第一章+传输线和集总参数元件

L
r 2 0 N 2
l
（1-10）
在考虑了寄生旁路电容 Cs 以及引线导体损耗的串联电 阻Rs后，电感的等效电路如图1-10 所示。
L Rs
Cs
图1-10 高频电感的等效电路
传输线和集总参数元件
105 理想电感 104 实际电感
铜电感线圈的高频特 性：在谐振点之前阻抗升 高很快 , 而在谐振点之后 , 由于寄生电容Cs的影响已 经逐步处于优势地位而逐
| Z | /
101 100 10－ 1 10－ 2 10－ 3 6 10 107 108 109 f / Hz 101 0 101 1 101 2 电容效应
图1-6 电阻的阻抗绝对值与频率的关系 电阻及其寄生电容和电感在高频上随频率变化，是所有 电阻器的一个共同问题
传输线和集总参数元件
电容
在低频率下,电容器的电容量定义为
（ 1）基板参数 : 基板介电常数 εr、基板介质损耗角正切 tanδ 、 基板高度 h 和导线厚度 t 。导带和底板（接地板）金属通常为 铜、 金、 银、 锡或铝。 （2）电特性参数: 特性阻抗Z0、工作频率f0、工作波长λ0、波导
波长λg和电长度（角度）θ。
（3）微带线参数：宽度W、 长度L和单位长度衰减量A dB。
平面式电容器在实现大容量值的隔直流模块和去耦电
路时需特别注意功率容量 。
传输线和集总参数元件
102
101
实际电容
| Z | /
100
10－ 1 理想电容 10－ 2 8 10 109 f / Hz 101 0 101 1
图1-8 电容阻抗的绝对值与频率的关系
注：也可用一段很短的开路传输线来模拟电容器
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同轴线 悬置微带线
微带线
矩形波导
带状线
圆波导
共面波导
鳍线
缝隙线
介质波导
常用射频/微波传输线
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微带线
微带线是一种准TEM波传输线，结构简单, 工程效果佳, 便于器件的安装和电路调试,产品化程度高, 已成为射频/微 波电路中首选的电路结构。
1. 微带线基本设计参数
HFSS，Ansot Designer
数学计算软件matlab
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3. 微带线常用材料
1） 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。 2） 铜箔种形 3） 环境适应性选择 湿度和通孔对基板选择的影响
C
L
Rg Re
图1-7 射频电容的等效电路
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交指型电容器
交指型电容器的最大电容值受限于物理尺寸，其最
大可工作的频率受限于指间的分布特性。 交指型电容器特别适合于用做调谐、耦合和匹配元 件，这些场合要求电容量小、量值精确的电容器。 交指型电容器和平面式电容器（金属-绝缘体-金属 （MIM）电容器）两者都能用于射频集成电路中。
（1-5）
p2=-jωμζ。
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图 1-1 交流状态下铜导线横截面电流密度对直流情况的 归一化值
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金属导线本身有一定的电感量,这个电感在射频/微 波电路中,会影响电路的工作性能。电感值与导线的长 度、形状和工作频率有关。 金属导线还可以看作一个电极 ,它与地线或其他电 子元件之间存在一定的电容量 , 这个电容对射频 / 微波
的轨迹，且归一化电阻等于驻波系数；
负实轴OC直线为电压波节点（电流波腹点）
的轨迹，且归一化电阻等于行波系数；
最外圆为纯电抗圆，即||=1的全反射圆
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阻抗圆图----特点
圆图上有两个特殊的面 圆图的上半平面 x>0，感性电抗的轨迹 圆图的下半平面 x<0，容性电抗的轨迹
两个旋转方向
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传输线和集总参数元件
特点
特殊点 匹配点 位置 中心（0,0） || 0 VSWR 1 r 1 x 0
l
开路点 短路点
（1,0） （-1,0）
1 1

