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微波技术基础微波技术基础 地点：清水河校区科研楼地点：清水河校区科研楼B336 ：电邮：电邮：mzzhanuestc.edu 本课内容本课内容l1、第三章、微波集成传输线l常用集成传输线的种类和主要特点常用集成传输线的种类和主要特点l2、第四章介质波导和光波导1、传播条件和波型、传播条件和波型2、特性阻抗、特性阻抗3、波长，相速、波长，相速4、功率容量、功率容量5、衰减、衰减了解了解微波集成传输线微波集成传输线l微波集成传输线的最大特点是 平面化l五种重要的传输线：l l带状线带状线Striplinel l微带线微带线Microstrip linel l槽线槽线Slotlinel l鳍线鳍线Finlinel l共面线共面线Coplanar line注意耦合线结构注意耦合线结构共面波导共面波导CPW共面带线共面带线CPS接地共面波导接地共面波导CBCPWConducter-backed CPW指元器件、传输线导带等指元器件、传输线导带等在同一平面在同一平面按传播模分类按传播模分类均匀介质均匀介质的多导体的多导体传输线传输线均匀介质均匀介质的单导体的单导体传输线传输线非均匀介质的平面非均匀介质的平面传输线结构传输线结构带状线带状线鳍线鳍线准准准准TEMTEM模模模模一、回忆一、回忆带带状状线线 1950年，年，R.M.Barrett 创造了带状线，是创造了带状线，是一种三导体一种三导体TEM波传输线。上下两块导体板是接波传输线。上下两块导体板是接地板，中间的导体带位于上下板的对称面上，导地板，中间的导体带位于上下板的对称面上，导体带与接地板之间可以是空气介质或填充其它介体带与接地板之间可以是空气介质或填充其它介质。故又称为三板线或夹心线。质。故又称为三板线或夹心线。为减少带状线在横截面方向的能量泄露，上下为减少带状线在横截面方向的能量泄露，上下接地板的宽度接地板的宽度D和接地板间距必须满足和接地板间距必须满足D36W 和和 带状线的最高工作频率取带状线的最高工作频率取 微波集成传输线微波集成传输线带带状状线线 惠勒1978年用保角变换法得到了如下有限厚度导体带带状线特性阻抗公式 式中式中t为导体带的厚度。当为导体带的厚度。当W/b-t2的宽微带线的宽微带线W/h2的窄微带线的窄微带线 微波集成传输线微波集成传输线微微带线带线 介质影响传播速度介质影响传播速度E.Hammerstad and O.Jensen,Accurate Models for microstrip puter-aided design,IEEE MTT-S Int.Microwave Symp.Digest,1980,pp.407409.色散色散l以上关于微带线的结论都是在准TEM近似下得出的。l有效介电常数、传播速度、波导波长等与频率无关。l事实上由于微带线结构存在空气和介质的突变，在此边界上会有纵向场分量，微带线实际传播的是混合波。l色散：电磁波的传播速度随频率变化的现象。l微带线相对介电常数随频率变化电磁波能量的传播速度随频率变化脉冲信号个各个频率分量将以不同速度在微带线上传播信号失真。4.频率接近的TE1外表波截止频率时相速度出现拐点：E.Hammerstad and O.Jensen,Accurate models for microstrip puter aided design,IEEE MTT-S Int.Microwave Symp.Digest,1980,pp.407409.M.Kobayashi,A dispersion formula satisfying recent requirements in microstrip CAD,IEEE Trans.Microwave Theory Tech.MTT-36:12461250 1988.