微带传输线微带电容微带电感设计
第六章 微带线
在
微带线的设计
电磁场理论与微波技术 · 南京大学电子科学与工程系· rxwu
只
当 A>1.52，微带线为窄带线。
在
Z A= 0 60
εr + 1 εr − 1 0.11 + 0.23 + εr 2 εr + 1
内
部
•
确定微带线是宽带线还是窄带线。判别参数
使
已知微带线的特性阻抗Z0和基片的εr，求微带线特征尺寸 (W/h)
We = W + ∆W
1.25 t 2h 1 + ln ∆W π h t = 4πW h 1.25 t 1 + ln t π h
内
部
使
用
电磁场理论与微波技术 · 南京大学电子科学与工程系· rxwu
只
W 1 ≥ h 2π 1 W ≤ h 2π
只
在
R0 Rs ∂L0 αc = = 2Z 0 2µ0 Z 0 ∂n
内
ωδ ∂L0 Rs ∂L0 = 2 ∂n µ0 ∂n
部
( ∂L0
∂n ) 包括了接地面和导带表面的后退引起的电感增量
电磁场理论与微波技术 · 南京大学电子科学与工程系· rxwu
只
Rs ∂L0 W ∂W αc = + 1 + µ0 Z 0 h ∂ (W h ) 2h ∂t 京大学电子科学与工程系· rxwu
只
在
内
部
使
用
微带线来源与结构形式
电磁场理论与微波技术 · 南京大学电子科学与工程系· rxwu
只
在
内
部
使
微带传输线微带电容微带电感设计
在航空航天领域，对微带元件的高 可靠性、高稳定性和轻量化等要求 更高，因此该领域的发展潜力巨大。
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耦合器、振荡器等。
在通信系统、雷达系统、卫星通 信等领域，微带线电容被用于实 现信号的传输、处理和转换等功
能。
此外，微带线电容还可以用于制 作传感器、天线、功率放大器等 电子器件，具有小型化、集成化、
高性能等优点。
03
微带电感设计
微带线电感的基本原理
微带线电感是由微带线绕成一定 形状的电感器，其工作原理基于
薄膜工艺
发展薄膜工艺，降低微带 元件的介质厚度，提高元 件性能。
3D打印技术
利用3D打印技术制造微带 元件，实现个性化定制和 快速原型制作。
新应用领域的开发
物联网领域
随着物联网技术的快速发展，微 带元件在物联网设备中的应用将
更加广泛。
医疗电子领域
由于微带元件具有小型化、低功耗 和高集成度等特点，其在医疗电子 领域的应用前景广阔。
优化设计的应用实例
微带传输线
在无线通信系统中，通过优化微带传输线的设计，实现信号的高 效传输。
微带电容
在滤波器、振荡器等电路中，优化微带电容的设计可以提高电路的 性能。
微带电感
在射频识别（RFID）标签、无线传感器网络等领域，优化微带电 感的设பைடு நூலகம்有助于提高识别准确性和通信距离。
05
微带传输线、微带电容 、微带电感的未来发展 趋势
微带传输线、微带电 容、微带电感设计
目录
• 微带传输线基本理论 • 微带电容设计 • 微带电感设计 • 微带传输线、微带电容、微带电感的
优化设计 • 微带传输线、微带电容、微带电感的
传输线理论期末总结
传输线理论期末总结一、引言传输线理论是电磁场理论在电磁波传输中的应用，是电路理论与电磁场理论的结合。
传输线理论应用广泛，主要用于信号传输、功率传输、阻抗匹配等领域。
本篇总结将对传输线理论的基本原理、参数、特性等进行概述，以及在实际应用中的一些注意事项。
二、传输线的基本原理1. 传输线的基本结构传输线是由两个导体构成的均匀、无损耗的线路，通常是平行的。
传输线可以是平面的，也可以是三维的。
常见的传输线有两线制传输线（两根导线）、同轴线（内外两层金属导体）、微带线（介质模块和一侧有金属层）、光纤（传输光信号）等。
2. 传输线的特性阻抗传输线中的特性阻抗是指在线路的某一截面上，正向行波与反向行波之间的电压与电流之比。
特性阻抗是传输线的一个重要参数，对信号的传输和匹配等有重要影响。
常见的传输线有50欧姆的同轴线和75欧姆的同轴线。
3. 传输线的传输方程传输线的传输方程是描述传输线上电压和电流关系的微分方程。
根据传输线的结构和电磁学原理可以推导出不同类型传输线的传输方程。
传输方程可以由麦克斯韦方程组推导出来。
4. 传输线的传输特性传输线的传输特性是指传输线上电压、电流、功率等参数随时间和空间变化的规律。
传输特性包括传输速度、传播损耗、幅度响应、相位延迟等。
传输线的特性决定了信号在传输线上的传播过程和传输质量。
