微波电路与系统(08)开放型传输线
合集下载
微波技术(微波传输线)
传播常数
描述信号在传输线上传播时的 幅度和相位变化的参数。
衰减
指信号在传输过程中幅度的减 小，与传输线的长度和材料有 关。
延迟
指信号在传输过程中时间的延 迟，与传输线的长度和传播速
度有关。
03
微波传输线的性能分析
传输线损耗
导体损耗
辐射损耗
由于导体中的电子与电磁场相互作用， 导致能量转化为热能，从而产生损耗。
传输线不连续性
不连续性定义
01
不连续性是指微波传输线中因结构、尺寸、材料等因素引起的
电磁场分布不连续的现象。
不连续性类型
02
不连续性可分为短路、开路、不均匀、不匹配等类型。
不连续性的影响
03
不连续性会导致信号反射、散射和模式转换等，影响微波系统
的性能。
04
微波传输线的实际应用
卫星通信系统
卫星通信系统是利用微波传输线实现地球上不同位置之间通信的重要应用之一。
微波技术的应用领域
01
02
03
通信领域
利用微波的穿透性和反射 性，实现无线通信和卫星 通信，如移动通信、电视 广播等。
雷达领域
利用微波的反射性和高频 率特性，实现高精度、高 分辨率的雷达探测和定位。
加热领域
利用微波对水分子产生共 振的特性，实现快速、均 匀的加热，常用于食品加 工和工业加热。
02
未来发展方向与展望
未来微波传输线将朝着高频化、高速化、 小型化、集成化的方向发展，以满足不
断增长的信息传输需求。
随着新材料、新工艺的不断涌现，微波 传输线的性能将得到进一步提升，如采 用新型介质材料、电磁超材料等，实现
更低损耗、更高传输效率的目标。
描述信号在传输线上传播时的 幅度和相位变化的参数。
衰减
指信号在传输过程中幅度的减 小，与传输线的长度和材料有 关。
延迟
指信号在传输过程中时间的延 迟，与传输线的长度和传播速
度有关。
03
微波传输线的性能分析
传输线损耗
导体损耗
辐射损耗
由于导体中的电子与电磁场相互作用， 导致能量转化为热能，从而产生损耗。
传输线不连续性
不连续性定义
01
不连续性是指微波传输线中因结构、尺寸、材料等因素引起的
电磁场分布不连续的现象。
不连续性类型
02
不连续性可分为短路、开路、不均匀、不匹配等类型。
不连续性的影响
03
不连续性会导致信号反射、散射和模式转换等，影响微波系统
的性能。
04
微波传输线的实际应用
卫星通信系统
卫星通信系统是利用微波传输线实现地球上不同位置之间通信的重要应用之一。
微波技术的应用领域
01
02
03
通信领域
利用微波的穿透性和反射 性，实现无线通信和卫星 通信，如移动通信、电视 广播等。
雷达领域
利用微波的反射性和高频 率特性，实现高精度、高 分辨率的雷达探测和定位。
加热领域
利用微波对水分子产生共 振的特性，实现快速、均 匀的加热，常用于食品加 工和工业加热。
02
未来发展方向与展望
未来微波传输线将朝着高频化、高速化、 小型化、集成化的方向发展，以满足不
断增长的信息传输需求。
随着新材料、新工艺的不断涌现，微波 传输线的性能将得到进一步提升，如采 用新型介质材料、电磁超材料等，实现
更低损耗、更高传输效率的目标。
第三章 微波传输线
图
H11模
图
E11模
Z
Ez
Eψ
Er
O Ψ
Y
r
X
圆柱坐标系
1 ∂H z ∂H ϕ = jωεE r − ∂z r ∂ϕ ∂H r ∂H z − = jωεEϕ ∂z ∂r 1 ∂ 1 ∂H r (rH ϕ ) − = jωεE z r ∂r r ∂ϕ 1 ∂E z ∂Eϕ = − jωµH r − ∂z r ∂ϕ ∂E r ∂E z − = − jωµH ϕ ∂z ∂r 1 ∂ 1 ∂E r (rEϕ ) − = − jωµH z r ∂r r ∂ϕ
（2）常用低次模的截止波长： 例1：矩形波导尺寸为a=8cm，b=4cm；试求工作频率在 3GHz时该波导能传输的模式。
3、波导尺寸的选取 （1）目的：只传输H10模，抑制H20模和H01模，即只传输主 模。因为这样可以使信号能量集中，减小损耗，且避免模式 间干扰和多模式传输引起的附加色散。 （2）选取原则：
