第2章毫米波傳輸線20140316-鰭線

1、電子科技大學電子工程學院毫米波理論與技術(shù)講義 微帶線是一種非常好傳輸線結(jié)構(gòu)，目前最高頻微帶線是一種非常好傳輸線結(jié)構(gòu)，目前最高頻 率可達率可達110GHz110GHz。但是在毫米波高端仍舊存在問題：。但是在毫米波高端仍舊存在問題： 1. 1.輻射損耗大輻射損耗大，電路中，電路中寄生模耦合明顯增加寄生模耦合明顯增加，電路，電路Q Q值值 降低。降低。 2. 2.強烈的色散效應強烈的色散效應以及隨之而來的高次模傳輸?shù)目赡苄砸约半S之而來的高次模傳輸?shù)目赡苄?必然導致電路穩(wěn)定性下降。必然導致電路穩(wěn)定性下降。 3. 3.把多個電路集成在一起時，為減小電路間的有害耦合把多個電路集成在一起時，為減小電路間的有

2、害耦合 必須采用模式隔離或諧振吸收裝置。必須采用模式隔離或諧振吸收裝置。 2.4鰭線鰭線 1972年，P.J.Meier提出的鰭線（Fishline）: 一種由介質(zhì)片支撐具有薄脊的加脊波導加脊波導， 或者一種帶有金屬鰭的介質(zhì)平板加載波導介質(zhì)平板加載波導。 電子科技大學電子工程學院毫米波理論與技術(shù)講義 2.4鰭線鰭線 （a a）雙側(cè)鰭線；（）雙側(cè)鰭線；（b b）單側(cè)鰭線；（）單側(cè)鰭線；（c c）對極鰭線；）對極鰭線； （d d）單側(cè)絕緣鰭線；（）單側(cè)絕緣鰭線；（e e）雙側(cè)絕緣鰭線）雙側(cè)絕緣鰭線 鰭線橫截面結(jié)構(gòu)示意圖鰭線橫截面結(jié)構(gòu)示意圖 損耗小，最常用損耗小，最常用 隔離鰭線，隔離鰭線， 偏置偏

3、置 低阻低阻 抗電抗電 路使路使 用用 雙面做電路，雙面做電路， 但損耗較大但損耗較大 電子科技大學電子工程學院毫米波理論與技術(shù)講義 鰭線傳播模式 鰭線傳播的不是準鰭線傳播的不是準TEMTEM模，是模，是TETE和和TMTM模系組成的混合模模系組成的混合模。 若以若以TETE模為主，習慣叫模為主，習慣叫HEHE模（磁電模），若以模（磁電模），若以TMTM為主，則為主，則 用用EHEH模（電磁膜）表示。模（電磁膜）表示。 設計得當，可以保證傳輸?shù)臑橹髂ＴO計得當，可以保證傳輸?shù)臑橹髂E10TE10模，最高工作頻率模，最高工作頻率140140 GHzGHz。 鰭線的組成 鰭線可認為是鰭線可認為是準

4、平面結(jié)構(gòu)準平面結(jié)構(gòu)，既要制作電路圖形，又要考慮金，既要制作電路圖形，又要考慮金 屬波導盒影響。屬波導盒影響。 鰭線常用的基片材料有微纖強化覆銅板（鰭線常用的基片材料有微纖強化覆銅板（PTFEPTFE），如），如RT-RT-duroduro id id 5880 5880。 基片通常安放在基片通常安放在矩形波導矩形波導E E面中心面中心，用尼龍或者其他金屬螺釘，用尼龍或者其他金屬螺釘 固定裝配。固定裝配。 為保持金屬鰭和金屬波導內(nèi)壁的射頻連續(xù)性，基片放置處的為保持金屬鰭和金屬波導內(nèi)壁的射頻連續(xù)性，基片放置處的 金屬波導寬壁壁厚應等于金屬波導寬壁壁厚應等于gg/4/4。 2.4鰭線鰭線 電子科技大

5、學電子工程學院毫米波理論與技術(shù)講義 2.4鰭線鰭線 （a a）濾波器；諧振器；）濾波器；諧振器； （b b）阻抗變換器；耦合器）阻抗變換器；耦合器 矩形波導中的過度段矩形波導中的過度段 (a) (a) 漸變式；（漸變式；（b b）多階梯式）多階梯式 電子科技大學電子工程學院毫米波理論與技術(shù)講義 E E面鰭線濾波器面鰭線濾波器模型圖模型圖 E E面鰭線濾波器的實物照片面鰭線濾波器的實物照片 2.4鰭線鰭線 電子科技大學電子工程學院毫米波理論與技術(shù)講義 鰭線的特點 與微帶電路相比 鰭線的鰭線的Q Q值較高，值較高，傳輸衰減較小傳輸衰減較小; ; 對導體條帶的對導體條帶的加工公差要寬松些加工公差要寬

