(完整版)微帶線初學(xué)入門

1、射頻/ /微波傳輸線微波傳輸線是用來傳輸微波信號(hào)和微波能量的傳輸線。微波傳輸線種類很多, ,按其傳輸電磁波的性質(zhì)可分為三類: :TEMTEM 模傳輸線( (包括準(zhǔn) TEMTEM 模傳輸線) )，如圖 3 3 1 1 1(1)1(1)所示的平行雙線、同軸線、帶狀線及微帶線等雙導(dǎo)線傳輸 線;TE;TE 模和 TMTM 模傳輸線，如圖 3 31 11(2)1(2)所示的矩形波導(dǎo) , ,圓波導(dǎo)、橢圓波導(dǎo)、脊波導(dǎo)等金屬波導(dǎo)傳輸線 ; ;表面波傳輸線 , ,其傳輸模式一般為混 合模, ,如圖 3 31 11(3)1(3)所示的介質(zhì)波導(dǎo) , ,介質(zhì)鏡像線等。(3：iky在射頻 / /微波的低頻段 , ,可以

2、用平行雙線來傳輸微波能量和信號(hào) ; ;而當(dāng)頻率提高到其波長和兩根導(dǎo)線間的距離可以相比 時(shí) , ,電磁能量會(huì)通過導(dǎo)線向空間輻射出去 , ,損耗隨之增加 , ,頻率愈高 , ,損耗愈大 , ,因此在微波的高頻段 , ,平行雙線不能用來 作為傳輸線。為了避免輻射損耗 , ,可以將傳輸線做成封閉形式 , ,像同軸線那樣電磁能量被限制在內(nèi)外導(dǎo)體之間, ,從而消除了輻射損耗。因此 , ,同軸線傳輸線所傳輸?shù)碾姶挪l率范圍可以提高 , ,是目前常用的微波傳輸線。但隨頻率的繼續(xù)提高 , ,同軸線 的橫截面尺寸必須相應(yīng)減小 , ,才能保證它只傳輸 TEMTEM 模 , ,這樣會(huì)導(dǎo)致同軸線的導(dǎo)體損耗增加 , ,尤

3、其內(nèi)導(dǎo)體引起損耗更 大 , ,傳輸功率容量降低。因此同軸線又不能傳輸更高頻率的電磁波, ,一般只適用于厘米波段。一 微帶傳輸線結(jié)構(gòu)微帶傳輸線應(yīng)用于低電平射頻微波技術(shù)中。 它的優(yōu)點(diǎn)是制造費(fèi)用省，尺寸特別小，重量特別輕，工作頻帶寬，以 及具有與固體器件的良好配合性； 其主要缺點(diǎn)是損耗較大， 不能在高電平的情況下使用。 由于微帶線結(jié)構(gòu)簡單 , ,便于 器件的安裝和電路調(diào)試 , ,產(chǎn)品化程度高 , ,使得 微帶線已成為射頻 / /微波電路中首選的電路結(jié)構(gòu)。微帶線的結(jié)構(gòu)如圖 3 33 3 1 1 所示。它是由介質(zhì)基片的一邊為中心導(dǎo)帶，另一邊為接地板所構(gòu)成，其基片厚度為 h,h,中心導(dǎo)帶的寬度為 w w。

4、其制作工藝是先將基片（最常用的是氧化鋁）研磨、拋光和清洗，然后放在真空鍍膜機(jī)中形成一 層鉻- -金層, ,再利用光刻技術(shù)制成所需要的電路，最后采用電鍍的辦法加厚金屬層的厚度，并裝接上所需要的有源器件 和其它元件，形成微帶電路。嚴(yán)格地講，微帶線屬于非均勻介質(zhì)系統(tǒng)，在非均勻介質(zhì)的結(jié)構(gòu)中不存在TEMTEM 模，也不存在純 TETE 模或純 TMTM 模,而是 TETE 模和 TMTM 模的混合模。微帶線可以看成是由平行雙導(dǎo)線演變來的，假設(shè)在無限均勻介質(zhì)中有一平行雙導(dǎo)線 線上傳輸?shù)闹髂Ｊ羌?TEMTEM 模，如果在兩導(dǎo)線間的中心對(duì)稱面上放置一個(gè)極薄的理想的導(dǎo)體板，將雙導(dǎo)線從中心對(duì)稱面分為上下兩部分，如

