毫米波传输线-平面传输线
微波工程简介(上)

微波的范围(两种)f=c=3108 m/sec
300MHz 300GHz 1m-1mm
分米波 厘米波 毫米波
300MHz 3000GHz 1m-0.1mm
分米波 厘米波 毫米波
微波的波段代号
亚毫米波
3
《微波工程》
微波的特点(1)
似光性和似声性——
微波的波长很短,比地球上的一般物体的尺寸要小得多, 或在同一量级。使得微波的特点与几何光学相似,即所谓似 光性。因此使用微波工作,能使电路元件尺寸减少;使系统 更加紧凑;可以设计制成体积小、波束很窄、方向性很强、 增益很高的天线系统,接收来自地面或宇宙空间各种物体反 射回来的微弱信号,从而确定物体的方位和距离,分析目标 的特征。
频带宽,高频损耗大,且 在其中制作微波器件困难
➢ 金属波导(TE、TM)——
高功率容量,低损耗, 但体积大,价格高
➢
平面传输线(准TEM、TE、TM、表面波)——
形式多,紧凑,低价格, 易于与有源器件集成
传输线的发展
* 由双导线演变成波导
➢ 1893年,亥维赛考虑过利用波导传输电磁波的可能性
➢ 1897年,瑞利爵士在数学上证明了波在波导中是可以传播的
12
《微波工程》
2.1 传输线的集总元件电路模型
传输线的分布参数
v z, t
i z, t
➢ 分布电阻 R Ω m—电流流过导体时,导体发热产生损耗
➢ 分布电导 G S m—介质有损耗,因而存在漏电流带来的损耗
➢ 分布电感 L H m—电流流过导体在周围将产生磁场,表明导体具有电感
➢ 分布电容 C F m—导体之间的电压在周围产生电场,表明导体之间存在电容 一些常用传输线的分布参数(表2.1)
微波技术基础思考题

微波技术基础思考题1、微波是一般指频率从300M至3000GHz范围内的电磁波,其相应的波长从1m至0.1mm。
从电子学和物理学的观点看,微波有似光性、似声性、穿透性、非电离性、信息性等重要特点。
2、导行波的模式,简称导模,是指能够沿导行系统独立存在的场型,其特点是:(1)在导行系统横截面上的电磁波呈驻波分布,且是完全确定的。
这一分布与频率无关,并与横截面在导行系统上的位置无关;(2)导模是离散的,具有离散谱;当工作频率一定时,每个导模具有唯一的传播常数;(3)导模之间相互正交,彼此独立,互不耦合;(4)具有截止特性,截止条件和截止波长因导行系统和因模式而异。
3、广义地讲,凡是能够导引电磁波沿一定的方向传播的导体、介质或由它们组成的导波系统,都可以称为传输线。
若按传输线所导引的电磁波波形(或称模、场结构、场分布),可分为三种类型:(1)TEM波传输线,如平行双导线、同轴线、带状线和微带线,他们都是双导线传输系统;(2)TE波和TM波传输线,如矩形、圆形、脊形和椭圆形波导等,他们是由金属管构成的,属于单导体传输系统;(3)表面波传输系统,如介质波导(光波导)、介质镜象线等,电磁波聚集在传输线内部及其表面附近沿轴线方向传播,一般是TE或TM波的叠加。
对传输线的基本要求是:工作频带宽、功率容量大、工作稳定性好、损耗小、易耦合、尺寸小和成本低。
一般地,在米波或分米波段,可采用双导线或同轴线;在厘米波段可采用空心金属波导管及带状线和微带线等;在毫米波段采用空心金属波导管、介质波导、介质镜像线和微带线;在光频波段采用光波导(光纤)。
以上划分主要是从减少损耗和结构工艺等方面考虑。
传输线理论主要包括两方面的内容:一是研究所传输波形的电磁波在传输线横截面内电场和磁场的分布规律(也称场结构、模、波型),称横向问题;二是研究电磁波沿传输线轴向的传播特性和场的分布规律,称为纵向问题。
横向问题要通过求解电磁场的边值问题来解决;各类传输线的纵向问题却有很多共同之处。
精选微波技术基础知识

1、第三章、微波集成传输线常用集成传输线的种类和主要特点2、第四章介质波导和光波导