一、直角坐标系中电磁场关系 1、基本方程 对于无损耗的媒质来说，电磁场中的基本方程，即麦克思韦方程变为
r r ∂H ∇ × E = −µ ∂t r r ∂E ∇× H = ε ∂t
（1）
为了求解方便，设场量按正弦规律变换，则
r r jwt −γz E = Em e r r jwt −γz H = H me
可以得到磁场的直角分量为
∂E z + γE y = − jwµH x （书P33，3－6式） ∂y ∂E z − γE x − = − jwµH y ∂x ∂E y ∂E x + = − jwµH z ∂x ∂y
用Ez和Hz表示其它场分量，由上述两个式子可以得到：
Ex = −
微波电路与系统课程介绍
教材：《微波固态电路》 喻梦霞 电子科技大 学出版社 2008年；
参考资料：《射频/微波电路导论》 雷振亚 西安 电子科技大学出版社 2005.8
参考资料：《微波固态电路》言华 北京理工大学 出版社 1995
参考资料： 《Microwave Solid State Circuits Design》 Inder Bahl A John Wiley & Sons Inc，Publication， 2003
要讲授PIN开关、衰减器和移相器的设计方 法。本章授课学时—4学时。 实践性教学环节 实践性教学环节主要以仿真实验为主。实验 部分学时—4学时。
7
考核方式
本课程平时考核占总分20%（以作业和出勤率 综合考核）；
实验环节占总分20%（实验报告）； 期末考试占总分60%（开卷笔试）；
8
建议教材及参考资料
微波电路与系统
微波电路与系统课程介绍
电子科技大学 贾宝富 博士
1
绪论
前期课：微波技术， 电子线路 内容： 微波电路理论，应用技术，
半导体知识，通信系统概念
2
本课的相关课程与技术
相关课程：
电磁场 -- 基础课， 电场磁场分布，电波传播 微波技术--无源电路， 分布参数、传输线、微波网络、
滤波器、匹配、 阻抗变换 射频电路--有源电路， 放大、振荡、变频、滤波、收发信机
• 第一章：引言 • 简单介绍微该章内容 。本章授课学时—1学时。 • 第二章：微波集成电路基础 • 介绍微波平面集成传输线、微波单片集成电 路。理解微带电路的不连续性。掌握阻抗变 换电路、功率分配器和耦合器。本章授课学 时—5学时。
4
教学内容
5
教学内容
第五章：微波倍频器 了解微波倍频器的工作机理。本章主要讲授
参考资料：《射频/微波电路导论》 雷振亚 西安 电子科技大学出版社 2005.8
参考资料：《微波固态电路》言华 北京理工大学 出版社 1995
参考资料： 《Microwave Solid State Circuits Design》 Inder Bahl A John Wiley & Sons Inc，Publication， 2003
要讲授PIN开关、衰减器和移相器的设计方 法。本章授课学时—4学时。 实践性教学环节 实践性教学环节主要以仿真实验为主。实验 部分学时—4学时。
7
考核方式
本课程平时考核占总分20%（以作业和出勤率 综合考核）；
实验环节占总分20%（实验报告）； 期末考试占总分60%（开卷笔试）；
8
建议教材及参考资料
微波电路与系统
微波电路与系统课程介绍
电子科技大学 贾宝富 博士
1
绪论
前期课：微波技术， 电子线路 内容： 微波电路理论，应用技术，
半导体知识，通信系统概念
2
本课的相关课程与技术
相关课程：
电磁场 -- 基础课， 电场磁场分布，电波传播 微波技术--无源电路， 分布参数、传输线、微波网络、
滤波器、匹配、 阻抗变换 射频电路--有源电路， 放大、振荡、变频、滤波、收发信机
• 第一章：引言 • 简单介绍微该章内容 。本章授课学时—1学时。 • 第二章：微波集成电路基础 • 介绍微波平面集成传输线、微波单片集成电 路。理解微带电路的不连续性。掌握阻抗变 换电路、功率分配器和耦合器。本章授课学 时—5学时。
