微带线计算器的研究与开发毕业设计论文(编辑修改稿)

微带线计算器的研究与开发毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

并依赖于基片厚度 d 和导体宽度 W。 1） 微带线是一根带状导 (信号线 )， 与地平面之间用一种电介质隔离开。 如果线的厚度、宽度以及与地平面之间的距离是可控制的，则它的特性阻抗也是可以控制的。 2） 带状线是一条置于两层导电平面之间的电介质中间的铜带线。 如果线的厚度和宽度、介质的介电常数以及两层导电平面间的距离是可控的，那么线的特性阻抗也是可控的。 3） 单位长度微带线的传输延迟时间，仅仅取 决于介电常数而与线的宽度或间隔无关。 常熟理工毕业设计（论文） 10 4） 微带线速度 快 ，抗干扰能力弱，带状线速度慢些，抗干扰能力强些。 5） 通常同样的介质条件微带线的损耗小（线宽），带状线的损耗大（线细，有过孔）。 本章主要介绍了微带线的一些基本知识，先介绍了微带线的定义结构及特点，然后重点介绍了微带线的传输模式，微带线与带状线不同，微带线传输的是准 TEM 模，本章也详细解释了这个原因，这个重要特点对微带线的研究非常关键，关系到微带线的一些特性参量的计算，下一章就会介绍。 另外还比较了微带线和带状线，这两个重要的传输线的 区别，列出了几个重要区别。 常熟理工毕业设计（论文） 11 3 微带线的主要参数 [5] 微带线的有效介电常数可以解释为一个均匀煤质的介电常数， e = 21rWdr 121 12 1  （ ） 这个均匀煤质取代了微带线的空气和电介质区域，如图所示。 于是相速和传播常数由式（ ）和式（ ）给出。 特性阻抗 我们假定已形成的线路导体的厚度 t 与基片的厚度 h 相比可以忽略不计（ t/h）。 在这种情况下，我们能够利用只与线路尺寸（ w 和 h）和介电常数 r 有关的公式。 它们可以分为两个应用区域，该区域的划分依比值 w/h 大于还是小于 1而定。   hWWhZ e  w/h 1 （ ）d W e 图 31 准 TEM 微带线的等效几何结构，其中厚度为 d，相对介电常数为 r 的电介质被相对有效介电常数为 e 的均匀煤质取代 常熟理工毕业设计（论文） 12      221 12 1 hWW hrre （ ）    11200  hWhWZ e  w/h 1 （ ） 211212 12 1  Whrre  （ ） 当导体带厚度 t 0 时，可等效为导体带宽度为 ew ，修正公式为（ th， tw/2） :   tWhthWthhthWhW e4ln12ln1 2121hWhW （ ） 微带线电路的设计通常是给定 0Z 和 r ，要计算导体带宽度 W。 此时可由上式得到的综合公式：     rrrAABBBeehW2112ln12282 22hWhW （ ） 式中 A=  rrrrZ  160 0 （ ） B=rZ 02377 （ ） 衰减常数表示微带 的损耗 ，包括导体损耗、介质损耗和辐射损耗。 其衰减常数分别用 rdc  , . 来表示。 当微带基片的相对介电常数 r 较大，以及横截面尺寸 hw 比值较大时，辐射损耗可以忽略不计，将微带线的总衰减表示为： dcdcL PPPPPPPL   )(2 1221 000 （ ） 常熟理工毕业设计（论文） 13 上式中， 0P 为行波传输时微带线的传输功率； cP 为单位长度介质损耗功率；dP 为单位长度导体损耗功率。 导体损耗 导体损耗：高频趋附效应引起的导带和接地板上非理想导体的欧姆损耗，由于微带线横截面尺寸远小于波导和同轴线，导体损耗也比较大，是微带线的主要组成部分 导体损耗的特点： 基片的厚度 h 减小，两导体之间的磁力线密度增大，损耗将增加。 导体表面的光洁度下降，或导体的电导率  减小，损耗将增加。 工作频率升高，微带线的损耗将增加。 微带线行波状态下的传输功率定义为： 020 2121 ZIIVP  （ ） 单位长度的导体损耗功率定义为： 0221 RIPC （ ） 式中的 0R 是微带线的单位长度导体的等效欧姆电阻，因此 000 22 ZRPPcc  （ ） 另一种估算导体损耗是用“特性阻抗微扰法” ,得到： nZZRc  000240  （ ） 其中， n 是导体单位法向量。 这个公式的推导很复杂，其中等效分布电阻 0R的值过程也是极其复杂的。 介质损耗 介质损耗：实际介质在交变场作用下，介质分子交替极化和晶格来回碰撞而产生的介质热 损耗。 在毫米波段内，这部分损耗将加剧。 d 比导体损耗小很多 常熟理工毕业设计（论文） 14 设电场全处在介质基片上，其中介质基片的磁导率为 0 ，介电常数为  ，电导率为 。 