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什么是微带线?

2023-11-16 射频学堂 阅读:
 微带线作为现在应用最高的传输线,也已经70多岁了,最初由美国ITT实验室的Grieg 和 Engelmann 在 1952 年 12 月的 IRE 会议上首次发表,做为一种新型的印刷电路展示给大家···

微波传输线是射频系统的基础,我们在射频传输线小结》中对常用的微波传输线做了比较详细的总结。今天我们再介绍一下这种最最最常用的微波传输线—— 微带线 microstrip。gfCednc

微带线的历史gfCednc

 微带线作为现在应用最高的传输线,也已经70多岁了,最初由美国ITT实验室的Grieg 和 Engelmann 在 1952 年 12 月的 IRE 会议上首次发表,做为一种新型的印刷电路展示给大家。主要竞争对手是比它大两岁的大哥——带状线,带状线 是由R. Barrett 在 1950 年代发明的。带状线最初的名字叫做Tri-plate,这个也好理解,刚好三层金属层所以就叫三片呗。外国人起个名字都这么随意。gfCednc

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尽管带状线和微带线如此的相似,但是他们的由来却各不相同,按照发展关系的话,微带线还比带状线大一辈。微带线可以看作是平行双线的延伸,平行双线可以说是最古老的微波传输线了 ,在平行双线的中心面上放置一个金属导电平板,导电平板和所有的电力线垂直,保持原来的电磁场结构,这样把其中的一根线移走,另一根线的电磁场结构依然不变,这样留下的这根导线和金属导电平板就构成了一种新的传输线——微带线, 金属导线做成带状条敷在介质板的一侧,而另一侧为金属接地板。gfCednc

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而带状线则可以看作由同轴线发展而来,首先把同轴线的外导体一分为二,然后把外导体展开成平板,最后把内导体也拍扁成条,这样就做成了带状线。gfCednc

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而同轴线的出现就是为了解决平行双线辐射损耗的问题,同轴线可以看作是由平行双线的一根导线延展开来,然后把另一根导线包裹起来形成的。从这个角度来说,带状线和平行双线之间还夹着一个同轴线。gfCednc

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观察带状线和微带线的电场分布,如果金属接地板足够大,带状线的电磁场依然被封闭在两块导体板内,而且上下对称分布,依然能保持TEM模的纯洁度和稳定性。但是微带线则在开放区域有明显的电磁辐射,电磁场分布也有着明显的不对称,这种场结构不对称性,在微带线的发明之初,引入了不小的麻烦,不仅有显著的辐射损耗,而且还会激励起其他模式,使得原有的工作模式变坏,所以呢,这种原有的不对称的工作模式,我们称为准TEM模。我们可以将微带线的横截面尺寸缩小来改善这些缺点,使得微带线介质基片的厚度,导体带条的宽度缩小至远小于工作波长,但是这样又会引入更大的导体损耗。所以呢,在刚开始的一段时间内,微带线在和带状线的竞争中处于大大的劣势,并没有得到广泛应用。gfCednc

现在随着技术的发展,多层 PCB 的电路板应用越来越广泛,微带线和带状线最终是糅合到了一块电路板上。gfCednc

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但是无论如何,带状线和微带线的出现,都把微波传输线带到了平面时代,印刷电路板工艺在射频电路中得到了广泛的应用,也才有了今天的无线时代。gfCednc

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微带线的构成gfCednc

在前面的介绍过,微带线是由介质基片和敷在介质基片上下表面的金属带条和金属接地板组成,如下图所示。所以呢,对微带线的研究主要是这三部分:金属带条,介质基板和接地板,其中最重要的就是介质基板。gfCednc

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对介质基板的要求也最高:gfCednc

1,较高的介电常数,满足电路小型化的要求‘gfCednc

2,低损耗,损耗角正切 tan δ 要小,而且越小越好。gfCednc

3,稳定的介电常数,最起码在给定的频率范围和温度范围内。gfCednc

4,高击穿强度,这样保证微带线能够传输更大的功率;gfCednc

5,高导热性,保证热能够很好地传输出去。gfCednc

并且还要对金属有好的附着力,方便印刷金属层。gfCednc

下表(来自微带电路)给出了适合毫米波应用的介质基板材料对比。不同材料的介电常数各不相同,损耗系数也各不相同。下表中氧化铝出现了三次,氧化铝的纯度越高,其介电常数越高,损耗也越小。gfCednc