4
教学内容
5
教学内容
第五章：微波倍频器 了解微波倍频器的工作机理。本章主要讲授
微波电路
1.归一化负载阻抗
ZL zL
2.在Smith圆图中确定zL位置
3.找出反射系数
zL 0
4. 2旋 d转 获 得0 in ( d ) 0 d
5.记录归一化输入阻抗
zin d
6.转换到实际阻抗
zindZind
2.Smith圆图
［例1］已知阻抗Z50j50,，Z 0求5 导0纳Y
i
Z
1 2
0
r
半径 ±
2
1
1/2 0
缩小为点(1,0)
直线，对应纯电阻
r ￪，半径￬
圆心都在r=1直线上 都在（1，0）点与实轴相切
2.Smith圆图
映射图形表示法-Smith圆图
2.Smith圆图
Smith圆图
2.Smith圆图
普通负载的阻抗变换分析
确定电路阻抗响应，以预言RF/MW系统的性能。
过程：
半径 1 2/3
1/2
1/3
0
r
单位圆
缩小为点(1,0)
r ￪，半径￬
都与（1，0）相切
圆心都在正实轴上
电抗圆
r12i 1x2
12 x
第二式为归一化电抗的轨迹方程，
当x等于常数时，其轨迹为一簇圆弧；（||1）
圆心坐标： 1 , 1 x
半径： 1 x
x
0
0.5
1
2
圆心 (1, ±) (1, ±2) (1, ±1) (1, ±2) (1,0)
ZinZinZ 038 .5j74
2.Smith圆图
求例距3 特负性载阻0.2抗4λZ处0 输5，入0负阻载抗阻。抗
角映射原理为基础的图解方法，即Smith圆图。Smith圆图能 够在一个图中简单直观地显示传输线阻抗及反射系数。
微波电路基本概念
微波电路基本概念微波电路是研究和应用微波技术的重要组成部分，其基本概念是理解微波电路原理和设计微波设备的基础。
本文将介绍微波电路的基本概念，包括微波频率范围、传输线、匹配网络、耦合器和功率分配器等。
一、微波频率范围微波频率范围一般指的是几个GHz到几百GHz之间的频率范围。
与常规的低频电路相比，微波电路在频率、尺寸以及特性上都有所不同。
微波电路的频率高，传输的信号具有高速率和大带宽，因此其特性分析和设计方法也有所不同。
二、传输线传输线是微波电路中常见的元件，用于在微波系统中传输信号。
常见的传输线类型包括同轴电缆、矩形波导和微带线。
传输线具有导频率特性、阻抗特性和波导模式等特点，其设计需要考虑阻抗匹配、功率传输以及信号衰减等因素。
三、匹配网络匹配网络是微波电路中用于实现阻抗匹配的关键元件。
在微波系统中，信号的传输需要保证阻抗的匹配，以减少反射和信号功率损失。
常见的匹配网络包括L型匹配器、T型匹配器和π型匹配器等，通过调整元件的参数来实现阻抗匹配。
四、耦合器耦合器是微波电路中用于将信号从一个部分传输到另一个部分的元件。
常见的耦合器包括负载耦合器、耦合隔离器和功率耦合器等。
耦合器的设计需要考虑耦合效率、插入损耗和功率传输等因素，以确保信号的有效传输。
五、功率分配器功率分配器是微波电路中用于将输入功率分配给不同输出端口的元件。
常见的功率分配器包括功分器和合分器等。
功率分配器的设计需要考虑功率均匀分配、射频损耗和相位平衡等因素，以确保各个输出端口的功率和相位稳定。
六、微波器件微波器件是用于产生、放大、调制、调制微波信号的器件。
常见的微波器件包括微带滤波器、微波放大器、微波发生器和微波调制器等。
这些器件通过调整电磁场的特性和信号的特性来实现对微波信号的处理，广泛应用于通信、雷达和卫星系统等领域。
总结微波电路基本概念涵盖了微波频率范围、传输线、匹配网络、耦合器和功率分配器等关键元件。
了解这些基本概念对于理解微波电路的工作原理和设计微波设备至关重要。
微波技术第1章 传输线理论1-电报方程
电报方程
电报方程可变为独立二阶齐次线性常微分方程形式
d
2V ( Z dz 2
)
2V
(
z
)
0
d
2I( Z dz 2
)
2I(
z
)
0
式中 j ( R jL )(G jC ) ZY
Байду номын сангаас
称：复数传播系数，是频率的函数。
