1、 单位代码： 10293 密 级： 硕 士 学 位 论 文 论文题目 ： 共面波导与微带线 无通孔 转接头结构 的研究与设计 1010020823 张 磊 于映 教授 电磁场与微波技术 移动通信与射频技术 工学 硕士 2013.02 学号 姓名 导 师 学 科 专 业 研 究 方 向 申 请 学 位 类 别 论 文 提 交 日 期 Research and Design on Coplanar Waveguide and Microstrip Line Transition Structure without Via Hole Thesis Submitted to Nanjing Unive
2、rsity of Posts and Telecommunications for the Degree of Master of Engineering By Lei Zhang Supervisor: Prof. Ying Yu February 2013 南京邮电大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京邮电大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的
3、说明并表示了谢意。 本人学位论文及涉及相关资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 南京邮电大学学位论文使用授权声明 本人授权南京邮电大学可以保留并向国家有 关部门或机构送交论文的复印件和电子文档；允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索；可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编本学位论文。本文电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。论文的公布（包括刊登）授权南京邮电大学研究生院办理。 涉密学位论文在解密后适用本授权书。 研究生签名： _ 日期： _ 研究生签名： _ 导师签名： _ 日期： _ I 摘要 随着近年来无线通信技术和微波集成电路的发展 ， 平
4、面传输线得到了广泛的应用 ， 特别像微带线 、 共面波导 、 槽线 和 共面带状线等 。不同传输线之间的转接头结构在微波传输系统和微波测量系统中都体现了重 要的作用。该论文通过研究共面波导与微带线之间转接头结构的特性阻抗和电磁场结构两方面去分析过渡结构的阻抗变化和电磁场变化。通过研究无通孔渐变转接头的结构的长度、宽度、导带结构和地平面结构对传输特性的影响，达到减小转接头物理结构的目的，通过研究材料及用带背板的共面波导结构与微带线的传输特性，达到提高低频响应的目的，通过场结构分析和阻抗分析，提出地背共渐变的共面波导与微带线转接头结构，达到提高工作频带的目的。 通过本文对共面波导与微带线无通孔转接
5、头结构的分析，设计和仿真，我们可以发现通过转接头结构连接，共面波导与 微带线的过渡比无转接头直接连接的工作频带要大，无转接头连接时由于寄生电阻比较大，无通孔的渐变转接头结构，低频响应明显提高， 将工作频率从 10GHz 提高到 6GHz ，带背板的共面波导或者地背共渐变转接头的结构能将低频频带降低到 4GHz 左右，插入损耗可以控制在 1dB 以内。 无通孔共面波导与微带线转接头在微波传输和微波测量系统中都体现出了极大的作用，将会成为共面波导与微带线天馈线系统，共面波导与微带线混合微波集成电路系统的重要组成结构。 关键词 : 共面波导 ， 微带线 ， 无通孔 ， 转接头 II Abstract
6、 With the development of technology of the wireless communication and microwave integrated circuit in recent years, the planar transmission lines obtain a wide range of applications, especially as microstrip line, coplanar waveguide, slotline and coplanar stripline. Transition between the joint stru
