平行双线 矩形波导
传输线
同轴线 圆波导
微带线
集成传输线
集成化对传输线的要求
便于集成无源和有源器件 低成本设计和生产
微波毫米波电路的发展
波导电路→混合集成→ 单片集成→ 三维集成
毫米波传输线
毫米波传输线分类
平面传输线
微带、悬置微带、倒置微带 共面波导、共面带线、槽线
准平面传输线
鳍线（准TE10）
毫米波理论与技术 第三章 微带传输线
导波
按传播环境，电磁波可分为
自由空间波 导波
由传输媒介引导，在其边界附近或边界之间传播 的电磁波
导波结构（传输媒介）
导波结构的基本功能
引导或限制电磁波的传播 构成电路的基本元件
经典的传输媒介
平行双导线（不能用于毫米波） 同轴线（可用至毫米波低频端） 波导（可用于毫米波）
泛函分析（Functional Analysis）的特点是它不但把 古典分析的基本概念和方法一般化了，而且还把这些 概念和方法几何化了。例如，不同的函数可以看作是 “函数空间”的点或矢量，这样最后得到了“抽象空间” 这个一般的概念。它既包含了以前讨论过的几何对 象，也包括了不同的函数空间。
准静态分析步骤小结
悬置微带
εr1=1;h2=h,εr2=εr;h3=0;h4=∞,εr4=1; L=∞
倒置微带
εr1=1;h2=0;h3=h, εr3=εr;h4=0; L=∞
屏蔽微带
h1=0;h2=h,εr2=εr;h3=0;h4=h',εr4=1
§3.2 类微带结构的准静态分析
类微带线的传输模
在工作频率较低时为准TEM模，可采用准静态分析 在工作频率较高时为TE+TM混合模
将准TEM模按TEM模考虑，将特性阻抗的求解 转化为静电容的求解
建立Green函数并分离变量，由边界条件先得 出Gnx(x) 用横向传输线法求Gny(y) 对电容的变分表示式求泛函极值，得到导体条 带上的电荷分布，从而得出电容值
对称耦合微带结构的准静态分析
对奇偶模分别考虑
准静态法的限制
准静态法将准TEM模按TEM模考虑，忽略了色 散模，即TE和TM模，要求w,h<<λ，因此只 在较低频率时适用
公差的影响
毫米波电路尺寸小，制造公差问题比较突出
低介电常数的薄 基片允许的公差 相对大一些
频率上限
最高工作频率受限于
寄生模的激励 过高的损耗 严格的制造公差 加工安装损坏 严重的不连续效应 辐射引起的Q值降低 制造工艺的限制
寄生模决定的频率上限
频率上限的主要障碍是微带中准TEM模与最低
的最低次表面波寄生模之间的耦合，二者不出
介质损耗αd
基片介质材料的损耗角正切tanδ↑→αd↑
辐射损耗αr
h<<λ时，αr很小，可近似忽略
总损耗随基片厚度的变化情况
f↑,εr↑,h↓→αT↑
f↑,εr↑,h↓→αT↑
功率容量
功率容量
平均功率容量
主要受限于导体损耗和介质损耗引起的热效应
峰值功率容量
主要受限于基片介质击穿效应
波导和同轴线可用于高功率，微带一般只能用 于中小功率电路
波导
矩形波导 圆波导
介质波导
矩形介质波导 介质镜像波导
H波导、槽波导
§3.1 微带结构的一般形式
微带印制电路板
1 基本微带结构
开放微带
悬置微带 倒置微带 屏蔽微带
2 变形微带结构
3 类微带结构
分区域填充不同介质
类微带结构
开放微带
h1=0;h2=h,εr2=εr;h3=0;h4=∞ ,εr4=1; L=∞
品质因数随基片厚度的变化情况
对一个给定频率，存在一个 使Q值最大的最佳基片厚度hopt
f↑,εr↓→hopt↓
与波导、同轴线相比，微带的 Q值通常要低一至二个数量级
