微波集成传输线

1、带状线

带状线是一种三导体TEM波传输线。带状线的结构如下图所示。上下两块导体板是接地板,中间的导体带位于上下板的对称面上,导体带与接地板之间可以是空气介质或填充其他介质,故又称为三板线或夹心线。

带状线结构使得电磁波在介质中传输,无法辐射(辐射很小,可忽略),故其损耗与同轴线相当。带状线不仅在微波集成电路中充当连接元件和器件的传输线,同时还可用来构成电感、电容、谐振器、滤波器、功分器、耦合器等无源器件。

表征带状线的特性参数主要是特性阻抗、相速度、波导波长、衰减和功率容量等。

2、微带线

微带线目前是混合微波集成电路(HMIC)和单片微波集成电路(MMIC)以及多芯片互连(MCM)使用最多的一种平面型传输线。微带线或由微带线构成的微波元件,大多采用薄膜(如真空镀膜)和光刻等工艺在介质基片上制作出所需要的电路。此外,也可以利用在介质基片两面敷有铜箔的板,在板的一面用光刻腐蚀法制作出所需要的电路,而板另一面的铜箔作为接地板。

3、悬置和倒置微带线

悬置或倒置微带线传输的主模是准TEM模。悬置或倒置微带线中,电磁场的大部分处于空气中,介质影响不大,其有效相对介电常数e,接近于1,从而其特性参量接近空气中的参量,线中损耗大大减小,具有比微带线更高的Q值,接近于无色散,因此特别适合应用于滤波器、谐振电路等Q值较高的场合。悬置微带线的缺点是,与标准微带线相比,结构不紧凑。

4、槽线

槽线是在基片敷有导体层的一面上开出一个槽而构成的一种微带电路,在介质基片的另一面则没有导体层覆盖。为了使电磁场更集中于槽的附近,并减少电磁能量的辐射,则应采用高介电常数的介质基片。这种结构可以构成各种电路图形,而且由于两个有电位差的导体带位于介质基片的同一面,这对于安置固体器件(尤其是需要并接安置时),以及需要对地形成短路时,都比较方便。

槽线属于分区填充介质的导波系统。槽线两导电层上加上电压,电压横跨于槽,在槽中介质表面上由于位移电流不连续,磁场在垂直于槽的纵平面上形成闭合曲线,因此槽线工作于非TEM模,属于--种波导模,它的场结构如图3.5–2所示。这种模没有截止频率,但是具有色散性质。因此,它的相速和特性阻抗均随频率而变。槽线是一种宽频带结构,这是微带传输线所不具备的。由于槽线是平面结构,特别适合微波集成电路。在实际的应用中,如果在介质基片的一面制作出由槽线构成所需要的电路,在介质基片的另一面制作出微带传输线,那么,利用它们之间的耦合即可构成滤波器和定向耦合器等元件。

5、共面传输线

共面传输线是指所有导电层都集成在介质基片同一平面上的传输线。这些传输线包括槽线,共面波导(CPW)、共面带线(CPS)。与槽线相似,共面波导和共面带线的明显优点是与有源器件和无源元件连接十分方便,不需在介质基片上打孔。共面波导还具有椭圆极化磁场,可制成非互易铁氧体器件。

共面波导的结构如下图所示。即在介质基片的一面上制作出中心导体带,并在紧邻中心导体带的两侧制作出接地板,而介质基片的另一面没有导体层覆盖,这样,就构成了共面波导,或称之为共面微带传输线。为了使电磁场更加集中于中心导体带和接地板所在面的空气与介质的交界处,则应采用高介电常数的材料作为介质基片。这种结构,由于中心导体与接地板位于同一平面内,因此,对于需要并联安置的元器件是很方便的。在共面波导中安置铁氧体材料后,就可以构成谐振式隔离器或差分式移相器。

共面带线是由在介质基片上同一面的两条相互平行的导带组成,如下图所示。

6、鳍线

鳍线是安装在金属矩形波导E面上的平面电路,金属鳍印刷在介质基片上,基片夹在波导中。鳍线的结构可视为带屏蔽波导的槽线。鳍线的介质基片可以穿过波导的宽壁,鳍与屏蔽波导之间也可加介质隔离片以供安装固体器件施加偏压,在这种情况下,壁厚应为入g/4才能保证鳍与屏蔽波导内壁射频短路。鳍线的结构也可看成带介质片的脊波导,它的单模带宽比通常的标准矩形波导宽得多。

当两根带状线或者两根微带线的导体带靠得很近时,导带之间必然存在电磁能量的耦合,这样就构成耦合带状线和耦合微带线,称为耦合传输线简称耦合线。

1、耦合带状线

耦合带状线的结构型式有多种,如下图所示。利用耦合带状线可以构成滤波器、定向耦合器、电桥等微波元件,以及其他用途的耦合电路。和带状线的情况一样,耦合带状线传输的主模也是TEM模,因此对于耦合带状线特性的分析,同样可以采用静态场分析方法。对耦合带状线的分析,通常可采用奇模和偶模的分析方法。

2、耦合微带线

耦合微带线在无源和有源微波集成电路中有着广泛的应用,如在定向耦合器、滤波器和阻抗匹配网络中的应用。如下所示是一个对称耦合微带线的结构简图。所谓对称耦合微带线，即相耦合的两个微带线具有相同的截面尺寸,相同的导体带和接地板材料,以及相同的填充介质。

[1] 徐锐敏, 微波技术基础(修订版). 2009.

[2] David. M. Pozar, Microwave.Engineering, Fourth Edition. John Wiley & Sons, Inc, 2011.

[3] R. N. Simons, Coplanar Waveguide Circuits, Components, and Systems. in Wiley Series in Microwave and Optical Engineering. New York, USA: John Wiley & Sons, Inc., 2001. doi: 10.1002/0471224758.