2.1微波集成传输线

（2.11）
微带线
微带线的最高工作频率受到许多因素的限制， 如寄生模的激励、较高的损耗、严格的制造公 差、处理过程中的脆性、显著的不连续效应、 不连续处的辐射引起低的值。当然，还有工艺 加工问题。当工作频率很高时，不仅色散严重 ，而且将出现非TEM波的其他电磁场模，统称 为高次模。高次模的出现将破坏电路正常工作 。
= 120πΩ
W为微带线宽度，h为介质基片厚度，t是微带线金属导体厚度。
微带线
W ′ W 1.25 t ⎛ 4πW ⎞ = + ⎜1 + ln ⎟ h h π h⎝ t ⎠
W ′ W 1.25 t ⎛ 2h ⎞ = + ⎜1 + ln ⎟ h h π h⎝ t ⎠
W 1 ≤ ） （ h 2π
W 1 ≥ （ h 2π ）
鳍 线
鳍线是便于制作毫米波混合集成电路的准平面结构。 从本质上讲，鳍线是在矩形金属波导E面嵌入槽线所组成 的一种复合结构，也可以把它看成是一种由介质片支撑具 有薄脊的加脊波导，或把它看成是一种带有金属鳍的介质 平板加载波导。把鳍线作为一种准平面结构来考虑，这是 由于它的整个电路图形，包括有源器件在内都并入在一块 介质平板上，而其电路设计又要考虑到金属波导盒的影响 所致。因此，在此结构中传播的显然不是准TEM模，而是 一种由TE和TM模式组成的混合模。在毫米波频段，它的 电路尺寸都可以与梁式引线器件和半导体芯片器件相容， 因而对有源和无源电路的集成提供了可能条件。实际使用 的鳍线有4种结构，分别是单面鳍线、双面鳍线、对脊线 和隔离鳍线。
4
悬置式微带线和倒置式微带线
倒置式微带线的有效介电常数可由下式求得 式中
ε e = 1 + ⎜ a1 − b1 ln ⎟ b⎝ h⎠
a⎛ W⎞
(
2
εr −1
)
（2.20）
a⎞ ⎛ a1 = ⎜ 0.5173 − 0.1515ln ⎟ b⎠ ⎝
a⎞ ⎛ b1 = ⎜ 0.3092 − 0.1047 ln ⎟ b⎠ ⎝
§2.1 微波集成传输线
微带线 悬置式微带线 倒置式微带线 带 线 槽 线 共面波导 鳍 线
MIC常用的微波传输线
微带金属膜 电力线 空气 介质基片 金属底片
（a）标准微带 （b）倒置微带 （c）悬置微带
（d）带线
（e）槽线
MIC常用的微波传输线
（f）共面波导
（g）鳍线
微带线
微带线是微波集成电路中最流行的平面传输线 可理解为由同轴线演变而成 主要传播准TEM模
（2.6）
式中
⎡ ⎛ 30.666 ⎞0.7528 ⎤ f ( u ) = 6 + ( 2π − 6 ) exp ⎢ − ⎜ ⎥ ⎟ ⎢ ⎝ u ⎠ ⎥ ⎣ ⎦
（2.7）
悬置式微带线和倒置式微带线
u 对于悬置式微带线， = W ( a + b )，其中 a = h 为介质基 片厚度，b为介质基片与接地面间的距离；而对于 倒置式微带线，则 u = W b 。 悬置式微带线的有效介电常数可由下式求出
⎡ a⎛ W ε e = ⎢1 + ⎜ a1 − b1 ln b ⎢ b⎝ ⎣ ⎞⎤ ⎞⎛ 1 − 1⎟ ⎥ ⎟⎜ ⎜ ε ⎟⎥ ⎠⎝ r ⎠⎦
4
−1
式中