6、松些（因其導行波長比微帶的導（因其導行波長比微帶的導 行波長要長）行波長要長）; ; 色散較弱，在多個電路集成時，色散較弱，在多個電路集成時，無須模式濾波器和去耦隔離無須模式濾波器和去耦隔離 裝置裝置; ; 鰭線鰭線的屏蔽外殼可直接采用標準矩形波導，可以在整個波導的屏蔽外殼可直接采用標準矩形波導，可以在整個波導 帶寬內(nèi)實現(xiàn)電路，帶寬內(nèi)實現(xiàn)電路，與矩形波導的兼容性好與矩形波導的兼容性好; ; 與矩形波導相比 鰭線的結(jié)構(gòu)和尺寸都鰭線的結(jié)構(gòu)和尺寸都易于集成固態(tài)器件易于集成固態(tài)器件; ; 單模單模傳輸帶寬更大，傳輸帶寬更大，對金屬矩形波導盒內(nèi)壁公差的要求更為對金屬矩形波導盒內(nèi)壁公差的要求更為 寬松寬松

7、； 損耗更大損耗更大。 2.4鰭線鰭線 電子科技大學電子工程學院毫米波理論與技術(shù)講義 鰭線設計考慮的問題 導行波長和特性阻抗導行波長和特性阻抗 不連續(xù)性不連續(xù)性 金屬鰭的厚度金屬鰭的厚度 腔體及裝架槽腔體及裝架槽 損耗和損耗和Q Q值值 2.4鰭線鰭線 鰭線的分析方法 鰭線的分析方法主要有：橫向諧振法（鰭線的分析方法主要有：橫向諧振法（TRMTRM），傳），傳 輸線矩陣法（輸線矩陣法（TLMMTLMM），有限元法（），有限元法（FEMFEM），），譜域法譜域法 （SDMSDM），譜域?qū)Э狗ǎǎ?，譜域?qū)Э狗ǎ⊿DIMSDIM）等數(shù)值方法，以及經(jīng)等數(shù)值方法，以及經(jīng) 驗公式近似法。驗公式近似法。 電

8、子科技大學電子工程學院毫米波理論與技術(shù)講義 P. P. J.MeierJ.Meier的近似公式，將鰭線看成帶有介質(zhì)襯的近似公式，將鰭線看成帶有介質(zhì)襯 底的加脊波導：底的加脊波導： 適用條件：低介電常數(shù)的薄基片（適用條件：低介電常數(shù)的薄基片（d/a0.1d/a0.1，e e 近似看作一個常數(shù)近似看作一個常數(shù) ） 導行波長和特性阻抗 2 ( /) g ecr 2 ( /) c c ecr Z Z 同尺寸空氣填充加脊波同尺寸空氣填充加脊波 導導f的特性阻抗的特性阻抗 同尺寸空氣填充加同尺寸空氣填充加 脊波導的截止波長脊波導的截止波長 有效介電常數(shù)有效介電常數(shù) 2.4鰭線鰭線 電子科技大學電子工程學院

9、毫米波理論與技術(shù)講義 對對 r r較大的基片，需考慮較大的基片，需考慮e與與f的依賴關(guān)系的依賴關(guān)系 SharmaSharma和和HoeferHoefer的頻率相關(guān)的頻率相關(guān)e （ （ MTT 1983）： ： e= c F(w/b，d/a， ， r ) 其中，其中，c為截面上的有效介電常數(shù)，并由下式給出為截面上的有效介電常數(shù)，并由下式給出 c=（ cf / cr ） cf和和 cr分別為鰭線中的截止波長和等效的空氣填充分別為鰭線中的截止波長和等效的空氣填充 脊波導的截止波長，修正因子脊波導的截止波長，修正因子F由數(shù)值計算獲得。由數(shù)值計算獲得。 ( (范圍：范圍：1/16w/b1/41/16w/

