1、第第2 2章章 传输线理论传输线理论 第第2 2章章 传输线理论传输线理论 2.1 2.1 集总参数元件的射频特性集总参数元件的射频特性2.2 2.2 射频射频/微波电路设计中微波电路设计中Q Q值的概念值的概念2.3 2.3 传输线基本理论传输线基本理论2.4 2.4 无耗传输线的工作状态无耗传输线的工作状态2.5 2.5 有耗传输线的工作状态有耗传输线的工作状态2.6 2.6 史密斯圆图史密斯圆图2.7 2.7 微带线的理论和设计微带线的理论和设计2.8 2.8 波导和同轴传输线简介波导和同轴传输线简介1第第2 2章章 传输线理论传输线理论 2.1 2.1 集总参数元件的射频特性集总参数元
2、件的射频特性 2.1.1 金属导线在直流和低频领域,一般认为金属导线就是一根连接线,不存在电阻、电感和电容等寄生参数。实际上,在低频情况下,这些寄生参数很小,可以忽略不计。当工作频率进入射频/微波范围内时,情况就大不相同。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,必须仔细考虑,谨慎设计,才能得到良好的结果。下面研究金属导线电阻的变化规律。2第第2 2章章 传输线理论传输线理论 设圆柱状直导线的半径为a,长度为l,材料的电导率为,则其直流电阻可表示为 对于直流信号来说,可以认为导线的全部横截面都可以用来传输电流,或者电流充满在整个导线横截面
3、上,其电流密度可表示为2alRdc（2-1）20aIJz（2-2）3第第2 2章章 传输线理论传输线理论 但是在交流状态下,由于交流电流会产生磁场,根据法拉第电磁感应定律,此磁场又会产生电场,与此电场联系的感生电流密度的方向将会与原始电流相反。这种效应在导线的中心部位(即r=0位置)最强,造成了在r=0附近的电阻显著增加,因而电流将趋向于在导线外表面附近流动,这种现象将随着频率的升高而加剧,这就是通常所说的“集肤效应”。进一步研究表明，在射频（f500MHz）范围此导线相对于直流状态的电阻和电感可分别表示为22aRLaRRdcdc（2-3a）（2-3b）4第第2 2章章 传输线理论传输线理论
4、式中 =(f)-1/2（2-4）定义为“集肤深度”。式（2-3）一般在a条件下成立。从式（2-4）可以看出,集肤深度与频率之间满足平方反比关系,随着频率的升高,集肤深度是按平方率减小的。交流状态下沿导线轴向的电流密度可以表示为)()(210paJprJapIJz（2-5）5第第2 2章章 传输线理论传输线理论 式中,p2=-j,J0(pr)和J1(pa)分别为0阶和1阶贝塞尔函数,I是导线中的总电流。图2-1表示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。图2-2表示半径a=1 mm的铜导线在不同频率下的Jz/Jz0相对于r的曲线。6第第2 2章章 传输线理论传输线理论 图 2-1 交
5、流状态下铜导线横截面电流密度对直流情况的归一化值7第第2 2章章 传输线理论传输线理论 图2-2 半径a=1mm的铜导线在不同频率下的Jz/Jz0相对于r的曲线 21.81.61.41.210.80.60.40.2000.11 kHz0.30.40.50.60.70.80.9110 kHz100 kHz1 MHz100 MHz1 GHz10 MHzr/mmJz/Jz00.28第第2 2章章 传输线理论传输线理论 由图2-2可以看出,在频率达到1MHz左右时,就已经出现比较严重的集肤效应,当频率达到 1GHz时电流几乎仅在导线表面流动而不能深入导线中心,也就是说金属导线的中心部位电阻极大。金属导
6、线本身就具有一定的电感量,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、工作频率有关。工程中要谨慎设计,合理使用金属导线的电感。金属导线可以看作一个电极,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/微波电路的工作性能也会有较大的影响。对导线寄生电容的考虑是射频/微波工程设计的一项主要任务。9第第2 2章章 传输线理论传输线理论 金属导线的电阻、电感和电容是射频/微波电路的基本单元。工程中,严格计算这些参数是没有必要的,关键是掌握存在这些参数的物理概念,合理地使用或回避,实现电路模块的功能指标。2.1.2 电阻电阻是在电子线路中最常用的基础元件之一,基