根据玻印廷定理，功率可表示为： SdESdHEP 2*0 21])R e[ (21    （ ） 其中  为 TEM波的波阻抗， 即  = 0 单位长度介质损耗功率为： dSEL dVEEP d 2* 2121    （ ） 由式子（ ）和（ ）得到： d = kwwpp ed 2t a n)(222 000   （ ） 其中， etan 为介质损耗角正切，表示为： etan = )/( w ； k为传输线横电磁波的相位常数，表示为： gwwk  /2 ， g 是介质中的波长，因此： mNpged /tan   （ ） 通常我们写成 : mdBged /ta    （ ） 但是微带线是部分填充介质的传输线，所以，其介质损耗比介质填充时要低，其修正结果为： d =geerre   tan11  （ ） 当工作在 10GHz 以下时，微带线的导体损耗比介质损耗要大得多，求解微带的导体损耗最常用的是“增量电感法“。 以介质损耗较大的 96%氧化铝瓷为介质基片的 50Ω微带线为例，微带基片 厚度 h=，导体材料是金，可以计算出 10GHz 以下微带线的介质损耗为 d 。 而计算的 10GHz 以下的导体损耗 c =。 可以看出 c 比 d 约大 6 倍。 如果选用 %的氧化铝瓷常熟理工毕业设计（论文） 15 做为介质基片，则 c 比 d 约大 36 倍，所以与 c 相比， d 是可以忽略的。 辐射损耗 辐射损耗：由导带两侧半开放性引起的，其相应的辐射衰减常数为 r ，其特点： 导体带的宽度 W 越小，微带线的辐射损耗越大 基片的介电常数大，辐射损耗小 辐射损耗的降低可以减少微带线的横截面来实现，但是这种方法也只有在线的不均匀点才比较明显，其理论分析往往比较复杂。 在工程应用上， 为避免辐射和减少衰减，以及防止对其他电路的影响，常常将微带电路封装在金属屏蔽盒中。 微带线的波导波长也称为带内波长 , 即 eg  0 （ ） 结论： 微带线的波导波长与有效介电常数 e 有关 , 也就是与 w/h 有关 , 亦即与特性阻抗 Z0有关。 对同一工作频率 , 不同特性阻抗的微带线有不同的波导波长。 微带线的色散特性 [6] 色散是指电磁波的 传播速度随其频率变化而变化的现象。 微带线中传播的真正模式是一种 TE模和 TM模组成的混合模式。 这种混合模式能在任何频率下传播，但是它是色散的。 频率较低时，混合模就趋近于 TEM模。 因而微带线中传播的模式可近似地看成 TEM 模，或称它为准 TEM 模。 但在较高的频率下，当传输线尺寸远大于四分之一波长时，就必须考虑微带线的色散性质，此时高次模已经存在 在微带电路中，高次波型主要有两种：波导波型和表面波型。 前者存在于金常熟理工毕业设计（论文） 16 属带条和接地板之间，后者则只要在接地板上放一块介质基片即能存在。 （ 1） 波导波型 对于每一种波导，都存在一个截止 波长 c。 只有当工作波长小于 c 时，该波型才能传播，否则很快衰减。 而 c 则取决于微带线的横截面尺寸、几何形状及基片的介电常数。 微带线可以看成是宽度为 w、高度为 h、以相对介电常数为 r 的介质填充的平行波导，因此波导模有 TE 模和 TM模两种。 TE 模的最低次模是 T 10E 模，其电场只有横向分量，磁场则存在纵向 分量，由于平板波导两侧无短路金属板，相当于开路，因此在两边为电场波腹，平板中心为电场波节，这与金属矩形波导 T 10E模的场分布不同。 这种波型的截止波长恰等于在横截面方向存在半个驻波的波长，即：   )(2 2 hWWrrc  00tt （ ） 只有当工作波长小于此值时，该波型才能存在且沿直线传播。 微带线中最低的 TM 模是 T 01M 模，其波型的情况是磁场只有横向分量，电场则具有纵向分量和横向分量，电场横向分量在高度 h的两端是波腹，在 h/2 中心处是波节；而纵向分量位置恰恰相反。 此波型的截止波长也可以按 01TM 类型的方法来求，即在 h的高度上恰好存在半个驻波时相应的波长即为其截止波长，即：   rTMc h  201  （ ） 为了抑制波导模，微带线的最短工作波长 min 应满足： min max     0110 , TMcTMc  （ ） （ 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基片中，而在介质薄层外沿垂直介质表面方向按指数规律衰减，电磁场沿介常熟理工毕业设计（论文） 17 质表面方向传输。 当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。 表面波同样也分为 TE波和 TM 波两种。 每种波型都有其相应 的截止波长，与介质板厚度 h 及其相对介电常数 re 有关。 其中 TE波的截止频率为：  14  rTEe h ncf  （ ） TM波的截止频率为：  12  rTMc h ncf  （ ） 上两式中 c为光速，最低的 TM 型表面波的截止长度为：。