微带线的衰减微带线的衰减l导体损耗，介质损耗耗散作用导体损耗，介质损耗耗散作用主要主要l辐射损耗，寄生模式损耗辐射损耗，寄生模式损耗可忽略可忽略导体损耗导体损耗介质损耗介质损耗悬置或倒置微带线中，电磁场的大局部处于空气悬置或倒置微带线中，电磁场的大局部处于空气中，介质影响不大，其有效相对介电常数中，介质影响不大，其有效相对介电常数re接近于接近于1，从而其特性参量接近空气中的参量，线中损耗大，从而其特性参量接近空气中的参量，线中损耗大大减小，具有比微带线更高的大减小，具有比微带线更高的Q值值500-1500，接近于无色散，并且可实现的阻抗值范围大，因此接近于无色散，并且可实现的阻抗值范围大，因此特别适合应用于滤波器、谐振电路等特别适合应用于滤波器、谐振电路等Q值较高的场合。值较高的场合。悬置微带线的缺点是，与标准微带线相比，结构不悬置微带线的缺点是，与标准微带线相比，结构不紧凑。悬置或倒置微带线传输的主模是准紧凑。悬置或倒置微带线传输的主模是准TEM模模 l l微带的改型微带的改型微带的改型微带的改型悬置微带线和倒置微带线l3.4 悬置微带线和倒置微带线悬置微带线悬置微带线 倒置微带线倒置微带线 当当0.2 a/b 1，1W/b8,精度在时优于精度在时优于1%；l3.4 悬置微带线和倒置微带线3.3 耦合带状线和耦合微带线耦合带状线和耦合微带线 奇偶模方法奇偶模方法采用奇模鼓励采用奇模鼓励和偶模鼓励两种状态对它和偶模鼓励两种状态对它进行分析，其它的鼓励状进行分析，其它的鼓励状态可看作是这两种状态的态可看作是这两种状态的叠加。叠加。奇模鼓励奇模鼓励在耦合线的两个中心导体带上加的电压幅度相在耦合线的两个中心导体带上加的电压幅度相等，而相位相反等，而相位相反 中心对称面为电壁中心对称面为电壁偶模鼓励偶模鼓励在耦合线的两个中心导体带上加的电压幅度相在耦合线的两个中心导体带上加的电压幅度相等，相位相同等，相位相同 中心对称面为磁壁中心对称面为磁壁3.3 耦合带状线和耦合微带线耦合带状线和耦合微带线 先求奇偶模电容、再求奇偶模阻抗先求奇偶模电容、再求奇偶模阻抗槽线属于分区填充介质的导槽线属于分区填充介质的导波系统，非波系统，非TEM模，即模，即Ez和和Hz都不为零，属于一种波导都不为零，属于一种波导模模。便于安置固体器件。便于安置固体器件，但难以得到低于但难以得到低于60的特性的特性阻抗阻抗。三、槽线槽线无截至频率无截至频率 re=r+1/2 槽线槽线四、四、共面传输线共面传输线共面传输线分共面波导CPW、共面带线CPS等等。明显优点是与有源器件和无源元件连接十分方便。工作模式非TEM模传播 便于MMIC共面波导共面波导共面波导共面波导 3.6 共面传输线共面传输线共面带线共面带线 第一类完全椭圆第一类完全椭圆函数、余函数函数、余函数3.6 共面传输线共面传输线2.共面带线共面带线式中式中五、鳍线鳍线 双侧鳍线双侧鳍线单侧鳍线单侧鳍线双侧非对称鳍线双侧非对称鳍线对脊鳍线对脊鳍线绝缘鳍线绝缘鳍线安装在金属矩形波导E面上的平面电路，金属鳍印刷在介质基片上应用于毫米波频段。工作模式为混合模，特性参量计算较为复杂，采用谱域法等数值方法。3.7 鳍线鳍线 用到了：微带线，悬置微带线，耦合线，鳍线，共用到了：微带线，悬置微带线，耦合线，鳍线，共面线，矩形波导，以及传输线之间的转换结构。面线，矩形波导，以及传输线之间的转换结构。在上方端口处一般会接上同轴接头，还会用到同轴在上方端口处一般会接上同轴接头，还会用到同轴线。线。毫米波鳍线混频器毫米波鳍线混频器介质波导和光波导介质波导和光波导 当毫米波波段当毫米波波段亚毫米波段亚毫米波段太赫兹波段时太赫兹波段时普通的微带线将出现一系列新问题普通的微带线将出现一系列新问题1高次模的出现使微带的设计和使用复杂高次模的出现使微带的设计和使用复杂2金属波导的单模工作条件限制了其横向尺寸不能超过大金属波导的单模工作条件限制了其横向尺寸不能超过大约一个波长的范围约一个波长的范围。这在厘米波段和毫米波低频段不成问题。但到毫米波高频。这在厘米波段和毫米波低频段不成问题。