7、本功能是将电能转换成热产生电压降。电子电路中,一个或多个电阻可构成降压或分压电路用于器件的直流偏置,也可用作直流或射频电路的负载电阻完成某些特定功能。通常,主要有以下几种类型电阻：10第第2 2章章 传输线理论传输线理论 高密度碳介质合成电阻、镍或其他材料的线绕电阻、温度稳定材料的金属膜电阻和铝或铍基材料薄膜片电阻。这些电阻的应用场合与它们的构成材料、结构尺寸、成本价格、电气性能有关。在射频/微波电子电路中使用最多的是薄膜片电阻,一般使用表 面贴装元件（SMD）。单片微波集成电路中使用的电阻有三类：半导体电阻、沉积金属膜电阻以及金属和介质的混合物。11第第2 2章章 传输线理论传输线理论 物质
8、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,物质的体电阻与电导率和物质的体积LWH有关(如图2-3所示),即 定义薄片电阻 ,则 （2-6b）当电阻厚度一定时,电阻值与长宽比成正比。WHLR(2-6a)HRh1WLRRh12第第2 2章章 传输线理论传输线理论 LWH图2-3 物质的体电阻13第第2 2章章 传输线理论传输线理论 在射频应用中,电阻的等效电路比较复杂,不仅具有阻值,还会有引线电感和线间寄生电容,其性质将不再是纯电阻,而是“阻”与“抗”兼有,具体等效电路如图2-4所示。图中Ca表示电荷分离效应,也就是电阻引脚的极板间等效电容；Cb表示引线间电容;L为引线电感。对于线绕
9、电阻,其等效电路还要考虑线绕部分造成的电感量L1和绕线间的电容C1,引线间电容Cb与内部的绕线电容相比一般较小,可以忽略,等效电路如图2-5所示。14第第2 2章章 传输线理论传输线理论 图2-4 电阻的等效电路 RCaLLCb15第第2 2章章 传输线理论传输线理论 图 2-5 线绕电阻的等效电路 RC1L2L2C2L116第第2 2章章 传输线理论传输线理论 以500金属膜电阻为例(等效电路见图2-4),设两端的引线长度各为2.5cm,引线半径为0.2032mm,材料为铜,已知Ca为5pF,根据式（2-3）计算引线电感,并求出图2-4等效电路的总阻抗对频率的变化曲线,如图2-6所示。17第
10、第2 2章章 传输线理论传输线理论 图2-6 电阻的阻抗绝对值与频率的关系103102101100101102103106107108109101010111012理想电阻电容效应电感效应f/Hz|Z|/18第第2 2章章 传输线理论传输线理论 从图2-6中可以看出,在低频率下阻抗即等于电阻R,而随着频率的升高达到 10MHz以上,电容a的影响开始占优,导致总阻抗降低；当频率达到20GHz左右时,出现了并联谐振点；越过谐振点后,引线电感的影响开始表现出来,阻抗又加大并逐渐表现为开路或有限阻抗值。这一结果说明,看似与频率无关的电阻器,用于射频/微波波段将不再仅是一个电阻器,应用中应特别加以注意。
11、电阻的基本结构为图2-3所示长方体。在微波集成电路中,为了优化电路结构和某些寄生参数,会用到曲边矩形电阻。19第第2 2章章 传输线理论传输线理论 2.1.3 电容在低频率下,电容器一般都可以看成是平行板结构,其极板的尺寸要远大于极板间距离，电容量定义为式中,A是极板面积,d表示极板间距离,=0r为极板为填充介质的介电常数。理想状态下,极板间介质中没有电流。在射频/微波频率下,实际的介质并非理想介质，故在介质内部存在传导电流,也就存在传导电流引起的损耗,更重要的是介质中的带电粒子具有一定的质量和惯性,在电磁场的作用下,很难随之同步振荡,在时间上有滞后现象,也会引起对能量的损。dAdACr020