7、cture in the different transmission lines in the microwave transmission system and the microwave measurement system take the important role. We analyze the characteristic impedance and the electromagnetic field structure of the coplanar waveguide and the microstrip line transition to study the chang
8、es of impedance and electromagnetic field between the transition structure. By studying the influence of the gradient without via hole trasition length of the structure, the width of the structure ,conduction structure and the ground plane structure to achieve the purpose of reducing the physical st
9、ructure of the adapter. By studying material and coplanar with the backplane waveguide to achieve the purpose to improve the low frequency response, by the field of structural analysis and impedance analysis, the adapter structure proposed back of the gradient of the coplanar waveguide and the micro
10、strip line, and the purpose of improving operating band. Through without via-hole coplanar waveguide and microstrip line traisitions analysis, design and simulation, we can find that the structure of the coplanar waveguide and microstrip line transition has a better performance than directly connect
11、ed structure in low-frequency ,response can be improved from 10Ghz to 6GHz or 4GHz by the new transition srtucture, the insertion loss can be controlled in the blow 1dB. Through without via-hole coplanar waveguide and microstrip line transition in microwave transmission and microwave measurement sys
12、tem reflects a great role, will become days coplanar waveguide and microstrip line feeder system, coplanar waveguide and microstrip line an important component of the hybrid microwave integrated circuit structure. Key words: CPW, Microstrip, without via-hole, Trasition III 目录 第一章 绪论 . 1 1.1 本课题的研究背景