5、果在任一單根導(dǎo)線和理想導(dǎo)體平板之間饋電，其間仍可傳輸純TEMTEM 模，因而將未饋電的二微帶線中的主模 W- 11rr介質(zhì)材料11 1八r、tjjL- * -J1*冬3-3-13-3-1 微帶線的橫截 面結(jié)小意圖y導(dǎo)體 1tO導(dǎo)體 2那一根導(dǎo)線移去，也不會(huì)改變饋電的導(dǎo)線與理想導(dǎo)體平板場分布。把此饋電的導(dǎo)線變成扁平導(dǎo)體帶，就形成了上半 空間為同一種介質(zhì)的微帶線，若該介質(zhì)是空氣則稱為空氣微帶線。對(duì)于空氣介質(zhì)的微帶線，它是雙導(dǎo)線系統(tǒng)，且周圍是均勻的空氣，因此它可以存在無色散的 TEMTEM 模。圖 3-3-23-3-2 由普通傳輸線至帶形傳輸線的演變由于空氣微帶線的輻射損耗大，沒有實(shí)際的使用價(jià)值，通

6、常微帶線是制作在介質(zhì)基片上的，雖然它仍然是雙導(dǎo)線系統(tǒng) 在導(dǎo)體和接地板之間填充有介質(zhì)而上方是空氣，因此，這個(gè)系統(tǒng)不僅存在介質(zhì)與導(dǎo)體的分界面，而且存在空氣與導(dǎo) 體、空氣與介質(zhì)的分界面。在這種混合介質(zhì)系統(tǒng)中，是不存在純 TEMTEM 模。可以證明，在兩種不同介質(zhì)的傳輸系統(tǒng)中 不可能存在單純的 TEMTEM 模，而只能存在 T TE E模和 TMTM 模的混合模。但在微波波段的低頻端由于場的色散現(xiàn)象很弱，傳輸模式類似于 TEMTEM 模，故稱為準(zhǔn) TEMTEM 模。三微帶線的基本參數(shù)1 1 基本參數(shù)微帶線橫截面的結(jié)構(gòu)如圖 3-3-13-3-1 所示。相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)如下：(1)(1)基板參數(shù)：基板介電常數(shù)

7、r、基板介質(zhì)損耗角正切 tantanS、基板高度 h h 和導(dǎo)線厚度 t t。導(dǎo)帶和底板(接地板)金屬通常為銅、 金、 銀、錫或鋁；高速傳送信號(hào)的基板材料一般有陶瓷材料、 玻纖布、聚四氟乙烯、 其 他熱固性樹脂等。表 3-13-1 給出了微波集成電路中常用介質(zhì)材料的特性。表 3-13-1 微波集成電路中常用介質(zhì)材料的特性材料損耗角正切“諭X 10 （10 GHz時(shí)）相對(duì)介電常數(shù)電導(dǎo)率/應(yīng)用氧化鋁陶瓷99.5%96%85%2$1510980.300. 280. 20微帶線藍(lán)寶石110）40微帶線，集總參數(shù)元件lifeLJAX2050. 01微帶線，集總參數(shù)元件熔石英140. 01微帶線，集總參數(shù)

8、元件氧化鐵172. 50微帶線復(fù)合介質(zhì)坯片金紅石-41000. 02微帶線鐵氧體.4 - 2140.03微帶線，不可逆兀件聚四氟乙烯152. 5微帶線表 3-23-2 覆銅板基材的國內(nèi)外主要生產(chǎn)廠家(3)(3)微帶線參數(shù)：寬度 W W、 長度 L L 和單位長度衰減量 AdBAdB 。廠家產(chǎn)品說明江蘇泰興幾家企業(yè)不同厚度的聚四氟乙烯玻璃纖維增強(qiáng)型雙面扳.不同厚度不同環(huán)的復(fù)合介質(zhì)雙面板- 1國內(nèi)流行產(chǎn)品*用途最廣南京化工大學(xué)不同厚度、不同&的復(fù)合介質(zhì)雙面板性能良好.替代 進(jìn)口產(chǎn)品ROGERSRl/Duroid系列.TMM系列、FR-4系列玻璃纖維增 強(qiáng)聚四氛乙烯覆銅板*陶瓷粉填充聚四氟乙烯覆銅板