12、第第2 2章章 传输线理论传输线理论 所以电容器的阻抗由电导Ge和电纳C并联组成,即式中,电流起因于电导,其中,d是介质的电导率。在射频/微波应用中,还要考虑引线电感L以及引线导体损耗的串联电阻Rs和介质损耗电阻Re,故电容器的等效电路如图2-7所示。CjGZe1（2-8）dAGde（2-9）21第第2 2章章 传输线理论传输线理论 图2-7 射频电容的等效电路 CLReRg22第第2 2章章 传输线理论传输线理论 例如,一个47pF 的电容器,假设其极板间填充介质为Al2O3,损耗角正切为10-4（假定与频率无关）,引线长度为1.25cm,半径为0.2032mm，可以得到其等效电路的频率响应
13、曲线如图2-8所示。23第第2 2章章 传输线理论传输线理论 图2-8 电容阻抗的绝对值与频率的关系1021011f/Hz|Z|/1011001011021091010108理想电容实际电容24第第2 2章章 传输线理论传输线理论 从图2-8中可以看出,其特性在高频段已经偏离理想电容很多,可以设想在真实情况下损耗角正切本身还是频率的函数时,其特性变异将更严重。2.1.4 电感在电子线路中常用的电感器一般是线圈结构,在高频率下也称为高频扼流圈。它的结构一般是用直导线沿柱状结构缠绕而成,如图2-9所示。25第第2 2章章 传输线理论传输线理论 图2-9 在电感线圈中的分布电容和串联电阻RdCdRd
14、26第第2 2章章 传输线理论传输线理论 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 （2-10）式中,r为螺线管半径,N为圈数,l为螺线管长度。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,电感的等效电路图如图2-10 所示。lNrL20227第第2 2章章 传输线理论传输线理论 图2-10 高频电感的等效电路LRsCs28第第2 2章章 传输线理论传输线理论 例如,一个N=3.5的铜电感线圈,线圈半径为1.27 mm,线圈长度为1.27 mm,导线半径为63.5 m。假设它可以看做一细长螺线管,根据式（2-10）可求出其电感部分为 L=61
15、.4nH。其电容Cs可以看做平板电容产生的电容,极板间距离假设为两圈螺线间距离d=l/N=3.610-4mm,极板面积A=2alwire=2a(2rN),lwire为绕成线圈的导线总长度,根据式（2-7）可求得Cs=0.087 pF。导线的自身阻抗由式（2-1）可求得,即0.034。于是可得图2-10所示等效电路对应的阻抗频率特性曲线如图2-11所示。29第第2 2章章 传输线理论传输线理论 图2-11 电感阻抗的绝对值与频率的关系f/Hz|Z|/1051010理想电感1041031021011081091011实际电感30第第2 2章章 传输线理论传输线理论 由图2-11中可以看出,这一铜电
16、感线圈的高频特性已经完全不同于理想电感,在谐振点之前其阻抗升高很快,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渐减小。31第第2 2章章 传输线理论传输线理论 2.2 2.2 射频射频/微波电路设计中微波电路设计中Q Q值的概念值的概念品质因素Q表示一个元件的储能和耗能之间的关系,即 从上节中元件的等效电路图可以看出,金属导线、电阻、电容和电感的等效电路中均包含储能元件和耗能元件,其中电容、电感代表储能元件,电阻代表耗能元件。由两者的比值关系可以看出,元件的耗能越小,Q值越高。当元件的损耗趋于无穷小,即Q值无限大时,电路越接近于理想电路。在某些射频/微波电路设计中,Q值概念
17、清晰,计算方便。元件耗能元件的储能Q32第第2 2章章 传输线理论传输线理论 2.3 2.3 传输线基本理论传输线基本理论 在射频/微波频段,工作波长与导线尺寸处在同一量级。在传输线上传输波的电压、电流信号是时间及传输距离的函数。一条单位长度传输线的等效电路可由R、L、G、C等四个元件组成,如图2-12所示。33第第2 2章章 传输线理论传输线理论 图2-12 单位长度传输线的等效电路源LRCG负载34第第2 2章章 传输线理论传输线理论 假设波的传播方向为z轴方向,由基尔霍夫电压及电流定律可得下列传输线方程式:此两个方程式的解可写成U(z)=U+e-z+U-ezI(z)=I+e-z-I-ez