13、及研究现状 1 1.2 本课题研究内容 3 1.3 本文组织结构 3 第二章 共面波导与微带线转接头理论基础 . 5 2.1 共面波导与微带线转接头基本传输理论 . 5 2.1.1 共面波导和微带传输线 . 5 2.1.2 共面波导的传输特性 . 6 2.1.3 微带线的传输特性 . 9 2.1.4 传输线的损耗、色散及高次模 .11 2.2 常见的共面波导与微带线转接头种类 12 2.3 阻抗变换器 16 2.3.1 四分之一波长阻抗变换器 . 17 2.3.2 多节阻抗变换器 . 20 2.3.3 渐变线阻抗变换器 . 24 2.4 本章小结 25 第三章 无通孔共面波导与微带线转接头的分
14、析 27 3.1 引言 27 3.2 共面波导与微带线无转接头连接的分析 . 27 3.2.1 无转接头物理结构描述 . 27 3.2.2 无转接头结构传输特性分析 . 28 3.2.3 无转接头结构场结构分析 . 29 3.3 共面波导与微带线无通孔阶梯式转接头的分析 . 33 3.3.1 阶梯式转接头物理结构描述 . 33 3.3.2 阶梯式转接头结构传输特性分析 34 3.3.3 阶梯式转接头结构特性阻抗分析 34 3.4 共面波导与微带线无通孔渐变式转接头的分析 . 36 3.4.1 渐变式转接头物理结构描述 . 36 3.4.2 渐变式转接头结构传输特性分析 36 3.4.3 渐变式
15、转接头结构传输特性分析 37 3.5 本章小结 40 第四章 共面波导与微带线转接头的设计与仿真 42 4.1 引言 42 4.2 渐变式转接头结构特性对传输特性的影响 . 42 4.2.1 渐变式转接头结构长度对传输特性的影响 42 4.2.2 渐变式转接头结构宽度对传输特性的影响 44 4.2.3 渐变式转接头结构宽度对传输特性的影响 46 4.2.4 渐变式转接头地线结构对传输特性的影响 48 4.3 基片材料特性对传输性能的影响 52 4.3.1 基片材料对转接头传输性能的影响 53 4.3.2 基片厚度对转接头传输性能的影响 55 4.4 GCPW 结构有效提高无通孔转接头低频传 输
16、性能 . 57 4.4.1 GCPW 结构无通孔转接头的传输性能 57 4.4.2 GCPW 结构无通孔转接头场结构 58 IV 4.5 地 背共渐变式转接头的设计与仿真 59 4.5.1 地背共渐变式转接头结构描述 59 4.5.2 地背共渐变式转接头结构描述 59 4.5.3 地背共渐变式转接头的场结构 61 4.6 本章小结 63 第五章 共面波导与微带线转接头的应用 . 65 5.1 转接头 在微波测量中的应用 射频微波探针台中微带元器件的测量 . 65 5.2 转接头在微波传输中的应用 共面波导及微带线元器件的集成 . 67 第六章 总结与展望 . 70 参考文献 . 71 附录 1
17、 攻读硕士学位期间撰写的论文 74 致谢 . 75 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章 绪论 1 第一章 绪论 1.1 本课题的研究背景及研究现状 近几十年以来，随着微波 /毫米波技术的发展，无线移动通 信技术和微波集成电路技术得到迅速发展和推广应用。由于微带线、共面波导、槽线和共面带状线等传输线结构都是平面结构，他们的特点就是尺寸控制在一个平面内，所以相对在设计、加工过程中更加方便，微带线和共面波导成为组成微波集成电路的重要结构 1-2。 在微波电路系统中，不是所有器件和电路都是由一种传输线结构来实现的，多种传输线及其组成的微波元器件在同一微波系统中的应用成为不可避免的重要课题，微波转接
18、头技术在高速数字，射频和微波电路中都显示出重要的地位。在高速数字射频和微波电路性能表现中，转接头技术占据了很重要的地位 。在数字电路中，转接头的延迟和门电路延迟相比，更加影响时钟的速度。在射频与微波电路中，转接头是极为重要的无源元器件。在一些微波集成电路微波传输过程中，微带线和共面波导混合使用，这样共面波导和微带线之间的过渡转接头成为重要的问题。 同时，在微波测量过程中，共面波导型的微波探针可实现高速微波集成电路的在片检测，必须将不同频率范围内的测量信号，在阻抗匹配的时候与芯片连接，当进行微带器件测量时，由于共面微波探针与微带器件不能之间连接，我们可以通过在微带器件上添加微带与共面波导转接头结
19、构，减小测量时的寄生电容，使得共 面波导和微带线之间的转接头结构在微波传输和微波测量的过程中越来越重要。 Sriram 等学者在 2008 年研究指出，在印刷电路板上的许多器件中，有许多类型的微带传输线和共面波导 3，他们之间连接会产生不连续性，如空气间隙，弯曲，阶跃等，这种不连续性对信号的传输和反射有强烈的影响，在某些情况下，电荷聚集引起的磁场和电场的不均匀分布使得传输线产生感抗或者容抗的效果 。现在的微波实验设备的输入输出端口多为共面波导形式，在微波电路和系统中经常需要进行这两种传输线形式的转换，为了降低这种不连续性所带来的传输损耗，我们可 以加入传输接口结构，这种转换由共面波导微带接口电