1、传播条件和波型2、特性阻抗3、波长,相速4、功率容量5、衰减
了解
微波集成传输线
微波集成传输线的最大特点是 平面化
五种重要的传输线:带状线(Stripline)微带线(Microstrip line)槽线(Slotline)鳍线(Finline)共面线(Coplanar line)
式中
微波集成传输线-带状线
带状线—优缺点和应用
1、改变线宽一个参数就改变电路参数(特性阻抗)。2、在馈线、功分器,耦合器,滤波器,混频器,开关的设计中,体积小,重量轻,大批量生产的重复性好。3、立体电路的设计,适用于多层微波电路,LTCC等,辐射小。4、封闭的电路,调试难。5、电路需要同轴或波导馈入,引入不连续性,需要在设计时补偿。6、在多层电路设计中,存在不同节点常数的介质之间的连接,介质与金属导体的连接,分析方法非常复杂,尤其对3D电路,尚缺少各种不连续性的模型和相关设计公式,采用全波分析法或者准静态场分析。
毫米波鳍线混频器
介质波导和光波导
当毫米波波段→亚毫米波段→太赫兹波段时普通的微带线将出现一系列新问题1)高次模的出现使微带的设计和使用复杂2)金属波导的单模工作条件限制了其横向尺寸不能超过大约一个波长的范围。这在厘米波段和毫米波低频段不成问题。但到毫米波高频段,单模波导的尺寸就显得太小,不仅制造工艺困难,而且随着工作频率的提高,功率容量越来越小,壁上损耗越来越大,衰减大到不能容忍的地步。因此,对毫米波段的高端及来说,封闭的金属波导已不再适用。于是,适合于毫米波高频段、亚毫米波的传输线 —— 介质波导等非封闭式的传输线(或称开波导)便应运而生
微波集成传输线-微带线
Ka波段脊波导到微带过渡器的设计

图 1 单脊波导的几何参数 其中,x=d /b,Cd 为脊波导中的 不均匀电容。而 a、b、s、d 为脊波导的几 何参数,参见图 1。ε为波导中的介质的介 电常数。 当脊波导工作在单模 TE10 模时,可 按电压、电流定义特性阻抗,脊中心的电 压 U = E 0 d ,电流为波导底面的纵向电 流。忽略高次模影响,由金属波导的边界 条件。通过求解麦克斯韦方程,得到场分 布,从而得到特性阻抗,结果为:
参考文献 [1] Hui-wen Yao, Amr, J-Fuh Liang, “A Full Wave Analysis of Microstrip-to-waveguide Transition,” IEEE MTT-S, Vol.1, pp. 213-216, May 1994. [2] van Heuven, J.H.C, “A New Integrated Waveguide- Microstrip Transition,” IEEE Transactions on, Vol.24, pp. 144-147, Mar 1976. [3] Yi-Chi Shih, Thuy-Nhung Ton, and Long Q. Bui, “Waveguide-to-microstrip Transition for Millimeter-wave Applications,” IEEE MTT-S, Vol. 1, pp. 473-475, May 1988. [4] Yoke-Choy Leong, Sander Weinreb, “Full Band Waveguide-to-microstrip Probe Transitions,” IEEE MTT-S, Vol.4, pp. 1435-1438, June 1999. [5] S.Llorente-Romano, B.P.Dorta-Naranjo, F. perez-Martinez, M.Salazar-Palma, “Ka-band Waveguide-to-microstrip Transition Design and Implementation,” IEEE, Vol.3, pp. 404-407, June 2002 [6] Hopfer S. The design of ridged waveguides. IRE Transsctions on MTT 1995,October,20. [7]吴万春,甘本拔.