同轴线微带线.pptx

1共轴2同轴线的主模TEM模 3波导一般方程波导一般方程同轴线一般方程同轴线一般方程(k kc c=0)=0)其中，其中，k k2 2c c=k=k2 22 2 同轴线的主模TEM模 4同轴线的主模TEM模 利用纵向分量表示横向分量利用纵向分量表示横向分量 注意到注意到 5同轴线的主模TEM模 6同轴线的主模TEM模 7同轴线的主模TEM模 8 同轴线场分布同轴线场分布 同轴线的主模TEM模 9主模参量 同轴线内导体的轴向电流同轴线内导体的轴向电流介质填充10同同轴轴线线的的横横向向尺尺寸寸与与波波长长相相比比大大到到一一定定的的程程度度后后,同同轴轴线线中就会出现中就会出现TETE模和模和TMTM模模 1.TM modes1.TM modes 边界条件要求边界条件要求r=ar=a，b b处，处，E Ez z=0=0 同轴线高次模 (1)11同轴线高次模 代入(1)式12同轴线高次模13同轴线高次模 2.TE modes2.TE modes 14边界条件要求边界条件要求r=ar=a，b b处，处，E E0 0 同轴线高次模 超越方程15上面即同轴线上面即同轴线TETE模的特征方程模的特征方程 同轴线高次模 TE1116同轴线高次模 17n例题：估计RC-142同轴电缆（a=0.035in，b=0.116inb=0.116in，填，填充的电介质介电常数充的电介质介电常数 r=2.2）n单模工作的最高频率。1in 2.54cmn解：任何频率都可以传输TEM模，最低高次模是TE11模n实际上，通常建议给出5%的安全余量，nfmax 0.95 fcTE11 16GHz18n在设计同轴电缆需选择它的内，外导体半径a和b。同轴线尺寸的选择要考虑下面几个因素：n在工作频带内，保证工作波型TEM的单模传输；n功率容量要大；n损耗要小。n上式只给出a+b的数值要求，要确定a和b还需要知道b与a的比值。b和a的比值将影响到同轴线的功率容量和功率损耗n同轴线的功率容量受介质材料击穿电场强度的限制。先求出同轴线的极限功率Pbr和介质的击穿场强Ebr之间的关系。19n设同轴线内，外导体之间的电压幅度为Vm，则传输功率为20n当同轴线中的最大电场强度达到击穿场强时，功率P达到极限值。由同轴线的电场分布知，r=a处电场最强，因此其击穿场强为 21nb/a=1.65n当b/a=1.65时，同轴线的功率容量最大。n同轴线的衰减可按下式计算，其结果为b/a=3.59222nb/a=2.303n衰减比最佳值约大10%，功率容量比最大值约小15%。n填充介质为空气时，其特性阻抗为50n在同轴线的最大功率容量和最小衰减这一对矛盾的目标下，人为地进行折衷处理，获得特性阻抗值。n在微波波段，同轴线的特性阻抗也常取75 。n单一考虑获得同轴线的最小衰减目标时，如上所述，b/a=3.592获得同轴线的损耗最小23n从这一条件出发可知，在网络分析仪的同轴电缆如果要工作在26.5GHz频率范围以内，那么它的内、外导体外径之和必须满足n考虑到在该频率范围内，同轴线的填充介质为空气，则有 na+b3.577mmn26.5GHz的网络分析仪-3.5mmn50GHz-2.4mm 2425F11GHz-18GHz26F1GHz27F18GHz-25GHzF50GHz28Summaryn在同轴线中即可传输无色散的TEM波，也可能存在有色散的TE和TM波。n思考，why？n同轴线传播TEM波时的电报方程推导？n同轴线特性阻抗为什么取50Ohm？n26.5GHz3.5mmn50GHz2.4mm29带状线和微带线n带状线n特性阻抗n尺寸设计n微带线n微带线一般概念n特性阻抗n衰减和Qn频率限制n共面波导n槽线303132333435带状线Stripline 六六十十年年代代以以来来，在在微微波波工工程程和和微微波波技技术术上上，出出现现了了一一次次不不小小的的革革命命，即即所所谓谓MIC(Microwave MIC(Microwave Integrated Integrated Circuit)Circuit)微微波波集集成成电电路路。其其特特色色是是体体积积小小、功功能能多多、频频带带宽宽，但但承承受受功功率率小小。因因此此被被广广泛泛用用于于接接收收机机和和小小功功率元件中，并都传输率元件中，并都传输TEMTEM波。波。作为这一革命的作为这一革命的“过渡人物过渡人物”是带状线是带状线(Stripline)(Stripline)。