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第二章：微波集成电路基础

第二章：微波集成电路基础. 科研楼 612 房间 电话 : 83201687 E-mail: bfjia@uestc.edu.cn. §2 ． 1 微波集成传输线. 传输线的作用是传输能量。并且是构成微波无源器件基本元素。 微波集成电路中使用的传输线多数都是平面结构传输线，例如：微带线、槽线、带状线和共面波导等。 “平面 ” 传输线方便与固态芯片器件连接。 新型平面结构传输线，如：基片集成波导（ SIW ）也用于制作微波集成电路 。. 2 ． 1 ． 1 概 述. Microstrip 微带. Slot- line 槽线.

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第二章：微波集成电路基础

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  1. 第二章：微波集成电路基础 科研楼612房间 电话: 83201687 E-mail: bfjia@uestc.edu.cn

  2. §2．1 微波集成传输线 • 传输线的作用是传输能量。并且是构成微波无源器件基本元素。 • 微波集成电路中使用的传输线多数都是平面结构传输线，例如：微带线、槽线、带状线和共面波导等。 • “平面”传输线方便与固态芯片器件连接。 • 新型平面结构传输线，如：基片集成波导（SIW）也用于制作微波集成电路 。

  3. 2．1．1 概 述 Microstrip 微带 Slot- line 槽线 Suspended 悬置微带线 Coplanar Waveguide (CPW)共面波导

  4. 传输线的几个重要参数 • 传输线的模式； • 工作模式；高次模 • 传输线的特性阻抗； • 传输线的传播常数（α衰减常数，β相位常数)；

  5. 微带线

  6. § 微带线 工作模式 准TEM 模。 微带线中存在的是TE-TM混合波场，其纵向场分量主要是由介质-空气分界面处的边缘场Ex和Hx引起的，它们与导体带和接地板之间的横向分量场相比很小，所以微带线中传输模的特性与TEM模相差很小

  7. 无色散微带的分析 微带线的分析： 给定微带宽高比W/H和基片的相对介电常数εr，计算特性阻抗Z0 ;首先求出均匀媒质微带线阻抗（即抽去微带线的基片介质，全部空气填充）：

  8. 有效介电常数 实际上是把中心导带上下的介质全部等效为均匀介质，而使得微带线的电容保持不变。它的范围为 ： 当基片相对介电常数为εr，有效介电常数为：

  9. 上式中 ： 无色散情况下，微带线的特性阻抗为

  10. 微带线的综合： 给定所需的特性阻抗Z0，和基片的相对介电常数，计算微带的宽高比W/H。 ， 即宽微带情况时

  11. ， 即窄微带情况时

  12. 利用软件计算

  13. 微带线的工作频率范围 • 准TEM波和最低表面波寄生模之间产生强耦合时的频率： • 其中， 的单位是GHz， 的单位是mm。

  14. 悬置微带线 • 悬置微带线的损耗比微带线小。常用于滤波器设计。

  15. 悬置微带的几何结构

  16. 悬置微带的特性阻抗

  17. 带状线介质分布 耦合带线的奇/偶模传播常数相同。常用于制作宽带耦合线定向耦合器。

  18. 带状线的特性阻抗

  19. 槽 线 • 槽线的传播模式不是TEM波，是横电波(TE)。

  20. 共面波导

  21. 鳍线基片结构

  22. 双面鳍线

  23. 传输线特性比较

  24. 2．1．2介质基片与导体材料 • 基片是电磁场传输的媒质，又是电路支撑体。对基片的要求是微波损耗小、表面光滑、硬度强、韧性好、价格低。在微波混合集成电路中最常用的介质基片是聚四氟乙烯纤维环氧树脂板、氧化铝陶瓷板和石英基片。 • 聚四氟乙烯纤维环氧树脂板价格便宜，双面用热压法覆以铜膜，可以直接光刻腐蚀电路，加工简便，广泛用于微波集成电路。 • 氧化铝陶瓷板的介质损耗小，表面光洁，适用于较高频段，而且介电常数高，制作的MIC小巧精致。但是氧化铝陶瓷板需真空镀膜，加工复杂，成本高。