18、 0)()()()()(0)()()()()(222222zILGRCjzILCRGdzzIdzULGRCjzULCRGdzzUd(2-11)(2-12)35第第2 2章章 传输线理论传输线理论 式中U+、I+、I分别是信号的电压及电流振幅常数,而+、分别表示沿+z、z 轴的传输方向,是传输系数,定义为 波在z上任一点的总电压及总电流的关系可由下列方程表示：jCjGLjR)(2-13)UCjGdzdIILjRdzdU)()(2-14)36第第2 2章章 传输线理论传输线理论 将式（2-12）代入式（2-14）,可得一般地,将上式定义为传输线的特性阻抗Z0,即当R=G=0时,传输线没有损耗,无耗
19、传输线的传输系数及特性阻抗Z0分别为 CjGIUCjGLjRCjGIUIUZ0CLZLCjj037第第2 2章章 传输线理论传输线理论 此时,传输系数为纯虚数。大多数的射频传输线损耗都很小,亦即RL且G0）变换到反射系数为1的单位圆（|=1）内。已知一点的阻抗或反射系数,用史密斯圆图能方便地算出另一点的归一化阻抗值和对应的反射系数。史密斯圆图概念清晰,使用方便,广泛用于阻抗匹配电路的设计中。随着近年来电子版圆图的普及,使得史密斯圆图得到了大量应用。46第第2 2章章 传输线理论传输线理论 由前节知识可得出222222222222011111112111111xxrrrrrjezzjxrZZzi
20、riririiririrLjLLLLLL(2-27)(2-28)(2-29)47第第2 2章章 传输线理论传输线理论 由式(2-28)和式(2-29)可得等电阻圆和等电抗圆,如图2-14和图2-15所示。将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方便地读出。它概念清晰,使用简单,在射频/微波工程中得到了广泛的应用。依同样的方法,也可得出导纳圆图。48第第2 2章章 传输线理论传输线理论 么么么么方面么么么么方面Sds绝对是假的第第2 2章章 传输线理论传输线理论 图 2-14 等电阻圆 10421.20.90.60.30.1050第第2 2章章 传输线理论传输
21、线理论 图 2-15 等电抗圆 0.51031.20.80.30.100.10.30.50.81.2310容抗感抗51第第2 2章章 传输线理论传输线理论 2.7 2.7 微带线的理论和设计微带线的理论和设计 2.7.1 各种传输线介绍常见的传输线有同轴线、微带线、带状线、矩形波导、圆波导等,如图2-16所示。前述传输线理论、工作状态分析、圆图计算方法都可用于这些不同形式的传输线。由于材料和结构的不同,每种传输线的传播常数不同。所以,传播常数的计算是各种传输线研究的核心内容。52第第2 2章章 传输线理论传输线理论 图 2-16 常用射频/微波传输线同轴线微带线带状线共面波导缝隙线悬置微带线矩
22、形波导圆波导鳍线介质波导53第第2 2章章 传输线理论传输线理论 2.7.2 微带线微带线是一种准TEM波传输线,结构简单,计算复杂。由于各种设计公式都有一定的近似条件,因而很难得到一个理想的设计结果,但都能够得到比较满意的工程效果。加上实验修正,便于器件的安装和电路调试,产品化程度高,使得微带线已成为射频/微波电路中首选的电路结构。目前,微带传输线可分为两大类：一类是射频/微波信号传输类的电子产品,这一类产品与无线电的电磁波有关,它是以正弦波来传输信号的,如雷达、广播电视和通信；另一类是高速逻辑信号传输类的电子产品,这一类产品是以数字信号传输的,同样也与电磁波的方波传输有关,这一类产品开始主
23、要应用在计算机等中,现在已迅速推广应用到家电和通信类电子产品上了。54第第2 2章章 传输线理论传输线理论 1.微带线基本设计参数微带线横截面的结构如图2-17所示。相关设计参数如下:(1)基板参数:基板介电常数r、基板介质损耗角正切tan、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0、波导波长g和电长度（角度）。（3）微带线参数：宽度W、长度L和单位长度衰减量AdB。55第第2 2章章 传输线理论传输线理论 图 2-17 微带线的横截面结构示意图xyrr导体1Wht介质材料导体2O56第第2 2章章 传输线
