微帶線的產(chǎn)生和發(fā)展

1、微波技術經(jīng)典前沿類微帶線的產(chǎn)生和發(fā)展 目錄一、微波傳輸線41.1 傳輸線概論4二、微帶線產(chǎn)生52.1 產(chǎn)生背景及發(fā)展歷程52.2 微帶線的結(jié)構及參數(shù)5 2.2.1 微帶線中的主模6 2.2.2微帶線的基本參數(shù)及實現(xiàn)7三、微帶線的應用103.1 微帶集成電路簡介103.2 微帶線的發(fā)展趨勢113.3 微帶線發(fā)展的實例11四、微帶線和帶狀線的對比124.1 總體對比12 4.1.1 微帶線13 4.1.2 帶狀線13 4.2 微帶線的優(yōu)缺點13五、微帶線的不連續(xù)性14六、參考文獻16微帶線的產(chǎn)生和發(fā)展作者：田鯤 劉旭輝 宋宇航 楊繼元 王浩臣 周陽摘要微帶線是由支在介質(zhì)基片上的單一導體帶構成的微波

2、傳輸線。適合制作微波集成電路的平面結(jié)構傳輸線。與金屬波導相比，具有體積小、重量輕、使用頻帶寬、可靠性高和制造成本低等優(yōu)點；但同時也存在損耗稍大，功率容量小等問題。本文首先討論了微波傳輸線的分類，然后從微帶線的產(chǎn)生、發(fā)展、應用三個方面對其進行了介紹。并且依據(jù)微帶線發(fā)展過程中產(chǎn)生的實例，深入了解了蝴蝶結(jié)形DGS微帶線在低通濾波器中的應用。之后也通過查閱文獻，知曉了各種微帶線中存在著不連續(xù)性，以及根據(jù)不連續(xù)性得到的一些應用。關鍵詞： 微波傳輸線，microstrip，微波集成電路，蝴蝶結(jié)形DGS微帶線，微帶線不連續(xù)性一微波傳輸線1.1傳輸線概況微波傳輸線是用來傳輸微波信號和微波能量的傳輸線。微波傳輸

3、線種類很多,按其傳輸電磁波的性質(zhì)可分為三類:TEM模傳輸線(包括準TEM模傳輸線),如圖1(1)所示的平行雙線、同軸線、帶狀線及微帶線等雙導線傳輸線;TE模和TM模傳輸線, 如圖1(2)所示的矩形波導,圓波導、橢圓波導、脊波導等金屬波導傳輸線;表面波傳輸線,其傳輸模式一般為混合模,如圖1(3)所示的介質(zhì)波導,介質(zhì)鏡像線等。 圖1 經(jīng)典微帶傳輸線在射頻/微波的低頻段,可以用平行雙線來傳輸微波能量和信號;而當頻率提高到其波長和兩根導線間的距離可以相比時,電磁能量會通過導線向空間輻射出去,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

4、做成封閉形式,像同軸線那樣電磁能量被限制在內(nèi)外導體之間,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減小,才能保證它只傳輸TEM模,這樣會導致同軸線的導體損耗增加,尤其內(nèi)導體引起損耗更大,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。 二.微帶線產(chǎn)生2.1產(chǎn)生背景及發(fā)展歷程60年代初期，由于微波低損耗介質(zhì)材料和微波半導體器件的發(fā)展，形成了微波集成電路，使微帶線得到了廣泛應用，相繼出現(xiàn)了各種類型的微帶線，一般用薄膜工藝制造。介質(zhì)基片選用介電常數(shù)高、微波損耗低的材料，同時

5、導體也具有導電率高、穩(wěn)定性好、與基片的粘附性強等特點。除了微帶線以外，常用的微波傳輸線還有同軸線和波導等。但它們的最大缺點是體積、重量大。這個問題在過去并不突出，但隨著空間電子技術（例如空用雷達和其他空用電子設備、衛(wèi)星通信設備等）的發(fā)展，設備的體積和重量成為一個主要矛盾，必須予以解決，即使對一些地面電子設備、減輕體積、重量也成為一個重要問題，例如相控陣雷達，使用了成千上萬個微波單元，包括收、發(fā)設備和微波電路系統(tǒng)，如仍沿用過去的元件，則整個系統(tǒng)也將很復雜笨重。此外，同軸線和波導作為傳輸線和電路元件還存在機械加工量大、成本高、調(diào)整不易等缺點。總之，為了適應現(xiàn)在無線技術的發(fā)展，微波傳輸線必須相應地有

