文档介绍：微带传输线
介质波导
光纤
第3章微波集成传输线
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第 3章微波集成传输线
上一章介绍了规则金属波导传输系统的传输原理及特性, 这类传输系统具有损耗小、结构牢固、功率容量高及电磁波限定在导管内等优点, 其缺点是比较笨重、高频下批量成本高、频带较窄等。随着航空、航天事业发展的需要, 对微波设备提出了体积要小、重量要轻、可靠性要高、性能要优越、一致性要好、成本要低等要求, 这就促成了微波技术与半导体器件及集成电路的结合, 产生了微波集成电路。
对微波集成传输元件的基本要求之一就是它必须具有平面型结构, 这样可以通过调整单一平面尺寸来控制其传输特性, 从而实现微波电路的集成化。图 3 - 1给出了各种集成微波传输系
图 3 – 1 各种微波集成传输线
统, 归纳起来可以分为四大类:
①准TEM波传输线, 主要包括微带传输线和共面波导等;
②非TEM波传输线, 主要包括槽线、鳍线等;
③开放式介质波导传输线, 主要包括介质波导、镜像波导④半开放式介质波导, 主要包括H形波导、G形波导等。本章首先讨论带状线、微带线及耦合微带线的传输特性, 然后介绍介质波导的工作原理, 并对几种常用介质波导传输线进行介绍, 最后对介质波导的特例——光纤波导进行分析。
微带传输线
微带传输线的基本结构有两种形式: 带状线和微带线。带状线是由同轴线演化而来的,即将同轴线的外导体对半分开后, 再将两半外导体向左右展平, 并将内导体制成扁平带线。图 3 - 2 给出了带状线的演化过程及结构, 从其电场分布结构可见其演化特性。显然, 带状线仍可理解为与同轴线一样的对称双导体传输线, 主要传输的是TEM波。
微带线是由沉积在介质基片上的金属导体带和接地板构成的一个特殊传输系统, 它可以看成由双导体传输线演化而来, 即将无限薄的导体板垂直插入双导体中间,
图 3 – 2 带状线的演化过程及结构
因为导体板和所有电力线垂直, 所以不影响原来的场分布, 再将导体圆柱变换成导体带, 并在导体带之间加入介质材料, 从而构成了微带线。微带线的演化过程及结构如图 3 - 3 所示。下面分别讨论带状线、微带线以及耦合微带线的传输特性。 1. 带状线
带状线又称三板线, 它由两块相距为b的接地板与中间宽度为w、厚度为t的矩形截面导体构成, 接地板之间填充均匀介质或空气, 如图 3 - 2(c)所示。
由前面分析可知, 由于带状线由同轴线演化而来, 因此与同轴线具有相似的特性, 这主要体现在其传输主模也为TEM, 也存在高次TE和TM模。带状线的传输特性参量主要有:
图 3 – 3 微带线的演化过程及结构
特性阻抗Z0、衰减常数α、相速vp和波导波长λg。
1) 特性阻抗Z0由于带状线上的传输主模为TEM模, 因此可以用准静态的分析方法求得单位长分布电容C和分布电感L, 从而有
Z0=
式中,相速vp= (c为自由空间中的光速)。由式(3 - 1 - 1)可知, 只要求出带状线的单位长分布电容C, 则就可求得其特性阻抗。
求解分布电容的方法很多, 但常用的是等效电容法和保角变换法。由于计算结果中包含了椭圆函数而且对有厚度的情形还需修正, 故不便于工程应用。在这里给出了一组比较实用的公式, 这组公式分为导带厚度为零和导带厚度不为零两种情况。
(1) 导带厚度为零时的特性阻抗计算公式
式中, we是中心导带的有效宽度, 由下式给出:
0 w/b>
(-W/b)2 w/b<