真空電子學

[拼音]：weidaixian he leiweidaixian

[英文]：microstrip and microstrip-like transmission lines

適合製作微波積體電路的平面結構傳輸線，有微帶線、共面線、槽線和鰭狀線等多種形式（圖1），應用最廣的是微帶線。微帶線與金屬波導相比，它的優點是體積小、重量輕、使用頻頻寬、可靠性高和製造成本低等；缺點是損耗稍大，功率容量小。

傳統的微波傳輸線是同軸線和金屬波導。隨著微波頻率的不斷提高和微波裝置的小型化，傳輸線的結構日益增多。60年代前期，由於微波低損耗介質材料和微波半導體器件的發展，形成了微波積體電路，使微帶線得到廣泛應用，相繼出現了各種型別的微帶線。

微帶線和類微帶線一般用薄膜工藝製造。介質基片選用介電常數高、微波損耗低的材料，如氧化鋁陶瓷、石榴石鐵氧體和石英等。導體還應具有導電率高、穩定性好、與基片的粘附性強等特點。

微帶線

含有空氣和基片的混合介質傳輸線。在較低的微波頻率上，它的最低模式的縱向場分量很小，因此可近似為TEM模傳輸線，稱為準TEM模（圖2）。對於較高的微波頻率，則必須考慮混合模的色散特性和高次模的影響。

微帶線的主要特性參量有特性阻抗、等效介電常數和衰減常數。特性阻抗

，式中 C1＝εeffC

，是微帶線中在傳輸方向上單位長度內的電容量；C

是相同尺寸，但沒有基片的空氣微帶的單位長度電容量；

是電磁波在微帶中傳輸的速度;vc是空氣中的光速；εeff稱為等效介電常數。

衰減常數表示微帶的損耗，包括導體損耗、介質損耗和輻射損耗。導體損耗比介質損耗大，它與導帶的材料、尺寸和表面光潔度等有關。介質損耗取決於基片的介電常數、損耗角正切以及導頻寬度與基片厚度之比(簡稱微帶的寬高比)。輻射損耗也取決於基片的介電常數和微帶的寬高比。微帶線的任何不連續性，尤其是開路端和彎曲都將使輻射增加。把微帶置於金屬封閉殼內的遮蔽微帶線可避免電磁能輻射。

隨著微波頻率的提高，用準TEM模方法計算微帶線參量的誤差逐漸增大，必須採用同時考慮TM模和TE模的混合模分析方法。混合模具有色散特性。

微帶線在毫米波頻率容易發生高次模。開式微帶線的高次模由離散模譜和連續模譜兩部分組成，離散模譜屬表面波（慢波），連續模譜是快波。遮蔽微帶的高次模是離散模譜。

為避免高次模，微帶線應選用較低介電常數的介質基片，如石英；或採用懸置微帶，在它的基片與接地面之間有空氣層相隔，它還可降低損耗。若空氣層用低介電常數的材料代替，則稱為雙層介質微帶。

耦合微帶線

在同一介質基片上置有兩條或多條平行導帶並互相耦合的微帶線。兩條平行導帶的耦合微帶線可激勵兩種獨立的模式。一對耦合線分別端接等幅反相的電壓，叫作奇模激勵，此時任何橫截面上兩導帶的電壓都等幅反相，所傳輸的波稱為奇模。耦合線分別端接等幅同相的電壓，則稱偶模激勵，此時，任何橫截面上兩導帶的電壓都等幅同相，所傳輸的波稱為偶模。奇、偶模的場分佈不同（圖2），其參量也不一樣。記耦合微帶奇、偶模的單位長度電容量為C0(εr)和Cθ(εr)，當用空氣代替基片時，其值為C0(1)和Cθ(1)，且耦合微帶的奇、偶模等效介電常數為

εeff，0＝C0(εr)/C0(1)

εeff，θ＝Cθ(εr)/C0(1)

則奇模和偶模的相速度為

奇模和偶模的特性阻抗為

Z0，o＝1/vp，oC0(εr)

Z0，θ＝1/vp，θCθ(εr)

由於奇模激勵時電場分佈在介質和空氣中的比例小於偶模激勵，使εeff，0＜εeff，θ，因此vp，o＞vp，θ，Z0，o＜Z0，θ兩導帶相距越近，則耦合越強，奇、偶模的特性阻抗相差也越大，反之亦然。

除對稱平行耦合線外，還有不對稱平行耦合和多導帶耦合等結構。隨著頻率的提高，還必須考慮混合模的色散特性和高次模的影響。

共面線

它的中心導帶與接地帶位於介質基片的同一側，這種結構容易同各種元件、器件並聯而無需像微帶那樣在基片上鑽孔安裝。共面線存在磁場的橢圓極化區，適宜製作鐵氧體非互易器件，這時需要引入等效磁導率μeff。共面線的特性參量也有混合模和準 TEM模兩種分析方法。共面線的損耗稍大於微帶線。減小中心導頻寬度與兩接地帶間距的比值，可以避免電流在導帶邊緣的過分集中，從而降低導體損耗。然而為減小輻射損耗，接地帶的間距又必須遠小於共面線的波導波長。

槽線

與微帶線呈互補結構，其介質基片僅一側敷有導電層，並刻有一條窄槽。槽線的電磁場集中在槽的附近，電場橫跨於槽上，磁場垂直於槽所在的平面。它也存在磁場的橢圓極化區，與共面線有類似的特點。槽線、共面線均可與微帶線結合使用，製成各種微波電路。

槽線只傳輸混合模，其最低模式類似於矩形波導中的TE10模，但沒有截止頻率。槽線的特性阻抗為Z0=U2/2P，其中P是傳輸功率，U是槽間電壓。槽縫越寬，則特性阻抗越高。由於製造工藝的限制，槽線只適宜製成高阻抗線，而微帶則宜製成低阻抗線。槽線的特性阻抗隨頻率的變化比微帶大，損耗也略大於微帶。槽線的等效介電常數隨頻率提高而增大，但稍低於微帶。

鰭狀線

由平面積體電路與矩形金屬波導結合而成的毫米波整合傳輸線。平面積體電路置於矩形波導的 E平面內，也可視為遮蔽槽線或用介質片載入的脊波導。遮蔽外殼選用波段的標準金屬波導，介質材料用玻璃纖維強化的聚四氟乙烯薄片。鰭狀線按平面電路的形式分為單側、雙側和對蹠等形式，以單側鰭狀線應用最廣。鰭狀線的特點是單模頻頻寬、損耗比微帶小，以及裝配半導體元件和器件較方便等。鰭狀線中也只能傳輸混合模，其最低模式也類似於矩形金屬波導中的 TE10模。它與槽線不同之處是電磁場分佈在波導中，而不是聚集在槽的附近。鰭狀線的特性阻抗在槽寬與波導高度相等時最大，相當於介質片載入的波導。阻抗隨槽寬減小而下降，最小阻抗受制造工藝限制。鰭狀線的導波長一般大於自由空間波長，但當槽寬遠小於波導高度時卻小於自由空間波長。鰭狀線廣泛用於20吉赫以上的毫米波頻率。

參考書目

L.Young and H.Sobol， Advances in Microwaves，Vol. 8，Academic Press，New York，1974.