但到毫米波高频段，单模波导的尺寸就显得太小，不仅制造工艺困难，而段，单模波导的尺寸就显得太小，不仅制造工艺困难，而且随着工作频率的提高，功率容量越来越小，壁上损耗越且随着工作频率的提高，功率容量越来越小，壁上损耗越来越大，衰减大到不能容忍的地步。因此，对毫米波段的来越大，衰减大到不能容忍的地步。因此，对毫米波段的高端及来说，封闭的金属波导已不再适用。于是，适合于高端及来说，封闭的金属波导已不再适用。于是，适合于毫米波高频段、亚毫米波的传输线毫米波高频段、亚毫米波的传输线 介质波导等非封介质波导等非封闭式的传输线或称开波导便应运而生闭式的传输线或称开波导便应运而生矩形介质波导矩形介质波导介质镜像波导介质镜像波导隔离介质波导隔离介质波导倒置带状介质波导倒置带状介质波导圆柱介质波导圆柱介质波导光纤光纤介质波导和光波导介质波导和光波导 圆柱介质波导圆柱介质波导 要求要求传输的电磁波为外表波，传输的电磁波为外表波，是混合模，是混合模，Hz0和和Ez0分析方法与金属园波导一样，采用圆柱坐标系、纵向场法分析方法与金属园波导一样，采用圆柱坐标系、纵向场法介质波导和光波导介质波导和光波导 在不同介质在不同介质kc中取不同值中取不同值 在介质柱内在介质柱内，区区在介质柱内在介质柱内，区区 且且沿沿r 方向为衰减场方向为衰减场介质介质区中，场沿区中，场沿r r 呈驻波分布呈驻波分布介质介质区中，区中，场沿场沿r 为指数衰减为指数衰减圆柱介质波导内：圆柱介质波导内：和和圆柱介质波导外：圆柱介质波导外：和和介质波导和光波导介质波导和光波导 通解通解第一、二类变形贝第一、二类变形贝塞尔函数塞尔函数将上述通解应用于讨论的实际情况，则有将上述通解应用于讨论的实际情况，则有1圆柱介质内部因中心轴处场应为有限值，故圆柱介质内部因中心轴处场应为有限值，故B10；2圆柱介质外部因无穷远处场应为圆柱介质外部因无穷远处场应为0，故，故A20；3圆柱介质圆周方向上，场应为单值，故圆柱介质圆周方向上，场应为单值，故m为整数。为整数。圆柱介质内部通常取圆柱介质内部通常取B30的圆极化解当然也可取的圆极化解当然也可取cosm和和sinn的线极化解的线极化解 介质波导和光波导介质波导和光波导 圆柱介质内部圆柱介质内部区区圆柱介质外部圆柱介质外部 区区由横纵场关系，可对应求出圆柱介质内、外横向场分量由横纵场关系，可对应求出圆柱介质内、外横向场分量边界条件在边界条件在ra 处处 E0z1E0z2，E01E02，H0z1H0z2，H01H02 介质波导和光波导介质波导和光波导 最后得圆柱介质最后得圆柱介质波导导模的本征波导导模的本征值方程值方程，可确，可确定各模式的横向定各模式的横向场分布场分布 四个齐次方程有解是系数行列式四个齐次方程有解是系数行列式为零，得本征方程为零，得本征方程介质波导和光波导介质波导和光波导 圆柱介质波导可能存在得四种导模及本征方程圆柱介质波导可能存在得四种导模及本征方程介质波导和光波导介质波导和光波导 介质波导和光波导介质波导和光波导 得圆柱介质波导主模得圆柱介质波导主模HE11得单模工作的频率范围为得单模工作的频率范围为主模主模HE11模，模，fc0。第一高次模为。第一高次模为TM01和和TE01模模光波导光波导 介质波导工作于光频范围时，介质波导工作于光频范围时，通常称其为光波导通常称其为光波导 光纤光纤光纤典型的工作波长是光纤典型的工作波长是0.751.6m，当波长为，当波长为1.3m和和1.55m时，光纤的衰减和色时，光纤的衰减和色散都较小。目前的光纤技术已散都较小。目前的光纤技术已能把光纤传输线的损耗降低到能把光纤传输线的损耗降低到0.15dBkm甚至更低甚至更低 光纤的特点：光纤的特点：频带宽、衰减小、重量轻、直经小、传输容量大、保密性好、频带宽、衰减小、重量轻、直经小、传输容量大、保密性好、不受电磁干扰，且价格低不受电磁干扰，且价格低20世纪最卓越的十大科技成就之一世纪最卓越的十大科技成就之一大于大于20的通讯市场。的通讯市场。l9、静夜四无邻，荒居旧业贫。