现代滤波器的结构与 设计[J]. 北京:科学出版社. 1 9 7 4 . 作者简介 张洪林(1 9 8 2 - ), 男 , 硕 士 生 , 专 业 方向:电子与通信工程。
11个基础知识点了解传输线

11个基础知识点了解传输线1.什么是传输线?传输线:用来引导传输电磁波能量和信息的装置。
传输线的基本要求:传输损耗小,传输效率高;工作带宽宽等低频时,使用普通的双导线就可以完成传输;高频时,因工作频率的升高,导线的趋肤效应和辐射效应的增大,使得在高频和高频以上的必须采用完全不同的传输形式。
2.对传输线的要求?工作带宽和功率容量满足工作频率的最小要求、稳定性好、损耗小、尺寸小和成本低。
实际工作中:米波或分米波采用双导线或同轴线;厘米波范围内采用空心金属波导管、微带线或带状线等;毫米波范围采用空心金属波导管、介质波导、介质镜像线或微带线;光频段波采用波导(光纤);3.什么是传输线模型?以TEM导模的方式传送电磁波能量或信号的行系统。
传输线在电路中相当于一个二端口网络,一个端口连接信号源,通常称为输入端,另一个端口连接负载,称为输出端。
特点:横向尺寸<<工作波长结构:平行双导线4.为什么要用传输线理论?工作在高频时,必须要考虑传输距离对信号幅度相位(频域)和波形时延(时域)的影响。
它是相对于场理论,简化了的模型。
不包括横向(垂直于传输线的截面)场分布的信息,保留了纵向(沿传输线方向)的波动。
对于许多微波工程中各种器件,运用传输线理论这种简单的模型可以进行较有效和简洁的计算,帮助分析工程问题。
A.首先要知道两个概念长线:指传输线的几何尺寸和工作波长的比值≥0.05;短线:几何长度与工作波长相比可以忽略不计≤0.05。
长线我们用分布参数来分析;短线我们用集总参数分析。
B.与电路理论和场理论的区别:电路理论<传输线理论<场理论电路理论:基尔霍夫定律+电路元件计算速度快;可靠度低,应用范围受限场理论:麦克斯韦方程组+边界条件逻辑上严谨,计算复杂,计算速度慢传输线理论:“化场为路”分布参数电路理论,它在场分析和基本电路理论之间架起了桥梁。
从传输线方程出发,求出满足边界条件的电压、电流的波动方程解,得出沿线等效电压、电流表达式分析其特性。
微波毫米波技术基本知识

PHEMT有更高的功率,成为毫米波功率器件的主 流。
HBT效率高,1/f相噪低, InP基HBT振荡管工作频 率已达138GHz。
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37
毫米波MMIC
82年第一只Ka 波段MMIC二极管混频器问世以来, MMIC品种迅速增多,性能改善,工作频率提高: 美国TRW和Hughes公司InP基MMIC工作频率已超过 250GHHz。 TRW公司InP HEMT 功率MMIC:
可以说,DGS是PBG的一种特例。
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33
四、国外毫米波器件和系统应用
现代武器装备的需求促进了毫米波技术 的发展,毫米波技术发展的需要又带动 了半导体和微电子电路技术和工艺的进 步,使毫米波技术成为当今一门知识密 集的综合性技术学科,国外毫米波设备 快速发展,每年以30%-40%的速度增长, 成为军事电子领域的“ 朝阳”产业。