9、和隗 瓷粉埴充熱固性樹脂覆銅板，不同厚度、不同耳的復(fù)合介 質(zhì)雙面板優(yōu)異的介電性 能和機(jī)械性能有 相當(dāng)大的優(yōu)勢*這 類微波萃材和帶 鋁襯底的基材得 到大量應(yīng)用POL YFLON不同厚度的聚四報(bào)乙烯玻璃紓維增強(qiáng)型雙面板TconicRF-35系列摻雜有陶瓷成紛的FTEE/編織型玻璃板材Arion薄膜柔性扳材特殊場合(2)(2) 電特性參數(shù)：特性阻抗 Z Z。、工作頻率 f f0、工作波長入 、波導(dǎo)波長入g和電長度(角度)BO2 2 微帶電路實(shí)現(xiàn)有兩種實(shí)現(xiàn)方式：(1)(1)在基片上沉淀金屬導(dǎo)帶，這類材料主要是陶瓷類剛性材料。這種方法工藝復(fù)雜，加工周期長，性能指標(biāo)好，在毫米 波或要求高的場合使用。(2)

10、(2)在現(xiàn)成介質(zhì)覆銅板上光刻腐蝕成印制板電路 ，這類材料主要是復(fù)合介質(zhì)類材料。這種方法加工方便，成本低, ,是目前使用最廣泛的方法，又稱微波印制板電路。銅箔種類及厚度選擇由于微帶傳輸線的衰減值與導(dǎo)體材料的電導(dǎo)率有關(guān)，因此，應(yīng)選用導(dǎo)電率大的金屬，如金、銀、銅等。從導(dǎo)電性能來說，銅比金好，但金具有性能穩(wěn)定，表面不易氧化，抗腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，故一般用金作導(dǎo)體材料。目前最常用的銅箔厚度有 3535 卩 m m 和 1818 卩 m m 兩種。銅箔越薄，越易獲得高的圖形精密度，所以高精密度的微波圖形應(yīng) 選用不大于1818 卩 m m 的銅箔。如果選用 3535 卩 m m 的銅箔，則過高的圖形精度使工藝性變差

11、，不合格品率必然增加。研究 表明, ,銅箔類型對(duì)圖形精度亦有影響。目前的銅箔類型有壓延銅箔和電解銅箔兩類。 壓延銅箔較電解銅箔更適合于制造高精密圖形，所以在材料訂貨時(shí)，可以考慮選擇壓延銅箔的基材板。又考慮到，無論是金還是銅，它們和介質(zhì)片 （常稱為基片）的粘附性差，所以，在制作中，先在基片上蒸發(fā)一層鍍很?。s幾個(gè)至幾十千毫微米厚）的易與基片粘附的金屬鉻或鉭，然后再在它們的表面上鍍金或銅至所需的厚度。圖 3-3-43-3-4 是微帶輸線的實(shí)際結(jié)構(gòu)0.00762 mm厚的金或銅圖 3-3-43-3-4 微帶傳輸線的實(shí)際結(jié)構(gòu)3 3 微帶線的相速、微帶波長及特性阻抗 空氣微帶線，微帶線中傳輸 TEMTE

12、M 模的相速度 v vp=v=v0（光速）, ,實(shí)際微帶線有兩種介質(zhì)，弓 I I入一個(gè)相對(duì)的等效介電常數(shù)為 re, ,其值介于 1 1 和r之間，用它來均勻填充微帶線，構(gòu)成等效微帶線，并保持它的尺寸和特性阻抗與原來的實(shí)際微帶 線相同，如圖（a a） - -（d d）所示。接地板鉆100200埃導(dǎo)體帶(a)(6)這種等效微帶線的等效介電常數(shù)：r+1 P -11E -1 - 22 V1 + 12/FF1 v s v按 TEMTEM 模來計(jì)算微帶線的參數(shù)，其相速度為(/)r lb（6）Vpre微帶線的相波長將re代入上式，可得：八0I f十1f 11-十-1|22J1+12加JF從上式可看出，微帶波