电报方程的行波解
V ( z ) V0 e z V0 e z
I( z
)
I
0
(z) e j Le j 2z L e jL 2z
r i L 2z
可见： 均匀无损传输线上移动参考平面时，其反射系数 的大小不变，幅角与移动的距离成正比。
负载反射系数
➢反映传输线的负载匹配程度 ➢不匹配负载是反射波的源
负载处（z=0处）的电压反射系数称负载反射系数：
0
V0 V0
相速
vP
f
电报方程解的讨论
1、一般情况：（有耗）
U ( z) U (0)e z U _ (0)ez
I ( z) U (0) e z U (0) ez
Zc
Zc
YZ j R0 jL0 G0 jC0
1 2
R02 2L20 (G02 2C02 ) 2L0C0 R0G0
lnb / 2
a
lnb / a 2
由结果可见，特性阻抗与传输线的几何形状和填充 的介质有关，不同传输线结构，Z0的数值不同。
同轴线上（+Z方向）的功率流
由坡印亭矢量有
1 2
ds 1
s
2
2 0
b a
V0
2r 2
0
微波技术长线理论
பைடு நூலகம்
当接通电源后, 电流通过分布电感逐级向分布 电容充电形成向负载方向传输的电压波和电流波， 即，电压和电流是以波的形式在传输线上传播并 将能量从电源传至负载。
思考题： 1. 什么叫传输线？微波传输线可分为哪几类？ 2. 何谓“长线”、“短线” ？举例说明。 3.什么叫分布参数电路？它与集中参数电路 在概念和处理手法上有何不同？
线”。显然，微波传输线属于“长线”的范 畴，
故本章称为 “ 长线理论 ” ， 即微波传输 线
2. 分布参数与分布参数电路
长线和短线的区别还在于： 长线为分布参数电路, 短线为集中参数电路。 低频电路中, 电路元件参数(R、L、C)基本上 都集中在相应的元件(电阻、电感器、电容器)中， 称为集中参数。 电路中还存在着元件间连线的电阻、电感和 导线间的电容等，称为分布参数。 低频电路中, 分布参数的量值与集中参数相比， 微乎其微, 可忽略不计。低频传输线为短线, 在电 路中只起连接线作用。低频电路为集中参数电路。
高频信号通过传输线时会产生以下分布参数：
导体周围高频磁场→串联分布电感； 两导体间高频电场→并联分布电容； 导线 有限，高频电流趋肤效应→分布电阻； 导体间非理想绝缘→漏电→并联分布电导。
当双导线工作在微波波段时，分布参数的影响 不容忽视。
例：设双导线的分布电感 L0=0.999nH/mm， 分布电容 C0=0.0111pF/mm ;
3. 均匀传输线的等效电路
对于均匀传输线, 由于分布参数均匀分布，故可任 取一小段线元 dz<< 来讨论，dz可作为“短线”，即集
中 参数电路来处理, 并等效为一个集中参数的型网络。而 整个传输线就可视为由许多相同线元dz的等效网络级联 而成的电路，如图2-5所示。
当接通电源后, 电流通过分布电感逐级向分布 电容充电形成向负载方向传输的电压波和电流波， 即，电压和电流是以波的形式在传输线上传播并 将能量从电源传至负载。
思考题： 1. 什么叫传输线？微波传输线可分为哪几类？ 2. 何谓“长线”、“短线” ？举例说明。 3.什么叫分布参数电路？它与集中参数电路 在概念和处理手法上有何不同？
线”。显然，微波传输线属于“长线”的范 畴，
故本章称为 “ 长线理论 ” ， 即微波传输 线
2. 分布参数与分布参数电路
长线和短线的区别还在于： 长线为分布参数电路, 短线为集中参数电路。 低频电路中, 电路元件参数(R、L、C)基本上 都集中在相应的元件(电阻、电感器、电容器)中， 称为集中参数。 电路中还存在着元件间连线的电阻、电感和 导线间的电容等，称为分布参数。 低频电路中, 分布参数的量值与集中参数相比， 微乎其微, 可忽略不计。低频传输线为短线, 在电 路中只起连接线作用。低频电路为集中参数电路。
高频信号通过传输线时会产生以下分布参数：
导体周围高频磁场→串联分布电感； 两导体间高频电场→并联分布电容； 导线 有限，高频电流趋肤效应→分布电阻； 导体间非理想绝缘→漏电→并联分布电导。