4月-234月-23Tuesday,April 18,2023l10、雨中黄叶树，灯下白头人。07:05:0607:05:0607:054/18/2023 7:05:06 AMl11、以我独沈久，愧君相见频。4月-2307:05:0607:05Apr-2318-Apr-23l12、故人江海别，几度隔山川。07:05:0607:05:0607:05Tuesday,April 18,2023l13、乍见翻疑梦，相悲各问年。4月-234月-2307:05:0607:05:06April 18,2023l14、他乡生白发，旧国见青山。18 四月 20237:05:06 上午07:05:064月-23l15、比不了得就不比，得不到的就不要。四月 237:05 上午4月-2307:05April 18,2023l16、行动出成果，工作出财富。2023/4/18 7:05:0607:05:0618 April 2023l17、做前，能够环视四周；做时，你只能或者最好沿着以脚为起点的射线向前。7:05:06 上午7:05 上午07:05:064月-23l9、没有失败，只有暂时停止成功！。4月-234月-23Tuesday,April 18,2023l10、很多事情努力了未必有结果，但是不努力却什么改变也没有。07:05:0607:05:0607:054/18/2023 7:05:06 AMl11、成功就是日复一日那一点点小小努力的积累。4月-2307:05:0607:05Apr-2318-Apr-23l12、世间成事，不求其绝对圆满，留一份缺乏，可得无限完美。07:05:0607:05:0607:05Tuesday,April 18,2023l13、不知香积寺，数里入云峰。4月-234月-2307:05:0607:05:06April 18,2023l14、意志坚强的人能把世界放在手中像泥块一样任意揉捏。18 四月 20237:05:06 上午07:05:064月-23l15、楚塞三湘接，荆门九派通。四月 237:05 上午4月-2307:05April 18,2023l16、少年十五二十时，步行夺得胡马骑。2023/4/18 7:05:0607:05:0618 April 2023l17、空山新雨后，天气晚来秋。7:05:06 上午7:05 上午07:05:064月-23l9、杨柳散和风，青山澹吾虑。4月-234月-23Tuesday,April 18,2023l10、阅读一切好书如同和过去最杰出的人谈话。07:05:0607:05:0607:054/18/2023 7:05:06 AMl11、越是没有本领的就越加自命非凡。4月-2307:05:0607:05Apr-2318-Apr-23l12、越是无能的人，越喜欢挑剔别人的错儿。07:05:0607:05:0607:05Tuesday,April 18,2023l13、知人者智，自知者明。胜人者有力，自胜者强。4月-234月-2307:05:0607:05:06April 18,2023l14、意志坚强的人能把世界放在手中像泥块一样任意揉捏。18 四月 20237:05:06 上午07:05:064月-23l15、最具挑战性的挑战莫过于提升自我。四月 237:05 上午4月-2307:05April 18,2023l16、业余生活要有意义，不要越轨。2023/4/18 7:05:0607:05:0618 April 2023l17、一个人即使已登上顶峰，也仍要自强不息。7:05:06 上午7:05 上午07:05:064月-23MOMODA POWERPOINTLorem ipsum dolor sit amet,consectetur adipiscing elit.Fusce id urna blandit,eleifend nulla ac,fringilla purus.Nulla iaculis tempor felis ut cursus.感感 谢谢 您您 的的 下下 载载 观观 看看专家告诉