24、理论传输线理论 构成微带的基板材料、微带线尺寸与微带线的电性能参数之间存在严格的对应关系。微带线的设计就是确定满足一定电性能参数的微带物理结构。相关计算公式如下。2.综合公式已知传输线的电特性参数（Z0、）,求微带线的物理结构参数（W、L、AdB）。57第第2 2章章 传输线理论传输线理论 解:其中：dcgeeeaaALthtwtwtwW2)2ln(1)4ln(1 517.0293.0)1ln(1)12ln()1(2)418(1rrrHHedddheehw高阻 Z044-2r 低阻 Z044-2r 58第第2 2章章 传输线理论传输线理论 rrrercreerrdegZdHZffafca020
25、000095.59)4ln12(ln11219.119)1(22110ln2000tan1173.259第第2 2章章 传输线理论传输线理论 3.分析公式已知微带线的物理结构参数（W、L、AdB）,求电特性参数（Z0、）。60第第2 2章章 传输线理论传输线理论 解:)101(2121)4ln12(ln11211212)4ln12(ln)1(21)244ln()1(29.1199.02ln2ln21216ln4ln229.11921220errrrrregrrrrrrrwhHpWhWhhWeehWZ 宽带 W3.3h 窄带 W3.3h 高阻Z044-2r 低阻Z044-2r 61第第2 2章章
26、 传输线理论传输线理论 4.微带线的设计方法由上述综合公式和分析公式可以看出：计算公式极为复杂。每一个电路的设计都使用一次这些公式是不现实的。经过几十年的发展,使得这一过程变得相当简单。微带线设计问题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。早期微波工作者针对不同介质基板,计算出了物理结构参数与电性能参数之间的对应关系,建立了详细的数据表格。这种表格的用法步骤是：按相对介电常数选表格；查阻抗值、宽高比W/h、有效介电常数e三者的对应关系,只要已知一个值,其他两个就可查出；计算,通常h已知,则W可得,由e求出波导波长,进而求出微带线长度。62第第
27、2 2章章 传输线理论传输线理论 （2）用软件。许多公司已开发出了很好的计算微带电路的软件。如AWR的Microwave Office,输入微带的物理参数和拓扑结构,就能很快得到微带线的电性能参数,并可调整或优化微带线的物理参数。数学计算软件Mathcad11具有很强的功能。只要写入数学公式,就能完成计算任务。63第第2 2章章 传输线理论传输线理论 5.微带线常用材料如前所述,构成微带线的材料就是金属和介质,对金属的要求是导电性能,对介质的要求是提供合适的介电常数,而不带来损耗。当然,这是理想情况,对材料的要求还与制造成本和系统性能有关。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
28、布、聚四氟乙烯、其他热固性树脂等。表2-1给出了微波集成电路中常用介质材料的特性。就微带加工工艺而言,这些材料有两种实现方式：(1)在基片上沉淀金属导带,这类材料主要是陶瓷类刚性材料。这种方法工艺复杂,加工周期长,性能指标好,在毫米波或要求高的场合使用。64第第2 2章章 传输线理论传输线理论 (2)在现成介质覆铜板上光刻腐蚀成印制板电路,这类材料主要是复合介质类材料。这种方法加工方便,成本低,是目前使用最广泛的方法,又称微波印制板电路。65第第2 2章章 传输线理论传输线理论 表2-1 微波集成电路中常用介质材料的特性66第第2 2章章 传输线理论传输线理论 表2-2 覆铜板基材的国内外主要