它可以看作是同轴线的变形。它可以看作是同轴线的变形。HMICHMICMICMICMMICMMIC36同轴线同轴线同轴线同轴线扁带同轴线扁带同轴线扁带同轴线扁带同轴线带状线带状线带状线带状线 带状线的结构如图所示,它是由一条厚度为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。两接地板的距离为b。中心导带的周围媒质可以是空气,也可以是其它介质。带状线中传输的主模为TEM模。3738一、带状线的特性阻抗 带带线线传传输输TEMTEM波波，特特性性阻阻抗抗是是研研究究的的主主要要问问题题，其其求解框图如下求解框图如下:其中其中v v是传输线中的光速，一般有是传输线中的光速，一般有 是是所所填填充充的的介介质质，于于是是一一般般的的特特性性阻阻抗抗问问题题可可转转化化为求电容为求电容C C的问题的问题。39图图 2 2 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。WWb 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。WWb b愈大，愈大，C Cf f影响愈小。影响愈小。一、带状线的特性阻抗40由长线理论可知,TEM模传输线特性阻抗的计算公式为 式中L1和C1分别为带状线单位长度上的分布电感和分布电容;vp为带状线中TEM模的传播速度。一、带状线的特性阻抗41n宽导带（w/(b-t)0.35）n窄导带（w/(b-t)0.35）nt/b0.25和t/w 0.11的条件下nd为等效的中心导体直径4243 微带线微带线MicrostripMicrostrip 一、微带的基本概念 如如如如果果果果说说说说带带带带线线线线可可可可以以以以看看看看成成成成是是是是由由由由同同同同轴轴轴轴线线线线演演演演变变变变而而而而成成成成的的的的，那那那那么么么么，微带则可以看成是双导线演化而成的。微带则可以看成是双导线演化而成的。微带则可以看成是双导线演化而成的。微带则可以看成是双导线演化而成的。从双导线到微带从双导线到微带从双导线到微带从双导线到微带 44一、微带的基本概念 1.1.1.1.非机械加工非机械加工非机械加工非机械加工 2.2.2.2.微微微微带带带带均均均均有有有有介介介介质质质质填填填填充充充充，因因因因此此此此电电电电磁磁磁磁波波波波在在在在其其其其中中中中传传传传播播播播时时时时产产产产生波长缩短生波长缩短生波长缩短生波长缩短3.3.3.3.结构上微带属于不均匀结构。结构上微带属于不均匀结构。结构上微带属于不均匀结构。结构上微带属于不均匀结构。有效介电常数有效介电常数有效介电常数有效介电常数45 4.4.4.4.准准准准TEMTEM模模模模(QuasiTEM modeQuasiTEM mode)5.5.5.5.容易集成容易集成容易集成容易集成 常用的基片：常用的基片：常用的基片：常用的基片：氧化铝氧化铝氧化铝氧化铝AlAlAlAl2 2 2 2O O O O3 3 3 3陶瓷陶瓷陶瓷陶瓷 r r r r=90=90=90=9099999999 聚四氟乙烯或聚氯乙烯聚四氟乙烯或聚氯乙烯聚四氟乙烯或聚氯乙烯聚四氟乙烯或聚氯乙烯 r r r r=2.50=2.50=2.50=2.50左右左右左右左右 FR4 FR4 FR4 FR4 r=4.4r=4.4r=4.4r=4.4左右左右左右左右一、微带的基本概念 46n 工工程程上上，常常常常认认为为微微带带线线中中近近似似传传播播TEMTEM波波：“准静态分析法”。n由前面分析知道TEM模传输线的特性阻抗的计算公式为 二、微带的特性阻抗 (4)(4)(4)(4)其中，其中，其中，其中，v v v vp p p p 是微带中的相速。是微带中的相速。是微带中的相速。是微带中的相速。4748n为此,我们引入一个相对的等效介电常数为re,其值介于1和r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。这种等效微带线中波的相速度为 微带线中波的相波长为 49 微带线特性阻抗Z0和相对等效介电常数与尺寸的关系 50特别要注意从概念上理解特别要注意从概念上理解特别要注意从概念上理解特别要注意从概念上理解 WW愈大特性阻抗愈低，愈大特性阻抗愈低，愈大特性阻抗愈低，愈大特性阻抗愈低，h h愈大特性阻抗愈高。