0
0
0
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特点
圆图上有三条特殊轨迹 实轴对应纯电阻轨迹，即x＝0。
正实轴OD直线为电压波腹点（电流波节点）
顺时针向波源
逆时针向负载
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阻抗圆图----特点
Smith圆图可以直接提供如下信息 直接给出归一化输入阻抗值zin ，乘以特性阻
抗即为实际值；
直接给出反射系数的模值||及其相位；
根据反射系数模值计算出驻波系数的值
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平面传输线的特性
对于适合在微波集成电路中作为电路元件的传输线 结构，主要要求之一是这种结构应是“平面”的，即电 路的特性可以由单一平面内的结构和尺寸来决定。可在 MIC 中使用的各种形式的平面传输线中，带状线、微带 线、悬置（倒置）微带线、槽线、共面波导和共面带状 线是有代表性的几种。
电感
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常用的电感器一般是线圈结构,在高频率也称为高频 扼流圈，其结构一般是用直导线沿柱状结构缠绕而成。
Cd
Rd Rd
图1-9 在电感线圈中的分布电容和串联电阻
注：一段很短的短路传输线也可用来模拟电感器
传输线和集总参数元件
导线的缠绕构成电感的主要部分 ,而导线本身的电感可 以忽略不计，细长螺线管的电感量为
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金属导线的射频特性
在射频 / 微波范围内 , 金属导线不仅具有自 身的电阻和电感或电容,而且还是频率的函数。 寄生参数对电路工作性能的影响十分明显。
直流电阻
l Rdc 2 a
（1-1）
及其电流密度
J z0
I 2 a
（1-2）
传输线和集总参数元件
在交流状态下,有“集肤效应”；在射频 （f≥500MHz）范围此导线相对于直流状态的电阻
阻,一般使用表面贴装元件（SMD）。
传输线和集总参数元件
所希望使用的薄膜电阻特性是：
稳定性好的电阻值，不随时间变化；
低的电阻温度系数（TCR）；
足够的散热能力；
寄生参量足够小；
最大长度小于0.1λ ，使得传输线效应可以忽略。
传输线和集总参数元件
物质的电阻的大小与物质内部电子和空穴 的迁移率有关。从外部看,
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表1-2 覆铜板基材的国内外主要生产厂家
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3. 微带线的局限
最高工作频率受许多因素限制，譬如寄生模的激励、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Q值。 基板最大厚度受微带线不连续处高辐射损耗的限制， 譬如开路端、间隙、裂缝、宽度裂变、拐弯等不连续点。
| Z | /
103
102 101 108
109 f / Hz
101 0
101 1
渐减小。
图1-11 电感阻抗的绝对值与频率的关系
传输线和集总参数元件
射频/微波集成电路电感器可分为： （1）带状电感器
（2）单圈环形电感器
（3）多匝螺旋电感器
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知识回顾
传输线基本理论
z Zg Eg i(z＋ z,t) Rz L z ＋ C z － z＋ z (a ) 0 (b ) z G z u(z,t) － i(z,t) ＋
j j LC
L Z0 C
传输线和集总参数元件
α 定义为传输线的衰减常数:

定义为相移常数：
相速度 v p 输入阻抗
LC R G 1 ( ) ( RY0 GZ0 ) 2 L C 2
LC
波长
0 f r
2 vp
Z1 jZ 0 tan( z ) Zin ( z ) Z 0 Z 0 jZ1 tan( z )
L R WH
(1-6a)
定义薄片电阻
1 ,则 Rh H
(1-6b)
L R Rh W
传输线和集总参数元件

Ca L R L
H W
L
Cb
图1-3 物质的体电阻
C1 L2 R
图1- 4 电阻的等效电路
L1
L2
C2
图 1-5 线绕电阻的等效电路
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103 102 理想电阻 电感效应
驻波比

U U
max min
驻波比与反射系数的关系
1 1 1 1
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史密斯圆图
史密斯圆图是将归一化阻抗（Z=r+jx）的复数
半平面（r>0）变换到反射系数复数平面上。
将等电阻圆和等电抗圆两组圆图重叠起来就是阻 抗圆图。阻抗圆图内任一点的阻抗值及其对应的反射
系数可以读出。依同样的方法,也可得出导纳圆图。
y 传输线和集总参数元件
导体1
t
r r
W 介质材料 h
O 导体2
x
带状导体 介质 H E y x h 接地导体
z
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2. 微带线的设计方法
微带线设计的实质就是求给定介质基板情况下阻抗与导 带宽度的对应关系。目前使用的方法主要有： （1）查表格。 用法步骤是： ① 按相对介电常数选表格； ② 查阻抗 值、宽高比W/h、有效介电常数ε e三者的对应关系； ③ 计 算 , 通常 h已知 , 则 W可得 , 由 ε e 求出波导波长 , 进而求出微带 线长度。 （2）用软件。 仿真软件AWR的Microwave Office，Agilent ADS，CST，
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Zin z Z L Z02 Zin ( z ) ZL