29、生产厂家 67第第2 2章章 传输线理论传输线理论 2）铜箔种类及厚度选择 目前最常用的铜箔厚度有35 m和18 m两种。铜箔越薄,越易获得高的图形精密度,所以高精密度的微波图形应选用不大于18 m的铜箔。如果选用35 m的铜箔,则过高的图形精度使工艺性变差,不合格品率必然增加。研究表明,铜箔类型对图形精度亦有影响。目前的铜箔类型有压延铜箔和电解铜箔两类。压延铜箔较电解铜箔更适合于制造高精密图形,所以在材料订货时,可以考虑选择压延铜箔的基材板。68第第2 2章章 传输线理论传输线理论 3）环境适应性选择 现有的微波基材,对于标准要求的55125环境温度范围都没有问题。但还应考虑两点,一是孔化与
30、否对基材选择的影响,对于要求通孔金属化的微波板,基材z轴热膨胀系数越大,意味着在高低温冲击下,金属化孔断裂的可能性越大,因而在满足介电性能的前提下,应尽可能选择z轴热膨胀系数小的基材；二是湿度对基材板选择的影响,基材树脂本身吸水性很小,但加入增强材料后,其整体的吸水性增大,在高湿环境下使用时会对介电性能产生影响,因而选材时应选择吸水性小的基材或采取结构工艺上的措施进行保护。69第第2 2章章 传输线理论传输线理论 6.微带线加工工艺1)外形设计和加工现代微带电路板的外形越来越复杂,尺寸精度要求高,同品种的生产数量很大,必须要应用数控铣加工技术。因而在进行微波板设计时应充分考虑到数控加工的特点,
31、所有加工处的内角都应设计成为圆角,以便于一次加工成形。微波板的结构设计也不应追求过高的精度,因为非金属材料的尺寸变形倾向较大,不能以金属零件的加工精度来要求微波板。外形的高精度要求,在很大程度上可能是因为顾及到了在微带线与外形相接的情况下,外形偏差会影响微带线长度,从而影响微波性能。实际上,参照国外的规范设计,微带线端距板边应保留0.2 mm的空隙,这样即可避免外形加工偏差的影响。70第第2 2章章 传输线理论传输线理论 随着设计要求的不断提升,一些微波印制板基材带有铝衬板。此类带有铝衬基材的出现给制造加工带来了额外的压力,图形制作过程复杂,外形加工复杂,生产周期加长,因而在可用可不用的情况下
32、,尽量不采用带铝衬板的基材。ROGERS公司的TMM系列微波印制板基材,是由陶瓷粉填充的热固性树脂构成的。其中,TMM10基材中填充的陶瓷粉较多,性能较脆,给图形制造和外形加工过程带来很大难度,容易缺损或形成内在裂纹,成品率相对较低。目前对TMM10板材外形加工采用的是激光切割的方法,成本高,效率低,生产周期长。所以,在可能的情况下,可考虑优先选择ROGERS公司符合介电性能要求的RT/Duroid系列基材板。71第第2 2章章 传输线理论传输线理论 2)电路的设计与加工微波印制板的制造由于受微波印制板制造层数、微波印制板原材料的特性、金属化孔制造需求、最终表面涂覆方式、线路设计特点、制造线路
33、精度要求、制造设备及药水先进性等诸方面因素的制约,其制造工艺流程将根据具体要求作相应的调整。电镀镍金工艺流程被细分为电镀镍金的阳版工艺流程和电镀镍金的阴版工艺流程。工艺说明如下:（1）线路图形互连时,可选用图形电镀镍金的阴版工艺流程。（2）为提高微波印制板的制造合格率,尽量采用图形电镀镍金的阴版工艺流程。如果采用图形电镀镍金的阳版工艺流程,若操作控制不当,会出现渗镀镍金的质量问题。72第第2 2章章 传输线理论传输线理论 （3）ROGERS公司牌号为RT/Duroid 6010基材的微波板,由于蚀刻后的图形电镀时,会出现线条边缘“长毛”现象,导致产品报废,因此须采用图形电镀镍金的阳版工艺流程。
34、（4）当线路制造精度要求为0.02 mm以内时,各流程之相应处须采用湿膜制板工艺方法。（5）当线路制造精度要求为0.03 mm以上时,各流程之相应处可采用干膜（或湿膜）制板工艺方法。73第第2 2章章 传输线理论传输线理论 （6）对于四氟介质微波板,如ROGERS公司的R T/D u r o i d 5 8 8 0、R T/D u r o i d 5 8 7 0、ULTRALAM2000、RT/Duroid 6010等,在进行孔金属化制造时,可采用钠萘溶液或等离子进行处理。而TMM10、TMM10i和RO4003、RO4350等则无需进行活化前处理。微波印制板的制造正向着FR-4普通刚性印制板