当双导线工作在微波波段时，分布参数的影响 不容忽视。
例：设双导线的分布电感 L0=0.999nH/mm， 分布电容 C0=0.0111pF/mm ;
3. 均匀传输线的等效电路
对于均匀传输线, 由于分布参数均匀分布，故可任 取一小段线元 dz<< 来讨论，dz可作为“短线”，即集
中 参数电路来处理, 并等效为一个集中参数的型网络。而 整个传输线就可视为由许多相同线元dz的等效网络级联 而成的电路，如图2-5所示。
微波传输线理论
V V0e j(tz)
I
I e j(tz) 0
v(t)V0 cos(t z) i(t) I0 cos(t z)
Zin(z)Z0
t=t1 t=t2 t=t3
t
微波传输线理论
2、驻波状态（全反射状态）
（1）终端短路 ZL 0 ， L 1。
V (z) j2V sin z
I (z) 2V cos z Z0
d
g d
a2
Z0
a
Z a
Z a
Z in
(Ya)
(Ya)
证明：
Zin
Za Za Za Za
Zin
Za Za 0
Z a j0 Z ta 2 g n (2 g( d ) )j0 Z ta n 2 g d ( ) j0 Z ta 2 g d n )(
Za
jZ0
2d
tan( )
g
Z a Z a jZ 0ta2 n g d) (jZ 0ta2 n g d) (0
微波传输线理论
（一）传输线方程的导出
l
i1 L1l
R1l
i1 i
v1
G1l
C1l v1 v
平行双导线取 一段微分单元
传输线微分单元等效电路
微波传输线理论
根据电路基础知识，我们可以导出传输线方程；
dv Zi 0 dz di Yv 0 dz
第一式对z再求导一次把第二式代, 入可得以下结果
这样我们就可以获得阻抗圆图。
V(z)V(z)V(z)Vejz(1 Lej(L2z))
I(z)I(z)I(z)Iejz(1 Lej(L2Z))
V V (1 ) max
I I (1 ) min
L2z0
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
标准要求：－55～＋125℃环境温度范围 尽可能选择z轴热膨胀系数小的基材 高湿环境应选择吸水性小的基材或采取结构工艺上的措施进 行保护
环境适应性选择
微带线加工工艺
外形设计和加工
所有加工处的内角都应设计成为圆角 微带线端距板边应保留0.2 mm的空隙 尽量不采用带铝衬板的基材 线路图形互连时,可选用图形电镀镍金的阴版工艺流程 受微波印制板制造层数、微波印制板原材料的特性、金属化 孔制造需求、最终表面涂覆方式、线路设计特点、制造线路 精度要求、制造设备及药水先进性等诸方面因素的制约
设计工具: LineCalc
小结8
开放传输线 平面传输线
习题8
P83: 3-3 P84: 3-9, 3-18
电路的设计与加工
AWR的计算结果
W=3.87mm; L= 21.83mm
ADS的计算结果
W=3.8mm; L= 21.94mm
HFSS的计算结果
W=3.8mm; L= 21.99mm
8.5 耦合带状线
8.6 耦合微带
8.7 其他平面传输线
设计工具: TXLINE
微波电路与系统（一）
第8讲 开放型传输线
电子科技大学 贾宝富 博士
第8讲内容
8.1 平行双导线
8.2 平板波导
8.3 带状线
8.4 微带
微带线常用材料
构成微带线的材料就是金属和介质 介质材料
高速传送信号的基板材料一般有陶瓷材料、玻纤布、聚四氟 乙烯、其他热固性树脂等。
Loss Tangen t tand
0.0001 0.01 0.002 0.0003 0.0001
Common Metalization Thicknesses
Type of Metalization
Conductor Thickness Tmet
Units
1/2 Oz. Copper (1 square foot of coverage weighs 1/2 Oz.)