20、路来完成，起到过渡作用。 Houdart 等学者 1979 年第一次提出的三耦合线传输接口结构，在特定频率下，将信号从微带线耦合到共面波导。开启了对共面波导与微带连接接口的研究，随着共面波导和微带线在同一电路上的集成，采用晶圆测量技术的共面波导探针以及微波单片集成电路都涉及接口南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章 绪论 2 连接的灵活性和连续性 4。所以，宽带，低损耗，减小共面波导和微带线转换接口大小成为一个多年来需要严谨研究的重要课题。 Georg Strau等学者在 1996 年提出了一种辐射结构转接头模型 5，作者用 FDTD 的方法，研究了矩形结构转接头和辐射结构转接头的性能。 Gi
21、ldas P. Gauthier 等学者，在 1998 年发表的论文中，对 Houdart 等学者提出的三耦合线结构转接头进行了进一步研究，使其性能可以让中心频率在 94GHz 下插入损耗达 -0.2dB，有效带宽约占 20%，回波损耗在 85GHz 到 100GHz之间小于 -17dB，并提出了一种三线辐射耦合接口结构模型，将插入损耗减小 -0.18dB，有效带宽提高到 25%，并且回波损耗能让 85GHz 到 110GHz 之间都小于 -17dB。 Safwat 等学者 在 2001 年提出的一种渐变结构 6，他提供了电场和磁场的逐渐转变以及在共面波导和微带线之间固定的阻抗，实验结果用 H
22、FSS 仿真可以得到大约 13GHz 的带宽可以使得回波损耗小于 -25dB，实物测量结果在 InP 介质的共面波导和微带线接口的回波损耗在14GHz 下可以小于 -12dB，铝介质的共面波导回波损耗在 25GHz 下可以小于 -15dB。 Guizhen Zheng 等学者在 2003 年提出一种共面波导和微带线接口结构 7，无需将 CPW 地平面与微带线地平面用通孔连接，因此简化了制造工艺和产品成本，传输接口设计和加工 都在硅介质上，工作的中心频率在 20GHz，作者通过矩量法对结构进行优化，测量结果表明插入损耗在 20GHz 频率下可以达到 -0.4dB，并且在 10-40GHz 的情况
23、下，损耗都小于 -1dB。 Lin Zhu 等学者在 2006 年在 Guizhen Zheng 等学者的研究基础上提出的一种无通孔连接结构 8，比 Guizhen Zheng 等学者在 2003 年提出的结构在低频时具有更小的插入损耗，并且在共面波导的金属底面加入了槽线结构，提供了更小的回波损耗。 Zhen Zhou 等学者在 2008 年对于有通孔接口连接结构进行了总结分 析了有通孔的接口结构模型的性能 9，它的结构更多的是在 Lin Zhu 学者的结构基础上，在共面波导的地平面和微带线地平面间加入了通孔进行连接，通过研究我们可以发现无通孔结构模型的性能更加优越，且制造工艺简单，但是，却会
24、有带通响应，截止低频响应。 意大利学者 S.Costanzo 在 2011 年用合成方法准确的计算出渐变共面波导和微带线接口结构的阶数，进行了理论推导和软硬件仿真 10。 对于近年来，国内外对共面波导和微带线连接接口结构的研究表明，各国学者努力追求更宽的有效带宽，更低的损耗以及更小的接口体积，为共面 波导和微带线之间的平稳过渡奠定了基础。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章 绪论 3 1.2 本课题研究内容 本文基于共面波导传输线理论和微带传输线理论，研究共面波导和微带线的转接头结构，研究共面波导和微带线及其电磁场结构变化及阻抗变化的设计理论与方法，以及共面波导和微带线转接头结构如何拥有较
25、小的结构，更大的有效带宽和较小的插入损耗。 在整个课题研究期间，本人对该课题所涉及的相关背景、国内外研究现状和方案的可行性进行了一定深度的研究和实现，主要研究内容有：在基于传输线理论及不连续性理论的基础上，研究不同传输线间的不连续特性。对典型的无通孔共面波导与微带线连接的 转接头结构进行研究，通过对各部分结构的场结构及阻抗变化进行分析和设计，用 IE3D 软件对转接头结构进行仿真研究其传输特性。在基于各类无通孔转接头的设计基础上，分析、设计和完成基于共面无通孔结构地背共渐变式转接头，并且提供具有的一般的转接头的应用和仿真结果。 1.3 本文组织结构 微带线和共面波导都是以其频带宽，体积小，重量
