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            高频板-有哪些常用射频微波传输线

            发布日期:2021-11-08 11:39:15  |  关注:10

            高频板射频信号可以通过无线信道传输,即自由空间传输,也可以通过有线信道传输,即传输线传输。微波传输线在射频系统中起着非常重要的作用。利用微波传输线,不仅可以有效地传递微波信号,而且通过恰当的设计,还可以构成各种微波器件,(高频板)微波电路和天线。常见的导波系统有规则传输线(如平行双线、同轴线)、金属波导(如矩形波导、圆波导)和表面波波导(如微带线)。


                大多数实用的波导结构都是单模传输。因此,可以根据纵向场分量Ez和Hz的存在与否,高频(高频板)对波导中传播的电磁波进行如下分类:


                横电波,又称为TE波:Ez=0,Hz≠0


                横磁波,又称为TM波:Ez≠0,Hz=0


                横电磁波,又称为TEM波:Ez=0,Hz=0


                混合波:Ez≠0,Hz≠0


                而根据传输线还可以依据不同的极化方式进行分类,如下图所示。TEM波是同轴线和平行板传输线的主要传输方式。TE和TM波则通常出现在矩形、圆形、椭圆形或脊状波导中。除了TEM、TE或TM模式外,混合波还包含电场和磁场的所有六个分量(Ex、Ey、Ez、Hx、Hy、Hz)。而混合波主要在微带(MS)传输线、槽线(SL)和共面波导(CPW)结构中传输。

            罗杰斯高频板.png


            图1传输线分类



                而这其中,(高频板)现代微波电路和系统中最常用的三种传输线:同轴线,矩形波导和微带线,分别有着不同的优缺点,如表1所示。可以看出,波导更适合于雷达和类似的(高频板)的高频/高功率的应用场景,在这些应用中,它们的物理尺寸不会成为障碍;相对于的,同轴线和微带线在高频的损耗要相对的高;而对于集成度和尺寸都严格要求的情况下,例如手机,手持接收机和一些固态、大功率放大模块等,(高频板)微带线则是首选。

            罗杰斯PCB.png

                表1常用(高频板)射频导波传输系统的对比


                下面就针对这几种典型的传输线的工作原理以及类型做个简单介绍:


                同轴传输线


                同轴线是将信号从源头传输到终端使用的最常用的设备,它是在传输过程中用连接器将电缆、信号源、终端连接到一起。在射频同轴电缆中,电磁波的传播模式是TEM模,即电场与磁场方向均与传播方向垂直,如图2所示,同轴电缆由内导体、介质、外导体和护套组成。

            罗杰斯线路板.jpeg

            图2 同轴线的剖面示意图(左),分解示意图 



                而同轴线的截止频率,可以通过下列公式计算得到:

            PCB打样.png


                在截止频率以内,信号都以TEM波的形式传播。而且由截止频率计算公式可以看出,同轴线的内外导体尺寸决定了截止频率,同时,一般来说尺寸(轴向)越小的同轴线,传输频率越高。


                而同轴线的另外一个重要参数是特征阻抗。实际上,同轴电缆的阻抗有25Ω,50Ω,75Ω,93Ω等,但在绝大数场合,都选用50Ω作为标准,这是为什么呢?


                对于空气介质同轴电缆,为使损耗最小,要求外导体内径与内导体外径的最佳比值为3.6,对应的阻抗Z0为77Ω。而最大功率容量时,外导体内径与内径导体之比应为1.65,对应的阻抗Z0为30Ω。所以,50Ω的阻抗标准是一个综合的考虑,即是同轴电缆最小损耗和最大功率容量之间的折中值。


                与同轴线紧密相连的高频板射频和高频板微波同轴连接器的发明,要追溯到第二次世界大战期间的20世纪40年代,随着高频板雷达和各种无线电通信设备的诞生,最早出现了N和BNC等连接器。如图下表,罗列了常用的射频同轴连接器的主要电气参数。

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                表2常用高频板射频同轴连接器的电气参数表


                矩形导波中可以出现各种TM模和TE模,以及线性组合。当工作波长小于各种模式的截止波长,或者工作频率大于各种模式的截止频率时,这些模式都是传输模,因而波导可以形成多模传输。


                高频板(高频线路板/高频电路板)矩形波导的截止频率为:


                截止频率不仅与波型和波导尺寸有关,还与高频板波导中所填充的介质有关。


                波导管的优点是导体损耗和介质损耗小;功率容量大;没有辐射损耗;结构简单,易于制造。从应用的角度看,描述高频板波导的特征参数有以下四点:


                色散特性:色散特性表示波导纵向传播常数与频率的关系。与普通传输线不同,波导里不能传输TEM模,电磁波在传输过程中存在严重的色散现象,色散现象说明电磁波的传播速度与频率有关。


                特性阻抗:特征阻抗Z在幅值上反映波导横向电场与横向磁场之比。当不同波导连接时,特征阻抗越接近,连接处的反射越小。波导的特征阻抗是量度连接处对电磁能反射大小的一个很有用的参量。


                损耗:损耗是限制波导远距离传输电磁波的主要因素。


                场分布:满足波导横截面边界条件的一种可能的场分布称为波导的模式,不同的模式有不同的场结构,它们都满足波导横截面的边界条件,可以独立存在。


                波导传输线


                在电磁学和通信工程中,波导这个词可以指在它的端点间传递电磁波的任何线性结构。但最初和最常见的意思是指用来传输无线电波的空心金属管。这种波导主要用作微波频率的传输线,在微波炉、雷达、通讯卫星和微波无线电链路设备中用来将微波发送器和接收机与它们的天线连接起来。


                一般来说波导主要有两大类,金属波导和介质波导两种。金属波导一般就是指空心金属管,根据波导截面形状不同,可分为矩形波导、圆波导等。目前,在实际应用中,矩形波导和圆波导仍是两种最主要的波导方式。

            高频电路板加工.png

                图4常见的波导类型


                高频板矩形导波中可以出现各种TM模和TE模,以及线性组合。当工作波长小于各种模式的截止波长,或者工作频率大于各种模式的截止频率时,这些模式都是传输模,因而波导可以形成多模传输。


                矩形波导的截止频率为:


                截止频率不仅与波型和波导尺寸有关,还与波导中所填充的介质有关。


                波导管的优点是导体损耗和介质损耗小;功率容量大;没有辐射损耗;结构简单,易于制造。从应用的角度看,描述波导的特征参数有以下四点:


                色散特性:色散特性表示波导纵向传播常数与频率的关系。与普通传输线不同,波导里不能传输TEM模,电磁波在传输过程中存在严重的色散现象,色散现象说明电磁波的传播速度与频率有关。


                特性阻抗:特征阻抗Z在幅值上反映波导横向电场与横向磁场之比。当不同波导连接时,特征阻抗越接近,连接处的反射越小。波导的特征阻抗是量度连接处对电磁能反射大小的一个很有用的参量。


                损耗:损耗是限制波导远距离传输电磁波的主要因素。


                场分布:满足波导横截面边界条件的一种可能的场分布称为波导的模式,不同的模式有不同的场结构,它们都满足波导横截面的边界条件,可以独立存在。

            生产高频板厂家.png

                表3常用标准矩形波导管规格标准对照表


                微带传输线


                高频板微带传输线是由支在介质基片上的单一导体带构成的高频板微波传输线。适合制作微波集成电路的平面结构传输线。与金属波导相比,其体积小、重量轻、使用频带宽、可靠性高和制造成本低等优点;但其缺点是损耗稍大,功率容量小。60年代前期,由于微波低损耗介质材料和微波半导体器件的发展,形成了微波集成电路,使微带线得到广泛应用,相继出现了各种类型的微带线。

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                图5微带线结构示意图


                高频板共面波导的结构类似于微带线,是在微带线的金属导线两侧加上接地板,而在介质基片的地面没有接板,如下图所示:


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                图6共面波导传输线结构示意图


                高频板(高频线路板/高频电路板)共面波导作为一种性能优越、加工方便的微波平面传输线,在MMIC电路中正发挥越来越大的作用,尤其到了毫米波频段,高频板的共面波导更拥有微带线所不可比拟的性能优势。与常规的微带传输线相比,共面波导具有容易制作,容易实现无源、有源器件在微波电路中的串联和并联(不需要在基片上穿孔),容易提高电路密度等优点。


                总结


                同轴线适合传输信号功率不大,对传输线损耗要求不高的场合。


                波导传输射频信号的优点是功率容量大、损耗低,特别适合波长在10cm以上的波段。它的缺点是体积大、重量大,不利于集成。


                微带线可以用光刻工艺制作,其体积小、重量轻、使用频带宽、可靠性高和制造成本低等优点,尤其是易于集成的优点,使其广泛应用于印刷电路板中。其缺点也比较明显,损耗稍大,功率容量小。


                深圳市鑫成尔电路科技有限公司多年从事高频微波射频线路板(高频板/高频线路板/高频电路板),对于微波雷达、射频天线、微波天线等有专业的生产经验,公司常年备有进口和国产板材,板材有:Rogers罗杰斯、泰康尼克、中英、F4B/TP-2旺灵板材,介电常数2.2-16不等,可及时为您提供最优质的服务。


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