6、個大變革。為了減輕整個無線電設備的體積和重量，增加其可靠性，首先在低頻電路中有了很大發(fā)展：由電子管發(fā)展到晶體管，進而又發(fā)展到集成電路，為整機小型化開辟了道路。當?shù)皖l的問題得到了解決時，整個變革便逐漸擴展到了微波領域。近十幾年來，發(fā)展了一大批微波固體器件，它們和電子管相比，體積、重量大為減小。但要真正做到微波整機的小型化，還必須有電路部分與之配合。六十年代中期后，將器件和電路結(jié)合起來解決小型化問題的微波集成電路發(fā)展起來，從而使微波設備的固體化、小型化成為可能，并大大改進了整機的指標。2.2微帶線的結(jié)構及參數(shù)微帶線的結(jié)構如圖2所示。它是由介質(zhì)基片的一邊為中心導帶,另一邊為接地板所構成,其基片厚度為

7、h,中心導帶的寬度為w。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中形成一層鉻-金層,再利用光刻技術制成所需要的電路,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。 圖2微帶線的橫截面結(jié)構示意圖2.2.1微帶線中的主模嚴格地講，微帶線屬于非均勻介質(zhì)系統(tǒng)，在非均勻介質(zhì)的結(jié)構中不存在TEM模，也不存在純TE?；蚣僒M 模，而是TE模和TM 模的混合模。微帶線可以看成是由平行雙導線演變來的，假設在無限均勻介質(zhì)中有一平行雙導線線上傳輸?shù)闹髂Ｊ羌僒EM 模，如果在兩導線間的中心對稱面上放置一個極薄的理想的導體板，將雙導線從中心對稱

8、面分為上下兩部分，如果在任一單根導線和理想導體平板之間饋電，其間仍可傳輸純TEM 模，因而將未饋電的那一根導線移去，也不會改變饋電的導線與理想導體平板場分布。把此饋電的導線變成扁平導體帶，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。對于空氣介質(zhì)的微帶線,它是雙導線系統(tǒng),且周圍是均勻的空氣,因此它可以存在無色散的TEM模。其演變過程如圖3所示。圖3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，沒有實際的使用價值，通常微帶線是制作在介質(zhì)基片上的,雖然它仍然是雙導線系統(tǒng), 在導體和接地板之間填充有介質(zhì)而上方是空氣，因此，這個系統(tǒng)不僅存在介質(zhì)與導體的分界面，而且存

9、在空氣與導體、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TEM 模?？梢宰C明,在兩種不同介質(zhì)的傳輸系統(tǒng)中,不可能存在單純的TEM模,而只能存在TE模和TM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TEM模,故稱為準TEM模。  2.2.2微帶線的基本參數(shù)及實現(xiàn)1 基本參數(shù)微帶線橫截面的結(jié)構如圖4所示。相關設計參數(shù)如下:（1） 基板參數(shù): 基板介電常數(shù)r、基板介質(zhì)損耗角正切tan、 基板高度h和導線厚度t。導帶和底板（接地板）金屬通常為銅、 金、 銀、 錫或鋁；高速傳送信號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1給出微

10、波集成電路中常用介質(zhì)材料的特性。表1微波集成電路中常用介質(zhì)材料的特性表2 覆銅板基材的國內(nèi)外主要生產(chǎn)廠家（2） 基電特性參數(shù): 特性阻抗Z0、 工作頻率f0、 工作波長0、波導波長g和電長度（角度）。（3） 微帶線參數(shù)：寬度W、 長度L和單位長度衰減量AdB。 2 微帶電路實現(xiàn)有兩種實現(xiàn)方式：（1） 在基片上沉淀金屬導帶,這類材料主要是陶瓷類剛性材料。這種方法工藝復雜,加工周期長,性能指標好,在毫米波或要求高的場合使用。（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