a⎞ ⎛ a1 = ⎜ 0.8621 − 0.1251ln ⎟ b⎠ ⎝
a⎞ ⎛ b1 = ⎜ 0.4986 − 0.1397 ln ⎟ b⎠ ⎝
对微带线金属膜材料的基本要求是：
电导率高、稳定不氧化、刻蚀性好、容易焊 接、容易淀积或电镀，对基板附着力强。 对于MIC来说，最常用的金属材料只是铜与金。 典型的导体组合有：铬-金、钛-金、钽-金。对于 MMIC砷化镓基片，常用铬-金、钛-铂-金、钛-钯金。
微带电路的设计与制作
加工概要 电路设计和工艺加工的要点
（2.24）
其中，
W ′ W ΔW = + b − t b − t b − t
⎧ 1 ⎡⎛ x ⎞2 ⎛ 0.0796 x ⎞m ⎤ ⎫ x ΔW ⎪ ⎪ = ⎨1 − ln ⎢⎜ ⎟ ⎥⎬ ⎟ +⎜ b − t π (1 − x ) ⎪ 2 ⎢⎝ 2 − x ⎠ ⎝ W b + 1.1x ⎠ ⎥ ⎪ ⎣ ⎦⎭ ⎩
−1 T r r
式中，fT 的单位是GHz，h的单位是mm。
悬置式微带线和倒置式微带线
悬置式微带线和倒置式微带线具有比微带高的Q值 （500～1500）。这两种传输媒介可以实现很宽范 围的阻抗值，因而它们特别适用于滤波器。当 t/h=1时，特性阻抗和有效介电常数的公式为：
2 ⎤ ⎡ f (u ) 60 ⎛ 2⎞ ⎥ ⎢ Z0 = + 1+ ⎜ ⎟ ln εr ⎢ u ⎝u⎠ ⎥ ⎣ ⎦
a
β = k0 ⎜
式中
⎛C ⎞ ⎟ Ca ⎠ ⎝
12
= k0 ε e
（2.2） （2.3）
⎛ λ0 εe = ⎜ ⎜λ ⎝ g
⎞ C ⎟= ⎟ C a ⎠
，c =
1
μ0ε 0
，k0 = ω μ0ε 0
微带线
随着频率的升高，电磁场的纵向分量增加，磁场纵向分 量增长比电场纵向分量增长还要快，因此也随频率变 化， 传播波长和微带特性阻抗都随之而变，这就是色散 现象。一般情况下，频率低于4～5GHz时，色散现象不 严重。不考虑色散的特性阻抗 Z 0的公式为： η0 ⎧ W′⎞ W ⎛ 8h ≤1 + 0.25 ⎟ ln ⎜ ⎪ h ⎠ h 2π ε r ⎝ W ′ ⎪ Z0 = ⎨ （2.4） −1 W ⎪ η0 ⎡W ′ + 1.393 + 0.667 ln ⎛ W ′ + 1.444 ⎞ ⎤ ≥1 ⎜ ⎟⎥ ⎪ ε ⎢ h h ⎝ h ⎠⎦ ⎩ r ⎣ 其中， η 0
−1
0 ≤ k ≤ 0.7
（2.9）
0.7 ≤ k ≤ 1
式中， K ′(k ) = K (k ′)
′ = 1− k2 k带来自线10 当 t ≠ 0，对于 W ′ ( b − t ) <，特性阻抗的公式为式（ 2.24），其精度在0.5%内。
2 ⎤⎫ 30 ln ⎧ 4 b − t ⎡ 8 b − t ⎪ ⎪ ⎛8 b−t⎞ ⎢ Z0 = + ⎜ + 6.27 ⎥ ⎬ ⎨1 + ⎟ ⎥⎪ εr ⎪ π W ′ ⎢ π W ′ ⎝ π W′ ⎠ ⎣ ⎦⎭ ⎩
微带导体 介质基片
接地金属板
接地金属板
接地金属板
（a）同轴线
（b）带线 图2.2 同轴线和微带线
（c）微带线
微带线