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下表是现在一些常用的介质板材的对比。更多的材料对比可以查看 Rogers网站Rogers 高频电路板选型指南gfCednc

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微带线的另一个重要组成就是金属带条了,不仅要有良好的导电性,而且还要对介质板有比较好的附着力,保证微带线结构的稳固。我们知道,银,铜,金 有着比较好的导电性,但是附着力比较差。钼,铬,钽的附着力比较好,但是导电性又比较差。同样《微带电路》列出了这些材料的特性,如下表:gfCednc

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更多材料特性查阅看文章《材料百科库》。gfCednc

所以在微带线的制作过程中,可以先在介质基板上蒸一层附着力良好的金属,其厚度要远小于微带线工作频率的趋肤深度,通常只有几十到几百埃的厚度,然后再附着一层导电性好的金属。这样电磁波完全可以穿透这层金属薄层,使其大部分能量分布在导电性良好的金属上,减小对微带线损耗的影响。gfCednc

微带线阻抗计算gfCednc

对于微带线的阻抗计算,很多软件提供了计算工具,比如AWR的Txline(可以发送消息:txline,获取下载链接。)感兴趣的同学也可以直接用下面的公式编辑到Excel 里面进行计算。gfCednc

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也可以点击下面网址进行计算:https://www.pasternack.com/t-calculator-microstrip.aspxgfCednc

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微带线的损耗gfCednc

损耗是射频设计的一个重要参量,对于珍贵的射频信号,损耗越小越好。微带线的损耗比常用的波导和同轴线要大的多,所以在电路设计时,微带线损耗尤其需要重视。通常微带线的损耗包括三个部分:导体损耗,介质损耗和辐射损耗。gfCednc

导体损耗:也就是有微带线导体带条和接地金属板引起的损耗,毕竟这些金属导体具有有限的导电率,电流通过时会引起电阻损耗。导体损耗是微带线损耗的主要部分。gfCednc

介质损耗:当电磁波通过介质材料时,由于介质分子交替极化和晶格碰撞产生的热损耗称为介质损耗,通常用损耗角正切 tan δ 来表示。损耗角正切越小,介质损耗越小。gfCednc

辐射损耗;  微带线的场分布是半开放的,会有部分能量辐射出来,这个通过减小微带线的横截面使得辐射损耗降低。但是在微带线的不连续点,辐射会比较显著。有时候会对整个射频系统的EMI 带来比较大的影响,所以通常情况下,一般将微带电路加装金属屏蔽罩来避免辐射,减小辐射损耗和对其他电路的干扰。gfCednc

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除了上面三种常见的损耗之外,还有一个 磁损耗当电路设计人员使用铁氧体或石榴石等磁性材料作为介电材料时,电路中可能会发生磁损耗。这些材料会导致材料自然谐振频率附近的磁损耗增加。磁损耗角正切和特性阻抗在谐振频率处迅速增加,磁损耗也相应增加。导体损耗取决于特性阻抗。随着谐振频率下特性阻抗的增加,导体损耗随着磁损耗的增加而增加。gfCednc

在《Microwave101》的一篇文章中,作者对不同厚度的氧化铝AL2O3 微带线的损耗做了详细的对比研究。表格如下,我们直接看一下结论:gfCednc

1,对于不同厚度的氧化铝基板,介质损耗是几乎不变的,但是厚度越薄,金属损耗越大。这是由于对于同样的阻抗,介质基板越薄,微带线的导体带条越细,电流分布越集中,对应的导体损耗也越大。gfCednc

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2,石英材料的介质基板,损耗更低,一是由于石英基板的损耗角正切更小,达到了0.0001,并且介电常数较低,微带线导体条的宽度也较大,这样金属损耗也比较低。gfCednc

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微带线布线gfCednc

1, 微带线gfCednc

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2, 微带差分线gfCednc

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3, 嵌入式微带线gfCednc

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4,共面微带线gfCednc

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责编:Ricardo
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