  25. 对微带线金属膜材料的基本要求是：电导率高、稳定不氧化、刻蚀性好、容易焊接、容易淀积或电镀，对基板附着力强。对微带线金属膜材料的基本要求是：电导率高、稳定不氧化、刻蚀性好、容易焊接、容易淀积或电镀，对基板附着力强。 • 对于MIC来说，最常用的金属材料是铜与金。这两种材料对介质基板附着力差，聚四氟乙烯纤维板是把铜膜用热压法粘附。陶瓷基板，则需要先蒸发一层附着力强的铬，其厚度要远小于趋肤深度，应该在1 OOA左右，然后蒸发金，再镀铜和镀金加厚至5倍趋肤深度以上。这样的组合结构中，导电层是铜和金。典型的导体组合有：铬．金、钛一金、钽一金。对于MMIC砷化镓基片，常用铬一金、钛．铂一金、钛一钯一金。

  26. §2.3 微带电路的不均匀性

  27. 2.3.2微带元件 • 微带线段

  28. 高/低阻抗线等效电路 • 高阻抗线等效电路 • 低阻抗线等效电路

  29. 开路短截线 当分支线长度酿Θop<90。，即机械长度小于λ／4时，则等效为容抗。

  30. 短路短截线 当分支线长度酿Θsh<90。，即机械长度小于λ／4时，则等效为感抗。

  31. 微带线不连续性元件 微带开路终端 微带开路终端可等效为把理想开路端向外延伸一小段⊿l

  32. 截角直角弯头 直角弯头截角后反射更小，相对于不截角的直角弯头，更为实用。对于50Ω微带线，图中的a的数值一般认为取1.8W比较合适。

  33. 其中 如果⊿l计算出来为负数，表示微带线等效长度的缩短量。

  34. 阶梯跳变 两段不同阻抗的传输线级联，在微带电路中的连接处即为一阶梯跳变

  35. 两段不同阻抗的传输线级联，在微带电路中的连接处即为一阶梯跳变 (εr≤10,1.5≤W2/W1≤10) (εr=9.6,3.5≤W2/W1≤10)

  36. T型结 T型结在微带电路中也是一种常用结构

  37. 等效电路各元件的计算公式

  38. 其中We为微带线的等效宽度，λ为波导波长，f为频率(GHz) ，H为基片厚度(mm)，Z1、Z2微带线阻抗，变量上方加一横线表示微带线 a和b的参量即几何平均值，例如

  39. 仿真软件中的微带基本电路

  40. §2.4 阻抗变换器

  41. L型匹配网络

  42. §2．5 功率分配器和耦合器 • 功率分配器(简称功分器)和耦合器可以完成功率分配或功率组合。在功率分配器中，一个输入信号被分成两个或多个较小的功率信号。耦合器可以是有耗或无耗三端口器件，或者是四端口器件。三端口网络采用T型结和其他功分形式，而四端口网络采用定向耦合和混合网络形式。功分器通常采用等分(3dB)形式，但也有不等分的情况。定向耦合器则可以设计为任意功率分配比，但混合网络一般是等功率分配。混合结在输出端口之间有90。(正交)或l 80。相移。随着微波集成电路的快速发展，以平面传输线应用为基础的新型功分器和耦合器的开发也得到了迅速的发展。本节将主要介绍以微带电路为主的Wilkinson功分器、直接耦合式定向耦合器、分支线耦合器(也称为分支电桥)、Lange耦合器和混合环耦合器(也称为环形电桥)。

  43. 2．5．1 Wilkinson功率分配器 • 在微波集成电路中，Wilknson功率分配器是最常用的功分器。Wil心nson功分器的每个输出端口具有宽频带和等相位的特性。Wilknson功分器可以制成任意功率分配比，但常用还是等分(3dB)的情况，下面我们将分别讨论。

  44. 等分Wilkinson功分器 工作带寛大约1个倍频程。

  45. 不等分Wilkinson功分器

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