★微波电路的小型化,特别是三维电路的发展 不仅以先进的电路制造工艺为基础,而且依赖 计算电磁学和商用电磁仿真软件的迅速发展。
★随着射频集成电路(RFIC)、单片集成电路 (MMIC)和超大规模集成电路(VLSI)技术 的迅速发展,低成本、高性能的高速数字、射 频、微波和毫米波集成电路和系统的互连和封 装成为重要的理论和工艺技术课题。
商用CAD软件应运而生。
Ansoft公司 软件 :designer和HFFS
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24
计算电磁学及其应用
★随着集成密度的增加和工作频率的提高,设计者 必须认真对待互连和封装中的各种电磁效应问题, 如电路间的互耦,寄生谐振,电磁干扰和电磁兼容 性等问题。
★在电磁场与微波技术学科中,以电磁场理论为基 础,以高性能计算技术为手段,运用计算数学提供 的各种方法,诞生了一门解决复杂电磁场理论和工 程问题的应用科学-计算电磁学(computational electromagnetics)
毕业设计(论文)-w频段分谐波混频器设计[管理资料]
![毕业设计(论文)-w频段分谐波混频器设计[管理资料]](https://img.taocdn.com/s3/m/cdc099a1f01dc281e43af00f.png)
1 绪论W频段分谐波混频器是3mm射频接收系统的重要组件,其各项指标直接影响整个射频接收系统性能,研制性能良好的分谐波混频器成为提高整个系统性能的必然要求。
本课题的研究背景和意义研究背景自1873年Maxwell发表《电磁学通论》以来,人们为充分利用电磁资源,在拓宽频谱方面做了大量工作。
40年代至今,微波在电子武器发展过程中,包括军用和民用系统中都是最为活跃和最富成果的应用技术之一[1]。
制导、雷达、导航、电子战、通信以及众多的民用系统已涉及国民经济的各个部门。
从技术和工艺角度来看,微波技术目前已十分成熟,尤其是本世纪70年代和80年代期间发生的一场重大变革,又把微波技术推向了一个新的高峰。
这就是,固态器件和微波集成电路的发展导致了微波元部件乃至整个微波系统的小型化和轻量化[2]。
其中作为传输媒介的平面传输线的应用,在减小电路之间的寄生影响和电路多余接口方面起到了明显的推动作用。
研究意义近10多年来,用户剧增使微波频谱出现拥挤,加之精确武器系统的发展要求,就促使人们把系统的工作频率向上延伸,从而导致毫米波(Millimeter Wave)频率的利用。
毫米波是波长介于1-10mm的电磁波谱,对应频率范围300-30GHz。
在电磁波谱中,毫米波低端与微波相连,高端与红外、光波相接,其领域兼容微波、光波两门技术学科的理论和技术,所以逐渐发展成为一门知识密集和技术密集的综合性分支学科。
毫米波的特点是波束窄、保密和抗干扰能力强、容量大、容易实现图像、数字兼容,数模兼容。
毫米波技术在通信、雷达、制导、遥测遥感、电子对抗、频谱学及生物效应等多种领域得到越来越广泛的应用[3]。
毫米波半导体器件及平面传输线构成的毫米波集成电路以其小型化、重量轻、耗能少的优点,因毫米波技术的进步而迅速发展。
随着计算机技术的广泛运用及半导体技术的飞速发展,微波毫米波电路在理论上有了长足的进步,性能优良的微波毫米波器件也不断出现。
在各类毫米波系统中,,接收机中的第一级主要由混频器承担。
波导传输线理论课件

新型材料与工艺在波导传输线中的应用
要点一
新材料
要点二
新工艺
采用新型材料如碳纳米管、石墨烯等可以改善波导传输线 的性能,提高传输效率、减小损耗等。未来需要研究如何 实现新材料在波导传输线中的稳定制备和性能优化。
采用新型工艺如纳米压印、微纳加工等可以减小波导传输 线的尺寸、降低成本,提高集成度。未来需要研究如何实 现新工艺的稳定性和可重复性,以及在波导传输线制作中 的广泛应用。
