3微波集成传输线.ppt

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1、第三章微波集成传输线 电子科技大学中山学院电子系卢晶琦jingqilu jingqilu Chpt3微波集成传输线 jingqilu Chpt3微波集成传输线 规则金属波导传输系统 优点 损耗小 结构牢固 功率容量高 电磁波限定在导管内 缺点 笨重 高频下批量成本高 频带较窄 微波集成电路 优点 体积小 重量轻 低剖面 可靠性高 性能优越 一致性好 成本低 缺点 损耗大 功率容量小 品质因数Q较低 jingqilu Chpt3微波集成传输线 微带天线 手机天线 jingqilu 微波集成传输线 各种微波集成传输系统 归纳起来可分为四大类 jingqilu 3 1微波集成传输线 微带传输线的基本

2、结构有两种形式 带状线 微带线 它们均属于双导体传输线 主要传输的是TEM波 带状线 StripLine 微带线 MicrostripLine 耦合微带线 CouplingMicrostripLine 微带传输线的边界条件特殊 求解过程相当繁琐 因此本章的重点在于在阐述微带传输线的基本概念和特性的基础上 利用前人推导出来的计算公式 曲线图和数据表 初步掌握微带传输线的结构 原理和参数 jingqilu 3 1微波集成传输线 带状线 三板线 构成 两块接地板 相距为b 中间为矩形截面导体带 宽度为W 厚度为t 板间填充空气或介质 jingqilu 带状线 三板线 同轴线 内外导体变成矩形 外窄边

3、延伸至无限远 带状线 传输特性参数主要有 特性阻抗Z0 衰减常数 相速vp和波导波长 g jingqilu 带状线 三板线 特性阻抗由于带状线上的传输主模为TEM模 因此可用准静态分析法求得单位长分布电容C和分布电感L 从而有 工程中 jingqilu 带状线 三板线 带状线特性阻抗随形状参数w b的变化曲线 带状线的特性阻抗随着w b的增大而减小 也随着t b的增大而减小 jingqilu 带状线 三板线 衰减常数 带状线的损耗包括由中心导带和接地板导体引起的导体损耗 两接地板间填充的介质损耗及辐射损耗 一般来说衰减主要是由导体损耗及介质损耗引起的 即 相速 波导波长 jingqilu 带状

4、线 三板线 带状线尺寸的选择带状线传输的主模是TEM模 但若尺寸选择不合理也会引起高次模TE模和TM模 jingqilu 微带线的演化过程及结构 3 1微波集成传输线 微带线 介质基片 微带线是由沉积在介质基片上的金属导体带和接地板构成的一个特殊传输系统 导体带宽度为w 厚度为t 插入金属板 导带 金属底板 jingqilu 微带线 容易制作 可用光刻程序制作 容易集成 可与其它无源微波电路和有源微波电路器件集成 由此可实现微波部件和系统的集成化 特点 99 5 的氧化铝陶瓷 聚四氟乙烯 聚四氟乙烯玻璃纤维板 砷化镓 jingqilu 微带线 故场大部分场集中在介质基片内 集中在导体带与接地板

5、之间 但有一部分在空气中 由于空气和介质中的TEM模的相速不同 c和 即相速在两分界面上对TEM模不匹配 在导体带上面即y h的为空气 导体带下方y h区域为介质基片 微带线所传输的波为准TEM波 纵向分量Ez和Hz存在且很小 jingqilu 微带线 微带线的特性参量微带传输线同其他传输线一样 满足传输线方程 因此对准TEM模而言 如忽略损耗 则有 由于微带线周围不是填充一种介质 其中一部分为基片介质 另一部分为空气 这两部分对相速均产生影响 其影响程度由介电常数 和边界条件共同决定 微带线的传输特性参数主要有 特性阻抗Z0 衰减常数 相速vp和波导波长 g jingqilu 微带线 微带线

6、的特性参量有效介电常数法 jingqilu 微带线 微带线的特性参量 直接求解较复杂 工程上一般采用近似公式 jingqilu 特性阻抗 相速 jingqilu 微带线 微带特性阻抗与w h的关系 jingqilu 微带线 微带线的衰减常数 介质损耗 介质分子交替极化和晶格来回碰撞 热损耗 导体损耗 截面较小 导体损耗大 辐射损耗 由半开放性所引起 截面小则不均匀点较大 故微带线常放在金属屏蔽盒中 可避免辐射损耗 无辐射损耗时 jingqilu 微带线的特性参量 微带线的衰减常数 导体衰减常数 c由于微带线的金属导体带和接地板上都存在高频表面电流 因此存在热损耗 工程上一般近似计算公式 为了降

7、低导体的损耗 除了选择表面电阻率很小的导体材料 金 银 铜 之外 对微带线的加工工艺也有严格的要求 一方面加大导体带厚度 一般取导体厚度为5 8倍的趋肤深度 另一方面 导体带表面的粗糙度要尽可能小 一般应在微米量级以下 jingqilu 微带线的特性参量 微带线的衰减常数 介质衰减常数 d对均匀介质传输线 其介质衰减常数为 一般情况下 微带线的导体衰减远大于介质衰减 因此一般可忽略介质衰减 但当用硅和砷化镓等半导体材料作为介质基片时 微带线的介质衰减相对较大 不可忽略 辐射损耗相对其它两种损耗 辐射损耗可以忽略不计 jingqilu 微带线 微带线的色散特性色散是指电磁波的相速 特性阻抗等随频