35、的加工方向发展,越来越多的刚性印制板制造工艺和技术运用到微波印制板的加工上来,具体表现在微波印制板制造的多层化、线路制造精度的细微化、数控加工的三维化和表面涂覆的多样化。74第第2 2章章 传输线理论传输线理论 此外,随着微波印制板基材种类的进一步增多、设计要求的不断提升,要求我们进一步优化现有微波印制板制造工艺,满足不断增长的微波印制板制造需求。7.微带线工程的发展趋势微波印制板电路是微波系统小型化的关键,因此有必要了解目前状况和发展趋势。75第第2 2章章 传输线理论传输线理论 （1）设计要求高精度。微波印制板的图形制造精度将会逐步提高,但受印制板制造工艺方法本身的限制,这种精度提高不可能
36、是无限制的,到一定程度后会进入稳定阶段。而微波板的设计内容将会有很大程度的丰富。从种类上看,将不仅会有单面板、双面板,还会有微波多层板。对微波板的接地会提出更高要求,如普遍解决聚四氟乙烯基板的孔金属化,解决带铝衬底微波板的接地。76第第2 2章章 传输线理论传输线理论 （2）实现计算机控制。传统的微波印制板生产中极少应用到计算机技术,但随着CAD技术在设计中的广泛应用,以及微波印制板的高精度、大批量,在微波印制板制造中大量应用计算机技术已成为必然的选择。高精度的微波印制板模版设计制造,外形的数控加工,以及高精度微波印制板的批生产检验,已经离不开计算机技术。因此,需将微波印制板的CAD与CAM、
37、CAT连接起来,通过对CAD设计的数据处理和工艺干预,生成相应的数控加工文件和数控检测文件,用于微波印制板生产的工序控制、工序检验和成品检验。77第第2 2章章 传输线理论传输线理论 (3)高精度图形制造。微波印制板的高精度图形制造,与传统的刚性印制板相比,向着更专业化的方向发展,包括高精度模版制造、高精度图形转移、高精度图形蚀刻等相关工序的生产及过程控制技术,还包含合理的制造工艺路线安排。针对不同的设计要求,如孔金属化与否、表面镀覆种类等制定合理的制造工艺方法,经过大量的工艺实验,优化各相关工序的工艺参数,并确定各工序的工艺余量。78第第2 2章章 传输线理论传输线理论 (4)表面镀覆多样化
38、。随着微波印制板应用范围的扩大,其使用的环境条件也复杂化,同时由于大量应用铝衬底基材,因而对微波印制板的表面镀覆及保护,在原有化学沉银及镀锡铈合金的基础上，提出了更高的要求。一是微带图形表面的镀覆及防护,需满足微波器件的焊接要求,采用电镀镍金的工艺技术,保证在恶劣环境下微带图形不被损坏。这其中除微带图形表面的可焊性镀层外,最主要的是应解决既有效防护又不影响微波性能的三防保护技术。79第第2 2章章 传输线理论传输线理论 二是铝衬板的防护及镀覆技术。铝衬板如不加防护,暴露在潮湿、盐雾环境中很快就会被腐蚀,因而随着铝衬板被大量应用,其防护技术应引起足够重视。另外要研究解决铝板的电镀技术,在铝衬板表
39、面电镀银、锡等金属用于微波器件焊接或其他特殊用途的需求在逐步增多,这不仅涉及铝板的电镀技术,同时还存在微带图形的保护问题。80第第2 2章章 传输线理论传输线理论 (5)数控外形加工。微波印制板的外形加工,特别是带铝衬板的微波印制板的三维外形加工,是微波印制板批生产需要重点解决的一项技术。面对成千上万件的带有铝衬板的微波印制板,用传统的外形加工方法既不能保证制造精度和一致性,更无法保证生产周期,而必须采用先进的计算机控制数控加工技术。但带铝衬板微波印制板的外形加工技术既不同于金属材料加工,也不同于非金属材料加工。由于金属材料和非金属材料共同存在,它的加工刀具、加工参数等以及加工机床都具有极大的
40、特殊性,也有大量的技术问题需要解决。外形加工工序是微波印制板制造过程中周期最长的一道工序,因而外形加工技术解决的好坏直接关系到整个微波印制板的加工周期长短,并影响到产品的研制或生产周期。81第第2 2章章 传输线理论传输线理论 (6)批生产检验。微波印制板与普通的单双面板和多层板不同,不仅起着结构件、连接件的作用,更重要的是作为信号传输线的作用。这就是说,对高频信号和高速数字信号的传输用微波印制板的电气测试,不仅要测量线路（或网络）的“通断”和“短路”等是否符合要求,而且还应测量特性阻抗值是否在规定的合格范围内。高精度微波印制板有大量的数据需要检验,如图形精度、位置精度、重合精度、镀覆层厚度、