矩形波导具有全封闭的结构, 能够提供良好的电磁场隔离, 减少外部干扰和辐射损耗。
在矩形波导中,电磁波的能量 主要集中在波导内部,传输过 程中能量损失较小。此外,矩 形波导的截止频率和传播常数 等参数可以通过调节其尺寸来 控制。
圆波导
总结词
圆波导是一种特殊类型的波导,其横截面呈圆形。
总结词
圆波导的优点在于其封闭性和均匀性,能够提供 较好的电磁场隔离和传输稳定性。
波导传输线理论课件
目录
PART 01
波导传输线概述
定义与特点
定义
波导传输线是一种用于传输电磁 波的结构,通常由两个平行的金 属板或导电壁构成。
特点
具有定向传播电磁波的特性,能 够控制电磁波的传播方向和模式, 常用于微波和毫米波频段的信号 传输和能量传输。
波导传输线的历史与发展
历史
波导传输线最早可以追溯到19世纪 末,随着无线电和雷达技术的发展, 波导传输线逐渐得到广泛应用。
• 总结词:光纤波导的优点在于其传输速度快、带宽大、抗电磁干扰性能好和保密性强。 • 详细描述:光纤波导的尺寸通常用纤芯直径d来表示,其截止频率和传播常数等参数与纤芯直径、折射率和涂覆层厚度有关。在某些应用中,光纤波导还可以通过弯曲来改变传输方向。
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2.2平面传输线
材料名称 表面粗糙 10GHz时的 介电常 导热率
应用与特点
度(um) 损耗正切(10-4) 数 (W/cm℃)
聚四氟乙烯
10~15
2.5~2.8
厘米波段MIC
纤维加强板
价格低,加工容易
氧化铝99% 2~15
2~5
9~9.5
0.3
厘米至毫米波段
蓝宝石
0.5~1
《毫米波理论与技术》讲义
2.2.1 微带线
➢微带线特性分析
微带线分析方法有两种: (1)准静态法 (2)全波分析法 把微带线的工作模式当作TEM模来分析,这种分析方法 称为“准静态分析法” 。 全波分析法是利用高等电磁理论,求满足完整Maxwell方 程式及边界条件的电磁场之解。
《毫米波理论与技术》讲义
• 1955年, ITT Ferearl Telecommunications Laborato ries(New Jersey), 报道了多篇关于微带线的报道 ,IEEE transactions on Microwave Theory and Tech nique.
• 1960年,薄基片厚度的微带线流行。
毫米波传输线
2.1 引言 2.2 平面传输线 2.3 波导 2.4 鳍线
《毫米波理论与技术》讲义
2.1 引言
➢毫米波传输线的要求
损耗低; 弱色散,单模传输; 具备一定的功率容量; 成本低; 便于电路和系统集成; 体积小、重量轻。
《毫米波理论与技术》讲义
2.1 引言 ➢微波常用传输线
平行双线
同轴线
矩形波导
圆波导
《毫米波理论与技术》讲义
微带线
2.1 引言 ➢毫米波传输线
《毫米波理论与技术》讲义
2.1 引言
➢毫米波传输线分类
• 平面传输线
• 微带、悬置微带、倒置微带 • 共面波导、共面带线、槽线
• 准平面传输线
• 鳍线(准TE10)
• 金属波导
• 矩形波导 • 圆波导等
• 介质波导
• 矩形介质波导 • 介质镜像波导等
2.2.1 微带线
➢准静态分析:步骤1
假设介质不存在,金属导体之外到处都是空气,算 出其每单位长电容及电感分別为C0及L0,此时: 特性阻抗为
Z0a L0 / C0
相位传播常数为
0a L0C0
《毫米波理论与技术》讲义
20
2.2.1 微带线
• H波导、槽波导等
《毫米波理论与技术》讲义
2.2 平面传输线
平面传输线通常由介质基片、介质基片上的导带与金属接 地层组成,制备工艺包括厚膜工艺和薄膜工艺。
《毫米波理论与技术》讲义
2.2平面传输线
对基片材料的要求:
(1)较高的介电常数,使电路小型化?; (2)低损耗; (3)在给定的频率和温度范围内介电常数 稳定; (4)纯度高,性能一致性好; (5)表面光洁度高; (6)击穿强度高; (7)导热性好,以适用于较大的功率; (8)适应环境能力强。
1
9~9.5
0.4
毫米波MIC
高介陶瓷
1~2
20~80 0.01~0.05 用于小尺寸电路D来自roid2.2~4.0
毫米波MIC
石英
氧化铍
硅 砷化镓 磷化铟 碳化硅
0.1~0.5
2~10
1 1
1
1
10~100 6
3.8
0.01 毫米波MIC,但易
碎
6.6
2.5
导热好,用于功率
器件
12
1.5
MMIC
12.9
• 薄膜与厚膜工艺产品之差异分析
精度 镀层材料 镀层表面
设备 镀层附着 性 电路对准
薄膜工艺
高,<±1%
材料稳定度高
表面平整度高,误差 <0.3μm
成本高
无需高温烧结,不含 氧化物、附着性好
使用曝光显影,对准 性高
厚膜工艺
较低,<±10%
易受浆料影响
较差,误差 <3μm
成本低
易受基板材质影 响
易受丝网张力及 使用次数影响, 对准性较差
0.46
MMIC
14
0.68
MMIC
10
3.3
MMIC
《毫米波理论与技术》讲义
2.2平面传输线
性能: 超常的层间结合; 低吸水率; 增强的尺寸稳定性; 低Z轴膨胀; 频率使用范围稳定的介电常数; 增强的挠性强度。 应用:功率放大器;滤波器和连结器;无源元器件;天线。
《毫米波理论与技术》讲义
2.2平面传输线
薄膜工艺制备过程:
研磨抛光
基片处理
镀膜
金属层减薄
版图制作
图形放大 照相制版
光刻腐蚀
甩胶 曝光 腐蚀
接地/电镀
《毫米波理论与技术》讲义
接地金属化 电镀防护
2.2 平面传输线
微带线
平面传输线
带状线
悬置微带和倒 置微带
槽线与共面波导 《毫米波理论与技术》讲义
相速和波长 特性阻抗 衰减常数 功率容量 设计原则
《毫米波理论与技术》讲义
2.2平面传输线
对于金属材料的要求:
(1)高的导电率; (2)低的电阻温度系数; (3)对基片的附着性能好; (4)好的刻蚀性和可焊接性; (5)易于淀积和电镀。
《毫米波理论与技术》讲义
2.2平面传输线
材料 表面电阻率 趋肤深度 热膨胀系数 与介质
(f单位:Hz) 2GHz(μm) (10-8/℃) 附着力
银(Ag) 2.5
1.4
21
差
铜(Cu) 2.6
1.5
18
差
金(Au) 3.0
1.7
15
差
铝(Al)
3.3
1.9
26
差
铬(Cr) 4.7
2.7
9
好
钯(pd)
3.6
11
中
钽(Ta)
7.2
4.0
6.6
好
工艺方法
蒸发 电镀/蒸发/淀积
电镀/蒸发 蒸发 蒸发
蒸发/电镀/溅射 溅时
《毫米波理论与技术》讲义
2.2平面传输线
2.2.1 微带线
微带线目前是混合微波毫米波集成电路和单片微波毫米波 集成电路使用最多的一种平面型传输线。
微带线结构及内部场结构 《毫米波理论与技术》讲义
2.2.1 微带线
• 1952年, Grieg and Engelmann,首次发表关于微带 线的报道,“Microstrip-A New Transmission Techn ique for the Klilomegacycle Range”,IRE proceedi ng。
《毫米波理论与技术》讲义
2.2.1 微带线 微带线的构成
微带线由介质基片、介质基片 上的导带与金属接地层组成。
《毫米波理论与技术》讲义
2.2.1 微带线 微带线的分析方法
• 1952年时, Grieg and Engelmann采用分析方法基于平行双线 的准静态分析。
• 20世纪60年代,保角变换、格林函数、有限差分法等发展; • 1971年时,严格的场解方法已经能够计算色散特性。