微波技术基础MicrowaveChap03微带传输线.pptx

3-2 微带线微带线 微带线结构：微带线结构：由由介质基片介质基片一边的一边的导体带导体带和基片另一边的和基片另一边的接地板接地板所构成所构成 导体带导体带（宽为（宽为w w，厚为，厚为t t）和）和接接地板地板常由金、银、铜等良导体常由金、银、铜等良导体构成，构成，介质基片介质基片（厚为（厚为h h）常用金红石、常用金红石、9999AlAl2 2O O3 3瓷、石英或蓝宝石等低损瓷、石英或蓝宝石等低损耗介质耗介质3-2 微带线微带线 一、微带线中的模式：一、微带线中的模式：3-2 微带线微带线 u 若导体带和接地板之间没有填充介质基片（即填充空气）或者整若导体带和接地板之间没有填充介质基片（即填充空气）或者整个微带线被一种均匀的介质全部包围，则个微带线被一种均匀的介质全部包围，则TEMTEM模模为主模为主模u 实际的微带线只是在导体带与接地板之间填充有实际的微带线只是在导体带与接地板之间填充有 r r11的介质基片的介质基片,而而其余部分为空气，在微带线的横截面上存在着介质与空气的交界面。其余部分为空气，在微带线的横截面上存在着介质与空气的交界面。此时任何模式的场除应满足介质与理想导体的边界条件外，还应满足此时任何模式的场除应满足介质与理想导体的边界条件外，还应满足两种不同介质的边界条件，即电场强度和磁场强度的切向分量连续性两种不同介质的边界条件，即电场强度和磁场强度的切向分量连续性条件，条件，纯的纯的TEMTEM波无法满足波无法满足，必然存在纵向分量。，必然存在纵向分量。因此，微带线中传输的模式是因此，微带线中传输的模式是由由TETE模和模和TMTM模组合而成的具有色散特性模组合而成的具有色散特性的混合模式的混合模式“准准TEMTEM波波”采用如图所示的坐标系采用如图所示的坐标系(x,y,z)(x,y,z)3-2 微带线微带线一、微带线中的模式：一、微带线中的模式：（1 1 代表介质基片区域代表介质基片区域 ，2 2 代表空气区域）代表空气区域）E E和和H H的切向分量应连续，即：的切向分量应连续，即：D D和和B B的法向分量应连续，即：的法向分量应连续，即：根据两种理想介质边界条件可知根据两种理想介质边界条件可知 介质边界两边电磁场均满足介质边界两边电磁场均满足无源无源MaxwellMaxwell方程组方程组E Ex1x1E Ex2x23-2 微带线微带线一、微带线中的模式：一、微带线中的模式：设介质两侧的相移常数均设介质两侧的相移常数均为为，沿，沿z z方向传播的相移方向传播的相移传播因子为传播因子为e ej j z z,则：则：同理，由同理，由因为因为H Hy1y1 0 0，所以当所以当 r r 1 1，等式右端不为，等式右端不为0 0故故磁场的纵向分量不为磁场的纵向分量不为0 0可见，当可见，当E Ey2y2 0 0且且 r r 1 1时，时，电场的纵向分量也不为电场的纵向分量也不为0 0。但是但是当频率不很高时当频率不很高时，由于微带线基片厚度，由于微带线基片厚度h h远小于微带波长，远小于微带波长，此时纵向分量很小，色散效应也较小，其场结构近似于此时纵向分量很小，色散效应也较小，其场结构近似于TEMTEM模，模，因此一般称之为因此一般称之为准准TEMTEM模模，（但不同于纯，（但不同于纯TEMTEM波，具有波，具有色散特性色散特性）由于存在纵向分量由于存在纵向分量E Ez z和和H Hz z，因此微带线中不存在纯，因此微带线中不存在纯TEMTEM波波 由由3-2 微带线微带线一、微带线中的模式：一、微带线中的模式：二、微带线的特性阻抗二、微带线的特性阻抗3-2 微带线微带线 微带线周围全部用相对介电常数为r的介质填充时，传输的是纯TEM波，如不记损耗，则 相速度：，特性阻抗：当微带线中不存在介质基片（即空气填充）时，传输的也是纯TEM波，相速度 实际的微带线是含有介质和空气的混合介质系统，其相速必然介于上述两者之间，为此引入等效相对介电常数re，令，特性阻抗为：设：C0为填充空气时对应微带线的分布电容C1为实际的混合介质微带线的分布电容 则有re的物理意义：实际有介质基片的微带分布电容C1与去掉介质基片后的无介质微带分布电容C0之比特性阻抗为：关键：求出静态场情况下的分布电容关键：求出静态场情况下的分布电容C C0 0与与C C1 1则微带线的相速为：3-2 微带线微带线 二、微带线的特性阻抗二、微带线的特性阻抗（1）导体带厚度为0时：其中q称为填充系数由此可求得Zc，但相当繁琐。