26、轻，平面结构，和其他有源、无源器件集成度高等优点，成为微波系统中经常使用及组成微波元器件的平面传输线，对这两种传输线之间微波集成时出现的不连续性的研究成为势在必行的工作。 全文共分六个章节，内容组织 如下： 第一章概述共面波导和微带线转接头结构的相关背景及发展现状，课题的研究内容及文章组织结构。 第二章主要介绍共面波导和微带线这两种传输线的各自特点，传输特性参数以及阻抗匹配的概念，简单叙述了现在共面波导与微带转接头几种类型。 第三章主要研究了无转接下直接将共面波导与微带线连接的场结构分析并且通过阻抗分析法和场结构分析的方法分析了共面波导与微带线阶梯转接头和渐变转接头的各自的特点及传输特性。 第
27、四章主要通过阻抗分析和场结构分析的方法探讨了转进头物理结构与场结构变化以及传输特性的关系，为我们今后在转接头结构 设计过程中物理结构的大小提供帮助。并且通过结构变化探讨了共面波导与微带线转接头在低频下的传输特性，并对 GCPW 结构与微带线连接时有效的提高低频响应。最后我们提出设计新的地背共渐变式转接头结构以提供更宽的频带响应，并通过仿真软件进行场结构分析及传输特性研究。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章 绪论 4 第五章重点介绍了共面波导与微带线无通孔转接头在现代微波集成电路中传输系统和测量系统中的两种主要应用。在微波测量系统中，我们将转接头用于共面探针测量微带滤波器作为应用。 第六章
28、 总结了本文所做的工作，并对该课题进一步研究方向进行展望。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章 共面波导与微带线转接头理论基础 5 第二章 共面波导与微带线转 接头理论基础 2.1 共面波导与微带线转接头基本传输理论 2.1.1 共面波导和微带传输线 共面波导和微带线是两种重要的平面传输线。 共面波导（ CPW）首先由 C.P.Wen 在 1969年提出的一种平面传输线结构 11。其基本结构由一条中心导体带和两边的半无限大的地平面组成，中心导带作为信号传输线，两边带线作为接地线，如图 2.1 所示。 图 2.1 共面波导物理结构剖面图 共面波导传输线的特点是信号传输线和地线在同一平面上，免
29、 去了接地需要通孔的麻烦，从而使其特别适合与微波和毫米波器件的连接。连接串联或者并联的元器件非常的方便，同时电路元件收到介质衬底厚度影响比较小，所以在微波电路中，共面波导得到了广泛的应用。微带线的结构如图 2.2 所示。它是由介质基片的一边为中心导带，另一边为接地板所构成 ,其基片厚度为 h，中心导带的宽度为 w。 CPW 可以支持准 TEM 模式传播。与传统的微带线相比，具有以下优点：易于加工，易于并联和串联各种微波器件、不需要包裹和通孔、辐射损耗小等。他的特性阻抗仅由导带宽度和槽宽决定，因此尺寸可以很小，但是损耗会随之增 加。与此同时，由于两条相邻的线之间有地，他们之间的互相干扰比较微弱，
30、所以共面波导构成的电路可以比微带线电路更加密集，特别适合微波集成电路和单片微波集成电路的应用。在制造方面适合于那些能自动抓取和放置，焊接表贴期间的自动化生产设备，循序在计算机控制下，对器件和电路特性做高达几十 GHz 的在晶圆测量 12-16。 CPW 传播的准 TEM 模具有频率色散性弱的优点，这位设计宽带电路和器件提供了可能性。 S 槽 x y 信号线 W h t 介质衬底 地线 O 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章 共面波导与微带线转接头理论基础 6 微带线是一种最为流行的平面传输线，其制作工艺是先将基片 (最常用的是氧化铝 )研磨、抛光和清洗，然后放在真空镀膜机中形成一 层铬 -