愈大特性阻抗愈高。愈大特性阻抗愈高。愈大特性阻抗愈高。微带的电容分布微带的电容分布微带的电容分布微带的电容分布二、微带的特性阻抗 51三、Gupta的闭式工作 微微微微带带带带传传传传输输输输线线线线的的的的难难难难于于于于计计计计算算算算和和和和查查查查表表表表问问问问题题题题使使使使国国国国外外外外发发发发展展展展了了了了与与与与ComputerComputer、CADCAD相相相相联联联联系系系系的的的的闭闭闭闭式式式式工工工工作作作作，也也也也就就就就是是是是把把把把场场场场论论论论复复复复杂杂杂杂的的的的结结结结果果果果用用用用简简简简要要要要的的的的Closed Closed FormForm(称称称称为为为为闭闭闭闭式式式式)表表表表示示示示，其其其其目标是计算简单，精度高。目标是计算简单，精度高。目标是计算简单，精度高。目标是计算简单，精度高。1.1.1.1.分析工作分析工作分析工作分析工作 GuptaGuptaGuptaGupta的工作分为分析和综合两大部分。的工作分为分析和综合两大部分。的工作分为分析和综合两大部分。的工作分为分析和综合两大部分。分析问题分析问题分析问题分析问题52三、Gupta的闭式工作 532.2.2.2.综合工作综合工作综合工作综合工作 分析问题分析问题分析问题分析问题三、Gupta的闭式工作 求解已知54三、Gupta的闭式工作典型数据有典型数据有典型数据有典型数据有 r r r r=9.6=9.6=9.6=9.6，W W W W/h h h h=1=1=1=1，Z Z Z Z0 0 0 0=49.69=49.69=49.69=49.69 ，e e e e=6.49=6.49=6.49=6.49。55四、微带的衰减和Q值 1.1.1.1.微微微微带带带带的的的的衰衰衰衰减减减减还还还还是是是是包包包包括括括括两两两两部部部部分分分分，在在在在小小小小衰衰衰衰减减减减情情情情况况况况下下下下认认认认为相互不交叉影响，有为相互不交叉影响，有为相互不交叉影响，有为相互不交叉影响，有a=aa=aa=aa=ad d d d+a+a+a+ac c c c其中，其中，其中，其中，a a a ad d d d介质衰减；介质衰减；介质衰减；介质衰减；a a a ac c c c导体衰减。导体衰减。导体衰减。导体衰减。562.2.2.2.微带微带微带微带Q Q值值值值 定义定义定义定义 所定义传输线端接匹配负载，即无反射波。所定义传输线端接匹配负载，即无反射波。所定义传输线端接匹配负载，即无反射波。所定义传输线端接匹配负载，即无反射波。四、微带的衰减和Q值 57因为，消耗能量因为，消耗能量因为，消耗能量因为，消耗能量=介质损耗介质损耗介质损耗介质损耗+导体损耗，于是有导体损耗，于是有导体损耗，于是有导体损耗，于是有 其中，其中，其中，其中，Q QC C导体导体导体导体Q Q值，值，值，值，Q Qd d介质介质介质介质Q Q值。值。值。值。四、微带的衰减和Q值 58n欲在同轴线中只传输TEM波型，其条件是什么？若同轴线空气填充，内导体外半径a=5cm,外导体内半径b=5.6a,求只传输TEM波型时，最短的工作波长min.n一个空气填充的同轴线，其内导体外直径d=12.7mm，外导体内直径D=31.75mm，传输TEM波，工作频率f=9.375GHz,空气的击穿场强Ebr=30kV/cm,试求同轴线传输的最大功率.n证明同轴线中极限功率最大条件是b/a=1.65,导体引起的衰减最小条件是b/a=3.592.59n通过公式或者查表计算以下题目，并且将结果与仿真通过公式或者查表计算以下题目，并且将结果与仿真软件计算结果进行比较软件计算结果进行比较n已知带状线两接地板之间的距离为b=10mm，中心导带宽度w=2mm,厚度t=0.5mm,填充介质r=2.25，求带状线的特性阻抗n已知带状线两接地板之间的距离为b=6mm，中心导带宽度w=2mm,厚度t=0.55mm,填充介质r=2.25和 r=2.55时的特性阻抗n已知带状线填充介质r=2.26，两接地板间距离b=5mm,中心导带的厚度t=0.2mm,试分别求出带状线特性阻抗为50,70,75时中心导带的宽度w60n欲在r=9的介质板上制作一个特性阻抗Zc=50的微带线，试确定w/h值n利用聚四氟乙烯覆铜板制作微带线，已知r=2.5,h=1mm,t=0.05mm,试分别求出特性阻抗为50 和75 时导带的有效宽度61