13、長與工作頻率和基片的相對(duì)介電常數(shù)以及微帶線的寬高比有關(guān)。微帶線特性阻抗:4h丿120辰W7h+ U93 +0.667 ln(lV/h+ 1.444)4 4 微帶線的衰減和損耗微帶線的損耗包括導(dǎo)體損耗，介質(zhì)損耗，輻射損耗。介質(zhì)損耗： 由于介質(zhì)存在漏電導(dǎo)引起的損耗。導(dǎo)體損耗： 由于導(dǎo)帶和接地板為有限電導(dǎo)率引起的損耗。輻射損耗： 由于微帶線半開放結(jié)構(gòu)產(chǎn)生輻射而引起的損耗。通常微帶線滿足 W/hW/h 和r比較大，可忽略輻射損耗，所以有臥三1for W/i L，ac，f , acConsidering micros trip as a quasi-TEM line, the alten nation

14、due to dielectric loss can bedetermined as技記匕1) tan5知=”2辰(升-1)The attcnuaiion due to conductois given approximatelyby 8(3J99)Aacad,通常ac ? ad,A ac(3.198)NpAihwhere & = JagQa is the surface resistivity oi the conductDL i;or most microstripsubstrates, conductor loss is much more significant than dielec

15、tric loss: exceptions ma occur withsom亡semiconducior substrates, however.5 5 微帶線尺寸選擇當(dāng)工作頻率提高時(shí)，微帶線中除了傳輸 TEMTEM 模以外，還會(huì)出現(xiàn)高次模。隨頻率升高會(huì)出現(xiàn)的高次模包括：波導(dǎo)模式TE,TM;TE,TM;表面波模式 TE,TMTE,TM。必須在材料選擇和微帶尺寸選擇方面盡量抑制這些高次模。據(jù)分析，當(dāng)微帶線的尺寸和 h h 給定時(shí)，最短工作波長只要滿足minminmin2Wjr2h/74hJr1抑制TE；o波導(dǎo)模抑制TM01波導(dǎo)模抑制表面波TE最低模就可保證微帶線中只傳輸準(zhǔn) TEMTEM 模。6

16、6 微帶線設(shè)計(jì)方法(1)(1) 查表法(2)(2) 借助于 EDAEDA 軟件Note that ADS has the Linecalc tool to design this type of line. We will use it to design anylines we need. See the Linecalc handout, (avo)7 7 微帶線實(shí)現(xiàn)集總參數(shù)元件在射頻微波電路中，常用微帶線結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)模擬集總參數(shù)元件。CapacitaCapacita neeneeInIn ductaducta neeneeTranTran sformersformerResRes onon

17、atorator(1)(1) 電感 一段特性阻抗為Z，長度為 I I 的微帶傳輸線等效電路l8,則若傳輸線長度滿足lZoVp結(jié)論：給定頻率時(shí)，L L 正比于Zo, C C 反比于Zo,若使Zo很大，則 L L 很大，C C 很小以至于可以忽略。故 串聯(lián)電感 可用高阻抗微帶線實(shí)現(xiàn)。ZOVp3 108,vpim/ sreMicro str i|iZu(2 2)電容一段特性阻抗為Zc若傳輸線長度滿足，長度為 I I 的微帶傳輸線等效電路18,則：CI3 108,ZOCVPVpJm/ sVreLZocg結(jié)論：結(jié)論：給定頻率時(shí),L L 正比于Zoc，C C 反比于Zoc，若使Zoc很小，則 C C 很大，等效電感L L 很小以至于可以忽略。故并聯(lián)電容可用低阻抗微帶線實(shí)現(xiàn)Capacitance(3(3)微帶支線電感與電容 在射頻微波電路中常用開路與短路線來構(gòu)造并聯(lián)于主傳輸線上的電感和電容。(a(a)電感Zc 1FWz-_ZscjZctg l jXL電感L =Zctg l其中I4結(jié)論：通過調(diào)節(jié)并聯(lián)于主傳輸線上支線長度I和特性阻抗Zc來調(diào)整等效電感值