31、金层，再利用光刻技术制成所需要的电路，最后采用电镀的办法加厚金属层的厚度，并装接上所需要的有源器件和其它元件，形成微带电路。 图 2.2 微带线物理结构剖面图 微带传输线应用于低电平射频微波技术中。它的优点是制造费用省，尺寸特别小，重量特别轻，工作频带宽，以及具有与固体器件的良好配合性；其主要缺点是损耗较大，不能在高电平的情况下使用。由于微带线结构简单 ,便于器件的集成 和电路调试 ,使得微带线已成为射频 /微波电路中首选的电路结构。 2.1.2 共面波导的传输特性 共面波导 可以分为三类：传统的 CPW 结构，背金属的 CPW 结构，微机械 CPW 结构。 （ a） (b) x y 导带 W
32、 h t 介质 地板 O 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章 共面波导与微带线转接头理论基础 7 (c) 图 2.3 不同的 CPW 结构 a. 传统的 CPW 结构 b. 背金属的 CPW 结构 c. 微机械 CPW 结构 对于传统的共面波导结构，如图 2.3 所示，导带两边是无限大的地结构。背金属的共面波导结构在基片底部还有一个地结构，这个地结构不仅起到机械支撑基片的作用，而且有助于帮助器件散热。微机械共面波导结构又分为两类：为屏蔽线和在微机械槽上由二氧化硅薄膜悬置的共面波导结构。微带线屏蔽的共面波导结构的优点是带宽极宽，色 散很小和介质损耗为零的特点。后一种微机械共面波导结构与商业
33、CMOS 工艺兼容，易于与 CMOS 器件和电路集成 17。 共面波导是一种共面结构传输线。信号线和地线之间的电场与 空气 -介质分界处 相切 ，将产生不连续的位移电流，引起纵向及横向射频磁场分量，而在交界处将建立起圆极化磁场矢量。共面波导与介质基片另一面的微带相结合使用，还可以构成微小型微带元件 18-21。 共面波导传输线中 ， 传输的主要是准 TEM 波，电场分布上下大致均匀，磁场由介质衬底进入空气，形成闭合的椭圆极化波 ,如图 2.4 所示。共面波导的导体带和地电 极平面位于同一平面上，所以便于并联连接外接元件构成混合集成电路。此外我们可以利用低损耗高介电常数的材料做基片来减小电路的纵
34、向尺寸。 图 2.4 共面波导结构电磁场分布图 特性阻抗和相速是任何微波传输线的最主要的两个参量。前者与阻抗匹配有关，后者决定传输线电长度和几何长度的关系。研究传输线的各种特性，首先从这两个参量出发。 共面波导的特性阻抗、损耗 (S-参数 )、和品质因素参量又与共面波导的几何结构有关，即与传输线长度和几何尺寸有关。共面波导的特性阻抗可由保角变换方法求得为 ： 010eZZ （ 2.1） 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章 共面波导与微带线转接头理论基础 8 式中 e 是共面波导的有效介电常数，如图 1-1 共面波导结构图所示，如果共面波导全部处于相对介电常数为 r 的介质之中，它的分布电容
35、 C 比空气中的增加 r 倍，可是通共面波导部分在某种介质中，部分在空气中，相当于处在一种混合介质中，因此具有相对等效介电常数为 e 且 12re （ 2.2） Z 是 r=1 的 共面波导的特性阻抗 : 01 01 ( )4 ( )KkZ c K k （ 2.3） 其中 C 为真空中的光速 ； 0 为空气的介电常数 ； K(k)为第一类完全椭圆积分， K(k)=K(k)，其中 S、 W 分别为共面波导信号线宽度和槽宽，且 2Sk SW （ 2.4） 1221kk （ 2.5） 相速为： 120 02 11prrvvv （ 2.6） 可见共面波导主要的传输特性参量主要由微带自身的几何尺寸和介质
36、基片的介电常数 E定。只要知道 S、 W 和基片的介电常数 e 就可以查共面波导的特性阻抗表得到传输线的特性阻抗，如图 2.5 所示。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章 共面波导与微带线转接头理论基础 9 图 2.5 导带宽度和槽线函数与特性阻抗的关系 2.1.3 微带线 的传输特性 严格地讲，微带线属于非均匀介质系统，在非均匀介质的结构中不存在 TEM 模，而是TE 模和 TM 模的混合模。微带线可 以看成是由平行双导 线演变来的， 我们可以假想 在无限均匀介质中有一平行双导线线上传输的主模是 TEM 模，如果在两导线间的中心对称面上放置一个极 薄的理想的导体板，将双导线从中心对称面分