在准静态法中，传输特性参数是根据下列两个电 容的值计算的。一个是 Ca ，它是对应于单位长度 微带线将其介质材料换为空气而求得的电容；另 一个是C，是对应有介质材料的单位长度微带线 计算出的。 特性阻抗和相位常数可用这两个电容 表示，形式如下： = 1 Z0 （2.1） c CC
（2.8）
微带线
考虑色散的有效介电常数和特性阻抗的公式为
⎛ εr − εe ⎞ + εe ⎟ εr ( f ) = ⎜ ⎜ 1 + 4 F −1.5 ⎟ ⎝ ⎠
Z0 ( f ) = Z0
2
（2.9） （2.10）
εe ( f ) −1 εe εe −1 εe ( f )
f是工作频率。其中，
2 4h ε r − 1 ⎧ ⎡ ⎪ ⎪ ⎛ W ⎞⎤ ⎫ F= 0.5 ⎢1 + 2 lg ⎜ 1 + ⎟ ⎥ ⎬ ⎨ λ0 h ⎠⎦ ⎭ ⎝ ⎪ ⎣ ⎪ ⎩
加工概要
基片处理——研磨抛光，镀膜，金属层减薄 版图制作——图形放大，照相制版 光刻——涂感光胶（甩胶），曝光，腐蚀 接地孔金属化与电镀 元件焊接——无源元件，有源元件
电路设计和工艺加工的要点
微带线条：微带线边沿电场向两侧延伸，电场延伸距 离大约等于2倍基片厚度。因此为避免线间耦合，微 带线间距离以及微带至外盒边壁距离应保持为基片厚 度的4倍以上。 侧向腐蚀裕量：一般情况下，可把微带线宽加出1～2 倍金属膜厚作为腐蚀裕量。 接地通孔：微带接地是用金属化通孔实现的。 有封装晶体管焊接：管脚引线和微带电路焊接时，必 须焊至管脚靠近管壳的根部。 管芯和梁式引线器件焊接：管芯和梁式引线器件不仅 尺寸极小，而且更容易被损坏。
（2.5） （2.6）
不考虑色散的有效介电常数的公式为
εe = εr +1 εr −1 ⎛ W ⎞ εr −1 t h
2 + 2 F⎜ ⎟− ⎝ h ⎠ 4.6 W h
W ≤1 h W ≥1 h
（2.7）
其中
−1 2 2 ⎧⎛ h⎞ ⎛ W⎞ ⎪⎜ 1 + 12 ⎟ + 0.04 ⎜ 1 − ⎟ W⎠ h⎠ ⎝ ⎛ W ⎞ ⎪⎝ F⎜ ⎟=⎨ −1 2 ⎝ h⎠ ⎪ h⎞ ⎛ ⎜1 + 12 ⎟ ⎪ W⎠ ⎝ ⎩
微带线
高次模的出现将破坏电路正常工作。最低次的TM 表面波的截止频率理论上为零，即任何频率都可 能存在TM表面波，但只有在某一频率上，其相速 和准TEM波主模相速接近时，两个模将产生强烈 耦合，这时才可能激发起TM 表面波。下式为准 TEM波和最低表面波寄生模之间产生强耦合时的 频率： 150 2 tan (ε ) f = （2.12） πh ε − 1
t ⎡ 2 x ⎤ m = 2 ⎢1 + ,x = ⎥ b ⎣ 3 1− x⎦
−1
槽 线
在需要高阻抗线、串联短线、短路电路，以及 采用微波集成电路的混合电路中，槽线是非常 有用的。槽线的传播模式是非TEM，其性质基 本是横电波（TE）。
共面波导
在微波集成电路中，共面波导（CPW） 正得到广泛的应用。共面波导在微波电路中的 应用增加了电路设计的灵活性，改善了某些电 路的性能。共面波导的导体均位于同一平面内 （即在衬底的上表面）。这种传输线的一个明 显优势是安装并联或串联形式的（有源和无 源）集总参数元件都很方便，不须在衬底上开 孔或开槽。