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微带传输线概述解析

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  微带传输线概述解析_物理_自然科学_专业资料。微带传输线 级电子信息工程专升本班射频电路课程设计 《射频电路》课程设计 题目: 微带传输线概述 系部 学科门类 专业 学号 姓名 电子信息工程学院 工学 电子信息工程 1108211042 杨越 2012 年 06 月 30 日 1 2011 级电子信息工程专升本班射频电路课程设计 微带传输线概述 摘要 本课程设计主要介绍了微带传输线在实际应用中比较基础且较重要的几个知识点,并 没有详细的对微带线的各个参数及特性作细致的说明。例如微带线的近似静态解法、微带 线的谱域分析等在本设计中都未曾提及,这与此课程设计的制作人本身的理解能力有着千 丝万缕的关系。在后续的微带线设计中,此处所提到准 TEM 特性、微带线的特性阻抗以及 有效介电常数等参数,对于整个微带线系统的确立与实现都有着很重要的关系。例如在设 计微带线低通滤波器的时候,当通过低通滤波器原型的电路多次变换计算得到最终的电路 时,这时就需要面对将电路图实现微带线的问题,而此时需要的就是特性阻抗的知识。首 先,根据特性阻抗值与相对介电常数确定 w/h 的范围(假设 t=0),再由范围选择 w/h 的具 体计算公式,从而求得微带线的宽度。由有效介电常数求出相速度,再求出波导波长,由 此可算出微带传输线的长度,等等。 关键词:微带线 准 TEM 特性 特性阻抗 有效介电常数 相速度 波导波长 2 2011 级电子信息工程专升本班射频电路课程设计 前言 微带线是(Microstrip Line)是 20 世纪 50 年代发展起来的一种微波传输线,是目前混 合微波集成电路(hybird microwave integrated circuit,缩写为 HMIC)和单片微波集成电路 (monolithic microwave integrated circuit,缩写为 MMIC)使用最多的一种平面传输线。其 优点是体积小、重量轻、频带宽、可集成化;缺点是损耗大,Q 值低,功率容量低。由于 微波系统正向小型化和固态化方向发展,因此微带线得到了广泛的应用。 一 微带线的结构 微带线是在金属化厚度为 h 的介质基片的一面制作宽度为 W、厚度为 t 的导体带,另 一面作接地金属平板而构成的,如图 1-1 所示。其中, ? r 为介质基片的相对介电常数。最 图 1-1 微带线 常用的介质基片材料是纯度为 99.5%的氧化铝陶瓷( ? r =9.5-10)、聚四氟乙烯环氧树脂如, 如图 1-2 所示。 图 1-2 聚四氟乙烯环氧树脂 ( ? r =2.55);用作单片微波集成电路的半导体基片材料主要是砷化镓( ? r =13.0),如图 1-3 所示。 3 2011 级电子信息工程专升本班射频电路课程设计 图 1-3 砷化镓 带线可以看成是由平行双线演变而来,其演变过程如图 1-4 所示,在平行双线的对 称面上放置一导电板,由于电力线垂直于导电平板,故不影响原来的场分布。若去掉导电 板下面的一根导线,则导电板上面的场分布并不改变,然后,再将圆柱导体变为薄导带就 成为无介质的空气微带。最后,在导带与接地板之间置入介质基片,即构成了微带。 图 1-4 微带线 级电子信息工程专升本班射频电路课程设计 二 微带线的传输模式 由上图可知,导体上面(y>h)为空气,导体带下面( y ? h )为介质基片,所以大部 分场在介质基片内,且集中在导体带与接地板之间;但也有一部分场分布在基片上面的空 气区域内,因此微带线不可能存在纯 TEM 模。这是容易理解的,因为 TEM 模在介质内的 速度为 c ?r ,而在空气中的相速度为 c,显然相速度在介质-空气分界面处不可能对 TEM 模匹配。 事实上,微带线中真正的场是一种混合的 TE-TM 波场,其纵向场分量是由介质-空气 分界面处的边缘场引起的,它们与导体带和接地板之间的横向场分量相比很小,所以微带 线中传输模特性与 TEM 模相差很小,称之为准 TEM 模。由于微带线的传输模不是纯 TEM 模,致使微带线特性的分析比较困难和复杂。其分析方法也就很多,可归纳为准静态法、 色散模型法和全波分析法三种。以下仅以准静态方法进行分析。 准静态方法便是将其模式看成纯 TEM 模,引入有效介电常数为 ? e 的均匀介质代替微 带线 所示。在准静态法中,传输线特性参数是根据如下两个电容值 计算的: 图 2-1 填充均匀介质 ? e 微带线 一个是介质基片换成空气微带线a ;另一个是微带线 和相位常数 β 可以用这两个电容表示为 ? ? k0 ?e , k0 ? ? ?0?0 1 Z 0 ? v pC1 ? c 1 ? Z?0 ? e .? eC1? ?e 5 (2-1) (2-2) 2011 级电子信息工程专升本班射频电路课程设计 式中 Z a 0 =1/c C1a 是空气微带线的特性阻抗。相速度 v p 和波导波长λ g 则为 vp ? c ?e (2-3) ?g ? ?0 ?e (2-4) 6 2011 级电子信息工程专升本班射频电路课程设计 三 特性阻抗 我们假定已成形的线路导体的厚度 t 与基片的厚度 h 相比可以忽略不计(t/h<0.005)。 在这种情况下,我们能够利用只与线路尺寸(w 和 h)和介电常数 ? r 有关的经验公式。它 们可以分为两个应用区域,该区域的划分依比值 w/h 大于还是小于 1 而定。 Z0 ? 60 ln?? 8h ? 0.25W ?? ?e ?W h? W h?1 ?e ? ?r ?1? 2 ? r ?1 ???? 2 ? 12h ???1 2 2 ??? W ? ? 0.041??1 ? W ?h ?? 2 ? ? ? ?? Z0 ? 120?

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