11、帶傳輸線的衰減值與導體材料的電導率有關，因此， 應選用導電率大的金屬，如金、銀、銅等。從導電性能來說， 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， 故一般用金作導體材料。目前最常用的銅箔厚度有35 m和18 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選用不大于18 m的銅箔。如果選用35 m的銅箔,則過高的圖形精度使工藝性變差,不合格品率必然增加。研究表明,銅箔類型對圖形精度亦有影響。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,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

12、為基片)的粘附性差，所以，在制作中，先在基片上蒸發(fā)一層鍍很薄(約幾個至幾十千毫微米厚)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4是微帶輸線的實際結(jié)構。 圖4微帶傳輸線的實際結(jié)構3 微帶線尺寸選擇當工作頻率提高時,微帶線中除了傳輸TEM模以外,還會出現(xiàn)高次模。隨頻率升高會出現(xiàn)的高次模包括：波導模式TE,TM;表面波模式TE,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,當微帶線的尺寸w和h給定時,最短工作波長只要滿足  就可保證微帶線中只傳輸準TEM模。三.微帶線的應用微帶傳輸線應用于低電平射頻微波技術中。 它的優(yōu)點是制造成本低，尺

13、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。3.1微帶集成電路簡介微帶集成電路（簡稱微帶電路），電路元件由分布參數(shù)的微帶線構成。他們包含按設計圖形印制在介質(zhì)基片一面的導體帶條和另一面的金屬接地板，圖形的尺寸可以和工作波長比擬，和微波固體器件連接后即構成整個微帶電路。因為集總參數(shù)型集成電路的工作頻帶寬，雖然某些電路元件（如濾波器）特性理想，集成度也很高，但其工藝比較復雜，質(zhì)量不易保證，并且由于電路元件的精度難以提高，從而

14、使整個電路特性的一致性差；而對微帶電路，只要保證精確的印制工藝，就可得到較高的電路質(zhì)量，故目前實際使用的大部分是這種電路。微帶線可印制在很薄的介質(zhì)基片上（可以薄到1mm以下），故其橫截面積尺寸比波導、同軸線小得多，其縱向尺寸雖和工作波長可以比擬，但因可采用高介電常數(shù)的介質(zhì)基片，使線上的波長比自由空間波長小了幾倍，同樣可以減小微帶線的縱向尺寸，達到進一步集成的作用。此外，整個微帶電路元件共用接地板，只須由導體帶條構成電路圖形，這使整個電路的結(jié)構大為緊湊。由于上述原因，微帶電路較好地解決了小型化問題，與波導、同軸線元件相比，大大減小了體積、重量。 解決了微波電路小型化、集成化中的主要矛盾。1) 可

15、用印刷的方法做成平面電路，電路結(jié)構十分緊湊；2) 傳輸線的尺寸，不僅線的橫截面，而且在沿著線的方向，也因采用高介電常數(shù)的介質(zhì)基片縮短了線上的波長而可大為縮減；3) 微帶線帶的半邊使自由空間（在帶狀線兩側(cè)和接地板之間，均有介質(zhì)填充），連接微波固體器件十分方便。3.2微帶線的發(fā)展趨勢在未來的微帶線工程中，微波印制板電路是微波系統(tǒng)小型化的關鍵，目前微帶線工程的發(fā)展趨勢往下面幾個方向發(fā)展。(1)設計要求高精度。微波印制板的圖形制造精度等會逐步提高，但受印制板制造工藝方法本身的限制，這種精度提高不可能是無限制的;到一定程度后會進入穩(wěn)定階段。而微波板設計內(nèi)容將會有很大程度的豐富。(2)實現(xiàn)計算機控制。傳統(tǒng)

16、的微波印制板生產(chǎn)中極少應用到計算機技術。但隨著CAD技術在設計中的廣泛應用，以及微波印制板的高精度、大批量，在微波印制板制造中大量應用計算機技術已成為必然的選擇。(3)高精度圖形制造。微波印制板的高精度圖形制造，與傳統(tǒng)的剛性印制板相比，向著更專業(yè)化方向發(fā)展，包括高精度摸板制造、高精度圖形轉(zhuǎn)移、高精度蝕刻等相關工序的生產(chǎn)及過程控制技術，還包活合理的制造工藝路線安排。(4)表面鍍覆多樣化。隨著微波印制板應用范圍的擴大，其使用的環(huán)境條件也復雜化，但同時由于大量應用鋁襯底基材，因而對微波印制板的表面鍍覆及保護，在原有化學沉銀及鍍錫沛合金的基礎上，提出了更高的要求。(5)數(shù)控外形加工。微波印制板的外形加