10、b1/4，1/321/32d/a1/4d/a1/4， r r=2.22=2.22和和3 3等）等） PramanickPramanick和和BhartiaBhartia的單側(cè)鰭線近似公式的單側(cè)鰭線近似公式（1985 MTT1985 MTT） 具有更寬的適用范圍（具有更寬的適用范圍（ 1/32w/b1 1/32w/b1，d/a20d/a20， r r3.753.75）。）。 前提：前提： e = c ，因此只適用于低介電常數(shù)和薄基片。，因此只適用于低介電常數(shù)和薄基片。 頻率相關(guān)近似公式 2.4 鰭線鰭線 電子科技大學電子工程學院毫米波理論與技術(shù)講義 導行波長與特性阻抗（Ka頻段單鰭線） 2.4鰭

11、線鰭線 電子科技大學電子工程學院毫米波理論與技術(shù)講義 當頻率由低向高變化時當頻率由低向高變化時， g / 下降，即頻段高端的導行下降，即頻段高端的導行 波長小于低端的導行波長；波長小于低端的導行波長；Zc隨頻率變化不大。隨頻率變化不大。 當介質(zhì)厚度增加時當介質(zhì)厚度增加時， g / 和和 Zc略微下降。略微下降。 相同頻率下，相同頻率下， g / 和和 Zc隨槽寬的增大而增加隨槽寬的增大而增加。若槽寬。若槽寬w= 0.05mm,對應毫米波頻段的特性阻抗為對應毫米波頻段的特性阻抗為100120。 對于中等槽寬對于中等槽寬， g / 和和 Zc隨頻率變化更劇烈。當隨頻率變化更劇烈。當w接近接近b 時

12、退化成介質(zhì)片加載波導。時退化成介質(zhì)片加載波導。 2.4鰭線鰭線 電子科技大學電子工程學院毫米波理論與技術(shù)講義 介質(zhì)基片橫移的情況 2.4鰭線鰭線 介質(zhì)基片橫移，介質(zhì)基片橫移， g / 有一定程度增加（有一定程度增加（w=0.1mm: 0.92增大到增大到0.94）；）； 當當w較大時，較大時，Zc隨介質(zhì)基片的橫移有明顯的降低隨介質(zhì)基片的橫移有明顯的降低(w=2mm:400降到降到330)。 電子科技大學電子工程學院毫米波理論與技術(shù)講義 槽在E面位移的情況 2.4鰭線鰭線 當當s從零增加到從零增加到(b-w)/2時，時， g / 先先 增后減，增后減，Zc在在(b-w)/2時趨于飽和時趨于飽和

13、； 對于固定的對于固定的s , g / 和和 Zc隨槽寬的隨槽寬的 增大而增加；增大而增加； 低阻抗結(jié)構(gòu)可以通過將槽向一側(cè)壁低阻抗結(jié)構(gòu)可以通過將槽向一側(cè)壁 移動時獲得。移動時獲得。 s趨于零、趨于零、w=0.1時，時， Zc=40，利于低阻抗器件的匹配。，利于低阻抗器件的匹配。 電子科技大學電子工程學院毫米波理論與技術(shù)講義 a,b,r,d公差的影響 2.4鰭線鰭線 鰭線電路設計過程中，對參量鰭線電路設計過程中，對參量a和和r 的公差要求比對的公差要求比對b和和d的公差要求更的公差要求更 為嚴格。為嚴格。 電子科技大學電子工程學院毫米波理論與技術(shù)講義 本征模的色散特性 2.4鰭線鰭線 分析單模工

14、作帶寬，則需分析分析單模工作帶寬，則需分析 高次模的影響。高次模的影響。 主模是主模是HE1，其它為高次模。，其它為高次模。 虛線的幾種模式不會由虛線的幾種模式不會由TE10模模 激勵，核心是激勵，核心是HE3模式。模式。 Vahldieck R(1951-2011)., MTT,1984Vahldieck R(1951-2011)., MTT,1984 電子科技大學電子工程學院毫米波理論與技術(shù)講義 金屬鰭片厚度的影響 2.4鰭線鰭線 Zc隨基片厚度隨基片厚度t的增加而減??；的增加而減??； 在靠近截止頻率的低頻段，鰭在靠近截止頻率的低頻段，鰭 線的作用如同脊波導，線的作用如同脊波導，t增大時增大時 ，截止頻率降低，截止頻率降低， e增加；增加； 在較高頻段，基片作用像槽線在較高頻段，基片作用像槽線 ，隨，隨e頻率增加而減小；頻率增加而減小； 金屬鰭厚度影響在高工作頻段金屬鰭厚度影響在高工作頻段 和槽寬較窄時較為明顯；和槽寬較窄時較為明顯； 頻段中的某些頻點上，