§3.5 有关微带电路设计 的其它问题
不连续性问题
准静态分析 全波分析
基片的选择
毫米波混合集成常选用较薄的低介电常数基片，如 RT-Duroid 5880 单片集成常选用高介电常数基片以便集成有源器 件，如GaAs或Si
准TEM模
纵向场分量较横向场分量小得多，且随着频率f降低 而减小，当f→0时纵向场分量趋近于0，即趋近于 TEM模
准静态分析
准静态的含义
在工作频率较低时，准TEM模可近似看作TEM模来 分析，故称为准静态分析
特性阻抗和有效相对介电常数
Zc = c
1= CC a
Zca ε re
ε re
=
C Ca
=

⎛ ⎜⎜⎝
近似公式
通过与全波分析的结果比较，确定近似公式的适用 范围
导体条带厚度的影响
边缘电容 We|t>0>W|t→0 → εre|t>0>εre|t→0 → Zc|t>0<Zc|t → 0
屏蔽外壳的影响
屏蔽外壳的作用
实现电磁屏蔽 增加机械强度 便于密封 安装接头
屏蔽外壳影响可忽略的条件
W,h<<L时，边壁的影响可忽略 h'/h>5时，顶盖的影响可忽略
在毫米波频段，类微带线传输的是TE+TM混 合模，色散影响较为显著，采用准静态法的误 差很大，但可以在准静态分析结果的基础上作 修正
特性阻抗和有效相对介电常数 随w/h的变化情况
εr↑,w↑,h↓→εre↑,Zc↓
特性阻抗和有效相对介电常数 随频率的变化情况
f↑→εre↑,Zc↑
§3.3 类微带线的特性阻抗 和有效介电常数
色散的影响
色散的程度
vp =
c εre ( f )
微带的色散效应可忽略的频率上限
fd ≈ 0.3
h
Zc εr −1
式中fd以GHz计，h以cm计
εr↓,h↓→fd↑
频率对有效介电常数和特性阻抗的影响
在准静态分析结果基础上作修正
§3.4 微带线的损耗、 功率容量和品质因数
损耗
导体损耗αc
表面电阻系数Rs↑→αc↑ 趋肤深度δ↓→αc↑ 表面不平度Δ↑→αc↑
现强耦合的最高工作频率为[Vendelin]
fT
≈ 150 πh
ε
r
2 −
1
arctan(ε
r
)
式中fT以GHz计，h以mm计
εr↑,h↓→fT↑
在y=y0（导体条带处）应看作有一电流源
电容的变分表示式
类微带线的电容
C=
∫[ f (x)dx]2 s1
∫ ∫s1
G(
s1
x,
y;
x0
,
y0
)
f
(
x)
f
( x0
)dxdx0
f(x)为导体条带s1上的电荷分布
泛函的概念
实变函数是以实数为自变量的函数 复变函数是以复数为自变量的函数 泛函是以函数为自变量的函数
品质因数
Q值是描述谐振系统的频率选择性和能量损耗 程度的物理量
Q

2π
w wL
=
2π
w PLT
= ω0
w PL
w为谐振时的储能，wL为一个周期内的损耗能量，
PL为一个周期内的平均损耗功率
Q = β = 2π / λg 2αT 2(αc + αd + αr )
1= 1 + 1 = 1 + 1 + 1 Q Q0 Qr Qc Qd Qr
λ0 λg
⎞2 ⎟⎟⎠
物理意义
Green函数
对于置于(x0,y0)处的单位电荷，Green函数满 足Poisson方程
∇2G(x,
y;
x0
,
y0
)
=
−
1 ε
δ
(x
−
x0
)δ
(
y
−
y0
)
横向传输线法
图 3.4 的 类 微 带 线 是 在 y 方 向 上 的 分 层 介 质 结 构，可视为沿y方向分段均匀的传输线，利用 传输线理论来简化分析