17、工，特別是帶鋁襯板的微波印制板的三維外形加工，是微波印制板批生產(chǎn)需要重點解決的一項技術。面對成千上萬件的帶有鋁襯板的微波印制板，用傳統(tǒng)的外形加工方法既不能保證制造精度和一致性，更無法保證生產(chǎn)周期;而必須采用先進的計算機控制數(shù)控加工技術。(6)批生產(chǎn)檢驗。微波印制板與昔通單雙面板和多層板不同。不僅其者結(jié)構件、連接件的作用，更重要的是作為信號傳輸線的作用。這就是說，對高頻信號和高速數(shù)字信號的傳輸用微波印制板的電氣測試，不僅要測量線路(或網(wǎng)絡)的“通斷”和“短路”等是否符合要求，而且還應測量特性阻抗值是否在規(guī)定的合格范圍內(nèi)。3.3 微帶線發(fā)展的實例（1） 為了減少耦合微帶線間的串擾，在滿足端接匹配的

18、條件下，可以建立印刷電路板（PCB）耦合微帶線間串擾測試結(jié)構【1】。在PCB上利用防護帶可以明顯減少微帶線間的近端和遠端串擾幅度，在保持防護帶處于兩微帶線中心對稱的情況下，增大防護帶寬度值可以進一步削弱串擾幅度，但防護帶寬度值不是越大越好，而是存在一個最佳值。使用此最佳值，近端串擾峰值衰減要比沒有防護帶時多9dB，遠端串擾峰值衰減多7dB。（2） 在紅外與毫米波學報上提出了一種新穎的蝴蝶結(jié)形缺陷接地結(jié)構（DGS）微帶線，可應用于緊湊結(jié)構低通濾波器的設計【2】。這種新穎的蝴蝶結(jié)形DGS結(jié)構僅由一個缺陷單元構成，他的帶隙中心頻率僅由該單元缺陷結(jié)構決定。因此，DGS結(jié)構具有結(jié)構簡單，易于電磁場理論分

19、析和等效電路建模分析，更適用集成電路實際應用的顯著優(yōu)點。DGS結(jié)構的阻帶特性和慢波特性，可用于諧波抑制、去噪、構造緊湊和新穎電路結(jié)構等方面。所以說，DGS結(jié)構在微波毫米波單片集成電路、低溫共燒陶瓷多層微波電路等領域具有廣泛的應用前景。 圖5蝴蝶結(jié)形DGS結(jié)構微帶線示意圖四.微帶線和帶狀線的對比4.1總體對比一般講，微帶線是PCB表層的走線，延時小，對于一般FR4的板材，1inch微帶線對應的走線延時約140ps； 而帶狀線是PCB內(nèi)層的走線，延時較微帶線大，對于一般FR4的板材，1inch帶狀線對應的走線延時約170ps。通常同樣的介質(zhì)條件下微帶線的損耗小（線寬），帶狀線的損耗大（線細，有過孔

20、）。 下面具體介紹一下兩者的異同：4.1.1微帶線微帶線(microstrip)是一根帶狀導(信號線)與地平面之間用一種電介質(zhì)隔離開。如果線的厚度、寬度以及與地平面之間的距離是可控制的，則它的特性阻抗也是可以控制的。另外，因為微帶線一面是FR4（或者其他電介質(zhì)）一面是空氣（介電常數(shù)低）因此速度很快，利于走對速度要求高的信號（例如差分線，通常為高速信號，同時抗干擾比較強）。圖6微帶線剖面圖4.1.2帶狀線相對的，帶狀線(stripline)是一條置于兩層導電平面之間的電介質(zhì)中間的銅帶線。如果線的厚度和寬度、介質(zhì)的介電常數(shù)以及兩層導電平面間的距離是可控的，那么線的特性阻抗也是可控的. 帶狀線兩邊都

