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1、XIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITY厦门大学信息科学与技术学院微波集成传输线与介质波导微波集成传输线与介质波导1 带状线2 微带线3 光纤及其传输特性XIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITY厦门大学信息科学与技术学院上世纪五十年代初以前，所有的微波设备几乎都采用金属波
2、导和同轴电路。随着航空和航天技术的发展，要求微波技术和系统做到小型、轻量和性能可靠。首当其冲的问题是要有新的导行系统，且应为平面型，使微波电路和系统能集成化。五十年代初出现了第一代微波印制传输线带状线，随着后来芯片型式微波固体器件的发展，要求有适合其输入输出连接的导行系统，于是六十年代便出现了第二代微波印制传输线微带线。随后有相继出现了线、槽线、共面波导和共面带状线等平面型微波集成传输线。平面型传输线的特点是体积小、重量轻、价格低廉、可靠性高、性能优越、功能的可复制性好等，且适宜与微波固体芯片器件配合使用，便于集成。XIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAME
3、N UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITY厦门大学信息科学与技术学院1 带状线XIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITY厦门大学信息科学与技术学院带状线可看作由同轴线演变而来，属双导体类传输线，基模为TEM波，高次模为TE、TM波。线上电压、电流有明确定义。可用传输线概念描述带状线的特性。其分布参数为R1 、G1、L1、C1。XIAMEN UNIVER
4、SITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITY厦门大学信息科学与技术学院btzyxWa1. 带状线的传输特性设带状线的传输常数为，其中、分别为衰减系数及相位常数。在工作频率满足条件，XIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITY厦门大学信息科学与技术学院因此可得，XIAMEN UNIVERSITYXIAMEN
5、 UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITY厦门大学信息科学与技术学院2. 特性阻抗带状线的特性阻抗可由单位长度电容来求得,即 带状线单位长度电容可通过保角变换解Laplace方程得到。但也可通过下面简单近似公式计算得到。XIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITY厦门大学信息科学与技术学院如图，忽略中心导体带厚度，边缘场影
6、响使中心导体宽度加宽，变为 ，We是考虑边缘场后中心导体带的等效宽度,则根据平板电容器计算公式，上下导体等效为并联电容，XIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITY厦门大学信息科学与技术学院因此，在中心导体厚度为0近似下上式精度约为1%。XIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSIT
7、Y厦门大学信息科学与技术学院带状线的设计是给定Z0、r、b，求中心导体带宽W（不考虑导体厚度）。综合上式可得： 考虑导体厚度时Z0与W/b的关系可由图4.1-2曲线确定，或在给定Z0、r、b情况下，由图求出导体带宽度W。XIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITY厦门大学信息科学与技术学院XIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN
8、UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITY厦门大学信息科学与技术学院3. 衰减常数 =c +d XIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITY厦门大学信息科学与技术学院带状线最高工作频率一般为： 式中W、b单位取cm。XIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITY厦门大学
9、信息科学与技术学院2 微带线XIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITY厦门大学信息科学与技术学院yzxrW h 微带线是目前混合微波集成电路和单片微波集成电路用得最多的一种平面型传输线。由于它可用光刻等集成工艺制作，便于系统的集成化。介质基片的种类：99.5%氧化铝陶瓷（r=9.510，tg=0.0003）聚四氟乙烯（r=2.1，tg=0.0004）聚四氟乙烯玻璃纤维板（r=2.55，tg=0.008）砷化镓（r=13，tg=0.00
10、6）（单片集成用） XIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITY厦门大学信息科学与技术学院因为电磁波在介质中相速为，而空气中为c，微带线中不可能传输纯TEM模。可用准TEM近似微带线的传输特性。分析方法有准静态法、色散模型法、全波分析法。主要介绍简单实用的准静态法。 XIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYX
11、IAMEN UNIVERSITY厦门大学信息科学与技术学院1. 微带线准TEM模特性 引入有效介电常数e概念，将微带线等效为e均匀填充的传输线，则 其中Ca1、Za0是空气填充时的单位长度电容和特性阻抗。通常1er。为此微带线问题的求解化为空气填充微带线Za0与e的确定问题。 XIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITY厦门大学信息科学与技术学院Za0的精确求解可从保角变换得到。均匀介质填充时Z0的近似公式是，以上公式在0.05W/h2