8、率而变的现象 当频率较低时 微带线上传播的波基本上是准TEM模 故可不考虑色散 当频率较高时 微带线的特性阻抗与相速随着频率变化而变化 即具有色散特性 频率f 相速vp e 特性阻抗Z0 修正公式 jingqilu 微带线 高次模与微带尺寸的选择 jingqilu 3 1微波集成传输线 耦合微带线由两根平行放置 彼此靠得很近的微带线构成 耦合微带线可用来设计各种定向耦合器 滤波器 平衡不平衡变换器等 耦合微带线和微带线一样是部分填充介质的不均匀结构 因此其上传输的不是纯TEM模 而是有色散特性的混合模 jingqilu Chpt3微波集成传输线 jingqilu 光纤通信 光纤通信技术的主要优

9、点光波频率很高 光纤传输的频带很宽 故传输容量很大 理论上可通上亿门话路或上万套电视 可进行图像 数据 传真 控制等多种业务 不受电磁干扰 保密性好 耐高温 高压 抗腐蚀 工作可靠 光纤的损耗小 可用于远距离通信 光纤材料来源丰富 可节约大量有色金属 如铜 铝 且直径小 重量轻 jingqilu 光纤通信 宽带综合业务光纤接入系统拓扑结构 jingqilu 3 3光纤 光纤 单模光纤 黄色 多模光纤 橙色 jingqilu 3 3光纤 光纤 又称为光导纤维 是在圆形介质波导的基础上发展起来的导光传输系统 包层除使传输的光波免受外界干扰外 还起着控制纤芯内传输模式的作用 多芯光缆 jingqil

10、u 3 3光纤 光纤的分类 jingqilu 3 3光纤 jingqilu 3 3光纤 光纤通信数字光纤通信系统的组成 光纤 将光信号从光发射机无失真地传送到光接收机 jingqilu 光纤的基本参数 数值孔径NA描述光纤收集光能力的一个参数 只有角度小于某一角度 的光线才能在光纤内部传播 将这一角度的正弦值定义为光纤数值孔径 即 NA用相对折射率差 来描述 为取得较大的数值孔径 相对折射率差 应取大一些 jingqilu 3 3光纤 光纤的基本参数光波波长 g 相对折射率差 反映了包层与光纤芯折射率的接近程度 当时 1时 称此光纤为弱传导光纤 此时 n2k 光纤近似工作在线极化状态 jing

11、qilu 光纤的基本参数 折射率分布因子g jingqilu 3 3光纤 单模光纤 多模光纤单模光纤主模 HE11模 无截止频率第一个高次模为TM01模 为避免高次模的出现 单模光纤的直径D应满足 单模光纤尺寸的上限和工作波长在同一量级 工艺制造上有困难 适当选择包层折射率n2 一方面可简化光纤制造工艺 另外还能保证单模传输 jingqilu 3 3光纤 光纤的传输特性光纤的损耗引起光纤损耗的主要原因大致有光纤材料不纯 光纤几何结构不完善及光纤材料的本振损耗等 不管是哪种损耗 都可归纳为光在光纤传播过程中引起的功率衰减 单模光纤波长与损耗的关系曲线 在1 3 m和1 55 m波长附近损耗较低

12、带宽较宽 jingqilu 光纤的传输特性 光纤的色散特性阶跃光纤 以不同入射角进入光纤的光线将经历不同的途径 虽然在输入端同时入射并以相同的速度传播 但到达光纤输出端的时间却不同 出现了时间上的分散 导致脉冲严重展宽 模间色散 所有 大于临界角 C的光线都被限制在纤芯内 jingqilu 光纤的传输特性 光纤的色散特性渐变光纤渐变光纤的芯区折射率不是一个常数 从芯区中心的最大值逐渐降低到包层的最小值 光线以正弦振荡形式向前传播 入射角大的光线路径长 由于折射率的变化 光速在沿路径变化 虽然沿光纤轴线传输路径最短 但轴线上折射率最大 光传播最慢 通过合理设计折射率分布 使光线同时到达输出端 降

13、低模间色散 jingqilu 光纤的传输特性 光纤的色散特性光纤传播的信号波形发生畸变的一种物理现象 表现为使光脉冲宽度展宽 光脉冲变宽后有可能使到达接收端的前后两个脉冲无法分辨 因此脉冲加宽就会限制传送数据的速率 从而限制了通信容量 光纤色散主要有材料色散 波导色散和模间色散三种色散效应 材料色散和波导色散随波长的变化呈相反的变化趋势 因此总会存在着两种色散大小相等符号相反的波长区 即总色散为0或很小的区域 1 55 m零色散单模光纤即根据此原理制成 jingqilu 3 3光纤 光纤通信是以光纤为传输媒质来传递信息的 光纤的传输原理与圆形介质波导十分相似 描述光纤传输特性的主要有损耗和色散 光纤的损耗影响了传输距离 而光纤的色散影响了传输带宽和通信容量 常用光纤的损耗与用途 jingqilu 本章小结与要求 掌握微带集成传输线的特点掌握带状线 微带线的结构 它们中传输的模式及其场分布 了解它们的主要传输特性 了解光纤的基本原理和结构