21、有電源或者底層，因此阻抗容易控制，同時屏蔽較好，但是信號速度慢些。4.2微帶線的優(yōu)缺點 微帶線的損耗大誠然是一缺點，但在精心選擇介質(zhì)基片材料，不斷改進工藝的過程中，已可將其降低。在采用金屬鍍膜與光刻這一套工藝后，電路的尺寸精度又大為提高。加以這方面的生產(chǎn)實踐推動了有關理論研究工作的進展，而計算微帶線參量的電磁場問題和設計微帶電路的網(wǎng)絡問題都取得了研究成果后，反過來也提高了這方面生產(chǎn)實踐的水平。微帶電路已由研制發(fā)展到實際應用，特別是目前已由小塊的單件而發(fā)展成大的微波功能塊，如微波固體接收機、微波相控陣單元固體模件等，可以說是微波技術上的一次大的革新?？偫ㄆ饋?，又微帶和微波固體器件組成的微波集成電

22、路，有下述一些優(yōu)點：1) 小型化、輕量化。圖（22）示出了10cm波段波導平衡混頻器和微帶平衡混頻器的比較，可以看出明顯地減小了尺寸。2) 生產(chǎn)成本降低，生產(chǎn)周期縮短，這是由于把大量的機械加工變?yōu)槲в≈乒に嚨木壒省?) 提高了可靠性。4) 提高了性能。 上3）、4）兩點也是由于用印制的平面電路，代替結(jié)構復雜、調(diào)節(jié)部件繁多的波導與同軸線的立體電路；同時也是由于采用了高性能的微波固體器件的結(jié)果。但是不可否認的是，微帶線的損耗大，Q值約比同軸線低一個能量級，比波導幾乎還低兩個數(shù)量級，因此在構成濾波器、諧振腔等一類電路元件時，性能較差；在構成整個微波功能模塊時，有時其傳輸線損耗可高達幾個dB，這在某

23、些應用中也不允許；由于微帶線的尺寸小而不適合傳輸大功率，只能應用于中小功率，如固體接收機等。此外，要發(fā)揮它的可靠性高、性能好等優(yōu)點，尚有待于繼續(xù)改進它的生產(chǎn)工藝。五.微帶線的不連續(xù)性相對在實際電路設計中，在利用微帶線傳輸電磁能量以及組成各種器件時，為了使結(jié)構緊湊，縮小尺寸，必然會遇到一些微帶線的不連續(xù)性。例如微帶線尺寸突變、折彎、間隙以及分支等，如圖7所示。圖7 各種微帶不連續(xù)性及應用不連續(xù)性在微帶電路中是必不可少的，由于微帶電路屬于分布參數(shù)的電路，其尺寸己可與工作波長相比擬，因此其不連續(xù)性必然對電路產(chǎn)生影響。從等效電路上來看，它相當于并聯(lián)或串聯(lián)一些電抗元件，或是使參考面產(chǎn)生某些變化。在設計微

24、帶電路時，必須考慮到不連續(xù)性所引起的影響，將其等效參量計入電路參量中去，否則將引起大的誤差。對于均勻微帶線，若導體帶條寬度W及基片厚度H比起波長極小時，在微帶線上傳播的波可近似看成只有TEM波。在具有不連續(xù)性的地區(qū)，場的結(jié)構會發(fā)生質(zhì)的變化，不僅在橫截面內(nèi)場的分布和均勻線斷不一樣，而且在縱向上也不再是單純的波動，其中還包含有只有在本地按正弦波的形式振動的部分。這后一部分是在局部地區(qū)內(nèi)存儲能量并與電源反復交換的表現(xiàn)。它和以波動的形式沿著傳輸線傳輸能量的情況是不同的。在這個局部地區(qū)內(nèi)會發(fā)生能量儲存的原因，是因為在這里場的結(jié)構受到邊界變形的影響而發(fā)生了改變。具有不連續(xù)性的地區(qū)和電源反復交換能量必須靠這地區(qū)與電源之間的傳輸線作為媒介。電源向這地區(qū)輸送能量要通過入射波，不連續(xù)性向電源輸送能量要通過反射波，因此，微帶上發(fā)生不連續(xù)性時，它的作用就是:第一，在這個地區(qū)發(fā)生