小，壁上損耗越來越大，衰減大到不能容忍的地步。因此，對毫米波段的高端及來說，封閉的金屬波導已不再適用。于是，適合于毫米波高頻段、亞毫米波的傳輸線——介質波導等非封閉式的傳輸線（或稱開波導）便應運而生矩形介質波導介質鏡像波導隔離介質波導倒置帶狀介質波導圓柱介質波導光纖介質波導和光波導圓柱介質波導要求傳輸的電磁波為表面波，是混合模，Hz≠0和Ez≠0分析方法與金屬園波導一樣，采用圓柱坐標系、縱向場法介質波導和光波導在不同介質kc中取不同值在介質柱內，Ⅰ區在介質柱內，Ⅱ區且（沿r方向為衰減場）介質Ⅰ區中，場沿r呈駐波分布介質Ⅱ區中，場沿r為指數衰減圓柱介質波導內： 和圓柱介質波導外： 和介質波導和光波導通解第一、二類變形貝塞爾函數將上述通解應用于討論的實際情況，則有（1）圓柱介質內部因中心軸處場應為有限值，故B1＝0；（2）圓柱介質外部因無窮遠處場應為0，故A2＝0；（3）圓柱介質圓周方向上，場應為單值，故m為整數。圓柱介質內部通常取B3＝0的圓極化解（當然也可取cosmφ和sinnφ的線極化解）介質波導和光波導圓柱介質內部（Ⅰ區）圓柱介質外部（Ⅱ區）由橫－縱場關系，可對應求出圓柱介質內、外橫向場分量邊界條件在r＝a處

E0z1＝E0z2，E0φ1＝E0φ2，H0z1＝H0z2，H0φ1＝H0φ2介質波導和光波導最后得圓柱介質波導導模的本征值方程，可確定各模式的橫向場分布四個齊次方程有解是系數行列式為零，得本征方程介質波導和光波導圓柱介質波導可能存在得四種導模及本征方程介質波導和光波導介質波導和光波導得圓柱介質