加工工艺
在基片上沉淀金属导带 在现成介质覆铜板上光刻腐蚀成印制板电路
常用基板参数
Popular Substrate Materials
Substrate Material Alumina 99.5% Pure FR4 Fiberglass GaAs PTFE Quartz Relative Permittivity Er 9.8 4.5-4.9 12.9 2.1 3.78
0.7 (0.018)
1.4 (0.036) 2.8 (0.071)
mils (mm)
mils (mm) mils (mm)
1 Oz. Copper 2 Oz. Copper
微带线常用材料
铜箔厚度
35 μ m 18 μ m适合高精密度的微波图形
铜箔类型
压延铜箔适合高精密度的微波图形 电解铜箔
环境适应性选择
微带线加工工艺
外形设计和加工
所有加工处的内角都应设计成为圆角 微带线端距板边应保留0.2 mm的空隙 尽量不采用带铝衬板的基材 线路图形互连时,可选用图形电镀镍金的阴版工艺流程 受微波印制板制造层数、微波印制板原材料的特性、金属化 孔制造需求、最终表面涂覆方式、线路设计特点、制造线路 精度要求、制造设备及药水先进性等诸方面因素的制约
设计工具: LineCalc
小结8
开放传输线 平面传输线
习题8
P83: 3-3 P84: 3-9, 3-18
电路的设计与加工
AWR的计算结果
W=3.87mm; L= 21.83mm
ADS的计算结果
W=3.8mm; L= 21.94mm
HFSS的计算结果
W=3.8mm; L= 21.99mm
8.5 耦合带状线
8.6 耦合微带
8.7 其他平面传输线
设计工具: TXLINE
微波电路与系统（一）
第8讲 开放型传输线
电子科技大学 贾宝富 博士
第8讲内容
8.1 平行双导线
8.2 平板波导
8.3 带状线
8.4 微带
微带线常用材料
构成微带线的材料就是金属和介质 介质材料
高速传送信号的基板材料一般有陶瓷材料、玻纤布、聚四氟 乙烯、其他热固性树脂等。
Loss Tangen t tand
0.0001 0.01 0.002 0.0003 0.0001
Common Metalization Thicknesses
Type of Metalization
Conductor Thickness Tmet
Units
1/2 Oz. Copper (1 square foot of coverage weighs 1/2 Oz.)
加工工艺
在基片上沉淀金属导带 在现成介质覆铜板上光刻腐蚀成印制板电路
常用基板参数
Popular Substrate Materials
Substrate Material Alumina 99.5% Pure FR4 Fiberglass GaAs PTFE Quartz Relative Permittivity Er 9.8 4.5-4.9 12.9 2.1 3.78
0.7 (0.018)
1.4 (0.036) 2.8 (0.071)
mils (mm)
mils (mm) mils (mm)
1 Oz. Copper 2 Oz. Copper
微带线常用材料
铜箔厚度
35 μ m 18 μ m适合高精密度的微波图形
铜箔类型
压延铜箔适合高精密度的微波图形 电解铜箔