工程中，常利用Zc0、q与w/h的关系曲线或查表格来求Zc，或由给定的Zc和r来确定w/h若给定若给定w/hw/h和和 r r，求，求Z Zc c 首先，在纵坐标上找到w/h对应的位置，做平行于横轴的直线 与Zc0的曲线和h的曲线分别相交，对应横坐标读数分别为Zc0和h3-2 微带线微带线 二、微带线的特性阻抗二、微带线的特性阻抗若给定若给定Z Zc c和和 r r，求，求w/hw/h 过横坐标上Zc0点作垂线，与Zc0曲线相交点对应的纵坐标即为w/h 初始，令rer 过此w/h作平行于横坐标轴的直线，与q曲线相交，可求得q值 利用r和q值，可求得 可求得新的 重复上述过程，直至相邻两次计算的re值相对误差小于1%再由re确定w/h即可3-2 微带线微带线 二、微带线的特性阻抗二、微带线的特性阻抗（2）导体带厚度不为0时：将t 0的时导体带的实际宽度w，用相当于t0时的等效宽度We来代替，就可以利用前述t0时的公式计算 其中 w也可利用如图曲线求出3-2 微带线微带线 二、微带线的特性阻抗二、微带线的特性阻抗三、相速度和波导波长三、相速度和波导波长V0为自由空间中的光速re为相对介电常数0为自由空间中的波长3-2 微带线微带线四、微带线的损耗四、微带线的损耗微带线中的损耗包括导体损耗、介质损耗和辐射损耗三部分；若尺寸选择合适，频率不是很高，则辐射损耗很小，可忽略不计3-2 微带线微带线五、微带线的色散特性五、微带线的色散特性 微带线中实际是由微带线中实际是由TETE模和模和TMTM模组合的混合模式模组合的混合模式 当频率不很高时当频率不很高时，可以将准，可以将准TEMTEM波当作纯波当作纯TEMTEM波处理波处理 随着频率的增高，纵向分量增大，必须考虑微带线的色散特性随着频率的增高，纵向分量增大，必须考虑微带线的色散特性 即，即，Z Zc c、v vp p、g g和和 rere等均随频率而变等均随频率而变当当22 rere1010，0.9 0.9 w/h w/h 13 13 且且 0.5mm 0.5mm h h 3mm 3mm 时时其中，Zc和re是不考虑色散时求得的特性阻抗和等效相对介电常数 We为t0时的等效宽度，f为工作频率，f0为某一固定频率当f 4 w/h 4 时时3-2 微带线微带线六、微带传输线尺寸选择六、微带传输线尺寸选择微带线工作于准微带线工作于准TEMTEM模，当频率升高、微带线的尺寸与波长可比拟时，微模，当频率升高、微带线的尺寸与波长可比拟时，微带线中还会带线中还会出现两种高次模：出现两种高次模：波导模与表面波模波导模与表面波模 。高次模的出现会使微带的工作状态恶化，必须设法抑制高次模的出现会使微带的工作状态恶化，必须设法抑制 波导模波导模是存在于导体带与接地板之间的一种模式，包括是存在于导体带与接地板之间的一种模式，包括TETE和和TMTM两种模式两种模式TETE模中的最低次模为模中的最低次模为TETE1010模模，截止波长为：，截止波长为：TMTM模中的最低次模为模中的最低次模为TETE1010模模，截止波长为：，截止波长为：3-2 微带线微带线六、微带传输线尺寸选择六、微带传输线尺寸选择 表面波表面波 是一种其大部分能量集中在微带线接地板表面附近的介质中、并是一种其大部分能量集中在微带线接地板表面附近的介质中、并沿接地板表面传播的一种电磁波。表面波也有沿接地板表面传播的一种电磁波。表面波也有TETE和和TMTM两种模式两种模式表面波中最低次的表面波中最低次的TETE模为模为TETE0 0模模，截止波长为：，截止波长为：表面波中最低次的表面波中最低次的TMTM模为模为TMTM0 0模模，截止波长为：，截止波长为：无法通过选择尺寸来抑制无法通过选择尺寸来抑制TMTM型表面波型表面波 对两种模式均假定其场量在对两种模式均假定其场量在x x方向是均匀不变的，只在方向是均匀不变的，只在y y方向有变化方向有变化 模的下标只有一个数字，如模的下标只有一个数字，如TETEn n，TMTMn n 下标下标n n表示场量沿表示场量沿y y方向的驻波分布方向的驻波分布n n1 1个半驻波个半驻波v 为抑制高次模，微带的尺寸应满足为抑制高次模，微带的尺寸应满足抑制波导型TE10模抑制波导型TM01模抑制TE型表面波3-2 微带线微带线六、微带传输线尺寸选择六、微带传输线尺寸选择v 在微带线设计中，为了避免准在微带线设计中，为了避免准TEMTEM模与表面波模之间的强耦合，模与表面波模之间的强耦合，工作频率应选择低于工作频率应选择低于f fTETE和和f fTMTM的范围，即的范围，即ffffTMTM；发生强耦合时的频率为发生强耦合时的频率为：v 实际应用中，当表面波的相速度与准TEM模的相速度相同时，两类模将发生强耦合，从而使微带线不能正常工作v 要提高工作频率，应尽可能减小介质基片的厚度、选用较低要提高工作频率，应尽可能减小介质基片的厚度、选用较低 的介质材料的介质材料 使用的基片厚度一般在使用的基片厚度一般在0.0080.0080.08mm0.08mm之间之间,一般都采用金属屏蔽盒，使不受外界干扰。一般都采用金属屏蔽盒，使不受外界干扰。屏蔽盒的高度取屏蔽盒的高度取H H（5 56 6）h h，接地板宽度取，接地板宽度取a a(5(56)W6)W。