37、为上下两部分，在 任意 单根导线和理想导体平板之间馈电，其间仍可传输 TEM 模，因而将未馈电的那一根导线移去，也不会改变馈电的导线与理想导体平板场分布。把此馈电的导线变成扁平导体带，就形成了上半空间为同一种介质的微带线，若该介质是空气则称为空气微带线。 对于空气介质的微带线 ， 它是双导线系统 ， 且周围是均匀的空气 ,因此它可以存在无色散的 TEM 模 22-26。 由于空气 中 微带线的辐射损耗大，没有实际的使用价值 ，通常微带线是制作在介质基片上的 ，它 在导体和接地板之间填充有介质而上方是空气，因此，这个系统不仅存在介质与导体的分界面，而且存在 空气与导体、空气与介质的分界面。在这种
38、混合介质系统中，是不存在 单纯的 TEM 模。 可以证明 ,在两种不同介质的传输系统中 ， 不可能存在单纯的 TEM 模 ， 而只能存在 TE 模和 TM 模的混合模。但在微波波段的低频端由于场的色散现象很弱 ,传输模式类似于 TEM 模 ,故称为准 TEM 模， 如图 2.6 所示 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章 共面波导与微带线转接头理论基础 10 图 2.6 微带线结构电磁场分布图 正因为微带线导带与地平面之间的场结构分布不能完全包含在介质里面，沿着导带的传播模式并不是完全横向电磁场而是准 TEM 模。假设准 TEM 模式传播，微带线中的相速度为： pv effc （ 2.7）
39、其中， c 为光速， ef 则是介质材料的绝对介质常数，考虑到外场因素， ef 要比相对介质常数 r 要小一些。 微带线中的波导波长为： pvg f （ 2.8） 微带传输线的特性阻抗为： 0 p1vZ C （ 2.9） C 是传输线每单位长度上的电容值。 低频下，基于准 TEM 模下的绝对介电常数 ef 和单位长度电容值 C 的计算分析是相对准确的。随着频率逐渐增高，纵向向横向转化的电场分量比值越来越大，传播模式也无法看做是准 TEM 模 27-30。 微带线的有效介电常数可以解释为一个均匀媒质的介电常数 , rreff 11 1= 22 1 1 2 dW （ 2.10） 这个均匀媒质取代了
40、微带线的空气和电介质区域。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章 共面波导与微带线转接头理论基础 11 给定微带线的尺寸，特征阻抗可以计算为： Z0=60 8ln( )4eff dWWd 1201 . 3 9 3 . 6 6 7 l n ( 1 . 4 4 4 )e ff W d o W d (2.11) 给定微带线的特征阻抗 Z0 和介电常数 r 时， 微带线结构比值 W/d 可以计算为： Wd =28 2AAee 12 0 . 6 11 l n ( 2 1 ) l n ( 1 ) 0 . 3 92rrrB B B (2.12) 其中： 0 rrrr11 0 . 1 1( 0 . 2 3
41、)6 0 2 1ZA （ 2.13） 0r3772B Z （ 2.14） 2.1.4 传输线的损耗、色散及高次模 共面波导 与微带线 的损耗分成三部分 ：介质损耗，导体损耗，辐射损耗。其产生的原因如表 2.2.1 所示： 表 2.1 传输线的损耗类型及成因 损耗类型 损耗成因 介质损耗 当电场通过介质时，由于介质分子交替极化和晶格来回碰撞，而产生的热损耗。为了减小这部分损耗，应选择性能良好的介质如高纯度氧化铝、蓝宝石、石英等作为基片材料。 导体损耗 传输线的导体具有有限的电导率，电流通过时引起热损耗。在高频下，趋肤效应减小了微带导体的有效面积，更增大了这部分损耗。共面波导尺寸很小，导体损耗也是
42、其主要损耗部分。 辐射损耗 由于 传输线场结构的半开放性所引起。减小横截面尺寸时，这部分损耗即很小，而只在 不均匀点才比较显著。 上述三部分损耗以介质损耗和导体损耗为主。因此，应从介质材料的选择和 传输线 的尺寸设计上充分考虑。 和共面波导一样，损耗是微波传输线中必须考虑的重要参数之一，由于它会影响设计电路的性能的优劣，在设计过程中，我们需要尽量避免损耗，微带线的损耗比波导和同轴线的1Wd 1Wd 2Wd 2Wd 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章 共面波导与微带线转接头理论基础 12 大。微带线的损耗主要分成三种：介质损耗，导体损耗，辐射损耗。 31-33 以上分析都是基于微带线中的准