12、0，r1近似下， d=(tg/2)qe， q为填充系数XIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITY厦门大学信息科学与技术学院3. 微带线色散特性及尺寸限制 H y x h 实际使用时微带线的Z0、e与频率有关，存在色散现象。最高工作频率按下式估算 ,XIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNI
13、VERSITY厦门大学信息科学与技术学院为抑制高次模，微带线的尺寸应选择, 金属屏蔽盒高度 H(56)h，接地板宽度 a(56)W。 XIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITY厦门大学信息科学与技术学院3 光纤及其传输特性XIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITY厦门大学信息
14、科学与技术学院激光新光源：频率和相位都很稳定的相干光。爱因斯坦：受激辐射思想梅曼(T.H.Maiman)：1960年，红宝石激光器1962年,半导体激光器。XIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITY厦门大学信息科学与技术学院纤维光学的发展光纤:介质波导,工作波长0.751.55m高锟的理论与实验研究工作美国康宁玻璃公司的卡普隆(Kapron)、梅尼尔(Maurer)和克格(Keck)于1970年研制出传输损耗仅为20 dB/km的光纤
15、。XIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITY厦门大学信息科学与技术学院光纤具有频带宽、损耗低、重量轻、传输容量大、保密性好、不受电磁干扰、材料来源丰富等许多优点，适用于大容量信息传输。目前，用激光器和光纤组成的新型传输系统正在发展成为划时代的信息传输手段，应用领域十分广泛。光通信，即光纤通信的实现是二十世纪科技领域中最卓越的成就之一。XIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITY
16、XIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITY厦门大学信息科学与技术学院1. 光纤的种类和结构 光纤的结构芯径2a，外径 d=125mXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITY厦门大学信息科学与技术学院XIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAME
17、N UNIVERSITY厦门大学信息科学与技术学院多模及单模光纤的折射率剖面XIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITY厦门大学信息科学与技术学院单模：8 10m多模：50m125mXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITY厦门大学信息科学与技术学院2. 光纤传输特性的波动分析
18、 Maxwell方程XIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITY厦门大学信息科学与技术学院将场横向纵向分量分开：代入Maxwell方程XIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITY厦门大学信息科学与技术学院可得矢量及标量Helmholtz方程XIAMEN UNIVERSITYXIA
19、MEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITY厦门大学信息科学与技术学院考虑阶跃型折射率光纤，芯区、包层的折射率均为常数。这时场的纵向分量在芯区及包层分别满足如下标量方程：考虑圆对称性，由f方向的自然边界条件，可将Ez(r,)写为 XIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITY厦门大学信息科学与技术学院其中为整数，F(r)
20、为场沿径向的分布函数。将上式代入Ez满足的方程，得上式为标准贝塞尔Bessel方程，解包括J(r), N(r), H(1)(r), H(2)(r), I(r), K(r) 。XIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITY厦门大学信息科学与技术学院V为归一化频率，为相对折射率差 XIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERS
21、ITYXIAMEN UNIVERSITY厦门大学信息科学与技术学院定义数值孔径场的纵向分量在芯区和包层中的解为， XIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITY厦门大学信息科学与技术学院由场的纵横关系，可得场的所有横向分量（略）。XIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITY厦门大学
22、信息科学与技术学院由场在芯、包边界切向分量的连续性条件，有 XIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITY厦门大学信息科学与技术学院由A，B，C，D系数行列式为零，得如下形式的本征值方程 XIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITY厦门大学信息科学与技术学院或 表示J(U)或K(W
23、)对U或W的导数。v0时光纤中不能存在TE或TM波。XIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITY厦门大学信息科学与技术学院在弱导近似弱导近似（ 1 2）下下，上式可简化为， 得：(v0)EH模HE模XIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITY厦门大学信息科学与技术学院0TE0, TM0, =1,2,3 0HE, EH , , =1,2,3 其中为本征值方程根的序号。 XIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITY厦门大学信息科学与技术学院XIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITYXIAMEN UNIVERSITY厦门大学信息科学与技术学院