41、外形三维尺寸精度等。现行方法基本是以人工目视检验为主,辅以一些简单的测量工具。这种原始而简单的检验方法很难应对大量拥有成百上千数据的微波印制板批生产要求,不仅检验周期长,而且错漏现象多,因而迫使微波印制板制造向着批生产检验设备化的方向发展。82第第2 2章章 传输线理论传输线理论 8.微带线计算实例已知Z0=75,=30,f0=900 MHz,负载为50,计算无耗传输线的特性：（1）反射系数L,回波损耗RL,电压驻波比VSWR。（2）输入阻抗Zin,输入反射系数in。（3）基板为FR4的微带线宽度W、长度L及单位损耗量AdB。基板参数：基板介电常数r=4.5,损耗角正切tan=0.015,基板
42、高度h=62mil,基板导线金属铜,基板导线厚度t=0.03mm。83第第2 2章章 传输线理论传输线理论 解：5.111 98.13lg20 75507550)1(00LLLLLLLVSWRRZZZZ)60180(002.0 )2058(tantan)2(jjdinLLLineejjZZjZZZZd84第第2 2章章 传输线理论传输线理论 (3)用Microwave Office和Mathcad11都可以计算出微带物理参数如下：W=1.38 mm L=15.54 mm AdB=0.0057 dB/m85第第2 2章章 传输线理论传输线理论 2.8 2.8 波导和同轴传输线简介波导和同轴传输线
43、简介 2.8.1 波导 通常使用的是矩形波导,基本结构尺寸是ab的矩形横截面,长度一般要大于几个波长,如图2-18所示。86第第2 2章章 传输线理论传输线理论 一般情况下,矩形波导传输的H10模,场方程为0)cos()sin()sin()(10)(10)(102yzxztjzztjcyztjcyHEEexaHHexaHakjHexaHakjE87第第2 2章章 传输线理论传输线理论 图 2-18 矩形波导 xybzaO88第第2 2章章 传输线理论传输线理论 电磁场只有三个分量,与y无关,说明三个分量在y方向没有变化。电场在x方向呈正弦分布,在a/2处为最大值,电力线垂直于波导宽边。磁场有x
44、和z两个方向,其中x方向在a/2处最大,z方向在a/2处最小,磁力线呈椭圆面形,与波导宽边面平行。H10模的电磁场沿z方向向g/2内的立体结构就像一个“鸟笼”,如图2-19所示。用波导结构做微波元件,必须搞清楚电磁场结构。89第第2 2章章 传输线理论传输线理论 图 2-19 矩形波导主模H10的电磁场结构 传播方向g/2ba90第第2 2章章 传输线理论传输线理论 波导内传输的是色散波,波导内的波长比自由空间波长大,为波导的尺寸选择原则是,只有主模传输,有足够的功率容量,损耗小,尺寸尽可能小。考虑这些因素,通常取a=0.7 221ag2ab 91第第2 2章章 传输线理论传输线理论 波导尺寸
45、与信号的工作频率有关,可以想象,波导ab一定,所能传输的信号只是一个频率段。为了加工方便,连接规范,国家对波导ab有标准规定,由铜材加工厂生产不同频段的标准波导。在此基础上设计波导元件,截短使用,进行加工和表面处理。表2-3给出了波导标准频段和尺寸。92第第2 2章章 传输线理论传输线理论 表 2-3 波导标准频段和尺寸 93第第2 2章章 传输线理论传输线理论 2.8.2 同轴线同轴线广泛应用于射频和微波低端,同轴线与微带的连接很方便。一般地,同轴线分为三类：刚性同轴线,主要是空气介质的同轴元件和陶瓷类刚性介质的同轴元件,这类元件尺寸比较灵活,由设计而定；软同轴电缆,用于信号传输、系统连接和测试仪器,尺寸有国家统一标准；半刚性电缆,主要是系统连接,尺寸有国家标准,根据实际需要选用。同轴线的尺寸选择原则是,只有主模TEM模传输,有足够的功率容量,损耗小,尺寸尽可能小。尺寸的选择就是决定内导体外半径a和外导体内半径b的值。按照这些条件可归纳不同用途的同轴线尺寸,由表2-4给出。94第第2 2章章 传输线理论传输线理论 表2-4 同轴尺寸选择原则95第第2 2章章 传输线理论传输线理论 对于软同轴电缆和半刚性电缆,其标准国内外厂家均有手册可参阅,这类电缆要和同轴接头配套使用。96