43、TEM 模当做 TEM 模处理，因而微带线的相速或等效介电常数均与 频率无关，既没有色散效应，这个在低频情况下是完全适用的。当频率提高，而各种高次波型开始起作用。这时按照 TEM 波分析得到的微带线参量和实际测试得到的结果之间的差距越来越大，产生这种差异的根本原因在于：介质基片只存在于到地板和接地板之间，相对于全空气或者全介质充满整个空间的情况，边界条件发生了改变，增加了介质和空气的界面，使得微带线中，纵向场分量 0zE ， 0zH 而 TEM 波的条件是 0zE ， 0zH ，因此这时 微带线中不再单独存在 TEM 模式，实际传输的是混合波，可以同时满足微带的导带边界和介质界面的边界条件，没
44、有截止频率，能在任何频率下传播。准 TEM 波的纵向分量的大小随着工作频率而变化，当工作频率升高时，纵向场分量增大，色散随之增强，和 TEM 模式的差别就越来越大。只是在工作频率低于某临界值 f0 时，才可以忽略场的纵向分量，当工作频率高到一定程度后，这时除了主模准 TEM 模式外还会出现高次模，高次模的存在，除了使参量偏离于按准 TEM 模分析的结果外， 还增加了辐射损耗，并且引起电路中各模式之间的相互耦合，使工作状况恶化 33-34。 在高频段工作的微带线中，高次波型主要有两种：波导波模和表面波模。前者存在于导带和接地板之间，后者是一种沿着接地板和介质基片表面的传输的波。 （ 1） 波导波
45、型 对于每一种波导，都存在一个截止波长 c 。只有工作波长小于 c ，该波型才能传播，否则很快就衰减。而 c 取决于微带线的横截面尺寸 ，几何形状以及基片的介电常数。 （ 2） 表面波型 表面波就是沿介质表面传输的波。其主要电磁能量集中于金属接地板以上的介质几篇中，而在介质薄层外沿垂直介质表面方向按指数规律衰减，电磁场沿介质表面传输。当介质的介电常数大于空气介电常数时，表面波的大部分电磁能量集中于导体和介质板附近。 2.2 常见的 共面波导与微带线转接头种类 微波转接头是一个从一种传输线发射微波能量到另一种传输线的接口，我们需要它拥有足够低的反射损耗和耗散损耗。理想的转接头应当拥有以下特点：
46、（ 1） 在工作带宽下拥有足够低的传输和反射损耗。 （ 2） 易 于连接以调整不同的结果。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章 共面波导与微带线转接头理论基础 13 （ 3） 在线路设计且易于加工。 （ 4） 适用于不同的介质厚度。 对于这种转接头的设计通常由两部分组成：机械设计和电特性设计。机械设计为了匹配不同传输线之间的电场磁场分布，尽可能的减小不连续性电抗。电特性设计是为了匹配不同接口端的特性阻抗以及其他不连续性电抗从而达到在工作带宽下损耗最小。通常情况下，场的匹配是根据改变转接头的结构特性，阻抗匹配和不连续性电抗补偿是通过四分之一波长变换器或者渐变结构实现 35。 转接头有很多种类
47、，但是我们关心的转 接头设计过程中需要确保可靠的无失真 的信息 传输。在低频模拟和数字电路中，转接头可以简单的看做拥有足够低的电阻和电流承载能力的导线。然而如果是一定距离的传输，转接头必须考虑为电路的一个部分。对于转接头的信号传输最早的基本概念是从电报信号的数字信号发送开始的，最初的信号完整性较差，只能用于短距离的电报传输 38-40。 （ 1） 通过带状连接器连接共面波导和微带线 在这种连接结构中，微带线的电介质基片是用粘合剂结合到接地平面的共面波导上的，如图 2.7 所示。 图 2.7 通过带状连接器连接共面波导和微带线 41 这种结构允许传输线路共享一个共同的平面 。开路端的 CPW 中
48、心导带和微带线的导带使用金带连接，开路端的传输线等效并联电容同金带的等效电感串联，形成一个 型等效电路。这种类型的电路具有一个低通特性，所以对于高宽带，并联电容和串联电感必须要保持很小。 （ 2） 通过电磁场耦合无通孔连接共面波导和微带线 这种结构和特点的转接头主要有两种连接方式。第一种转接头结构，微带线和共面波导南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章 共面波导与微带线转接头理论基础 14 分别在各自的介质上，微带线在共面波导上面并且两种传输线共享同一个地平面，两种传输线的导带如图 2.8 一样重合在一起。通过导带金属的电磁耦合是的无需带线的连接。 图 2.8 异面无通 孔连接共面波导和微带线 18 第二种转接头结构是将共面波导和微带线通过共同连续的导带结构加工在同一块介质基片上，如图 2.9 所示。 图 2.9 共面无通孔连接共面波导和微带线 18 相比第一种转接头电磁场耦合转接头结构这是在不同的地平面间形成电磁耦合。另外