三、传输线参数的计算与分析1. 传输线的参数传输线的参数包括电感、电容、电阻和导纳。
这些参数在传输线建模和分析中起着重要作用。
电感和电容决定了传输线的频率响应和传输速度，电阻决定了传输线的传输损耗，导纳决定了传输线的阻抗匹配特性。
2. 传输线参数的计算传输线参数可以通过传输线的几何结构、介质材料和频率等因素计算得到。
例如，同轴线的电感和电容可以通过导体几何尺寸和介质材料的电学常数计算得到。
微带线的参数可以通过线宽、线距和介质材料等参数计算得到。
3. 传输线参数的分析传输线参数的分析可以用于评估传输线的性能和优化设计。
3.6微带相关传输线
Vo
−Vo
Ve
Ve
图 2
平行耦合带线的奇偶模电场线分布
偶模(Even Mode)：当给两根微带线输入幅度相等、 偶模(Even Mode)：当给两根微带线输入幅度相等、相位相 同的电压 Ve 时，其电场线分布是一种相互排斥的偶对称分 布，如图 2(b)所示。 这种相对于中心对称面具有偶对称 ( )所示。 分布的模式就称为偶模，用下标“ ”表示。 分布的模式就称为偶模，用下标“e”表示。
(a)带状线的演变过程 )
图 2
带状线和微带线的演变过程
不对称微带线通常简称为微带线。 因此， 不对称微带线通常简称为微带线 。 因此 ， 如果不加特 殊说明，平时所说的微带线指的都是不对称微带。 殊说明，平时所说的微带线指的都是不对称微带。 微带线可以看成是由平行双导线演变而来的， 微带线可以看成是由平行双导线演变而来的 ， 其演变 由图可见， 由图可见 ， 在平行双线两圆柱导 过程如图 2(b)所示。 ( )所示。 体间的中心面上放置一个无限薄的导电平板， 体间的中心面上放置一个无限薄的导电平板 ， 因为电场线 仍与导电平板垂直， 没有改变导体表面的边界条件， 仍与导电平板垂直 ， 没有改变导体表面的边界条件 ， 故在 导电平板两侧的场分布没有改变。 导电平板两侧的场分布没有改变。
上面两式中有效介电常数可按下面经验公式计算
εe =
εr + 1 εr −1
h + 1 + 10 2 2 W
1 − 2
上式的精度为 2％。 ％ 为了工程应用的方便， 为了工程应用的方便 ， 通过计算机把计算结果列成了 表格供设计者使用
平行耦合微带线
一、概述 二、奇偶模参量法 三、平行耦合微带线的特性参量
电路中的微波电路和射频电路
电路中的微波电路和射频电路当我们谈论电路时，通常会想到一些基础的组成部分，比如电源、电阻、电容和电感。
然而，在现代科技的发展中，尤其是通信和雷达领域，微波电路和射频电路扮演着至关重要的角色。
它们的设计和应用已经成为了电子工程领域中非常热门的研究方向。
微波电路和射频电路都涉及到高频信号的处理。
微波电路通常处于更高频率的范围内（例如300 MHz至300 GHz），而射频电路则在微波电路的下限范围内（通常为1 MHz至3 GHz）。
这两个电路部分的主要目标是有效地传输和处理高频信号，以实现无线通信、雷达探测和传感器应用等。
在微波电路和射频电路中，最基本的元件是微带线、射频电感和射频电容。
微带线是一种平面传输线，由导体带和接地板组成。
它们可以在安装微波电路和射频电路的基板上进行制作。
通过巧妙设计微带线的形状和尺寸，可以实现不同的特性阻抗和传输模式。
微带线上的信号可以通过射频电感和射频电容进行处理。
射频电感主要用于限制高频信号的流动，而射频电容则用于在电路中存储和释放电能。
这些元件的精确设计和选择对于电路的性能至关重要。
在微波电路和射频电路中，还有一些其他常用的元件，比如微波导波管、射频集成电路和滤波器。
微波导波管可以在高频信号的传输中提供较低的损耗和较高的增益。
射频集成电路则是将不同的射频电路元件集成到单个芯片中，以提高电路的集成度和性能。
滤波器则用于在电路中选择性地过滤掉一些特定频率的信号。
除了元件的选择和设计外，微波电路和射频电路的布局和布线也是非常重要的。
由于高频信号对于布局和布线的要求非常高，电路设计师必须在尽量减少信号损失和干扰的同时，确保信号的正确传输和处理。
这需要仔细的电路设计和仿真工具的支持。
微波电路和射频电路在许多领域都有广泛的应用。
无线通信是其中之一。
从手机到卫星通信系统，微波电路和射频电路扮演着关键的角色。
它们还在雷达和卫星导航中起着至关重要的作用。
现代医学设备中也使用了微波电路和射频电路，比如磁共振成像和高频治疗。
微带线
微带线一般的传输线由两个或两个以上的导体组成，用来传输横电磁波（TEM波），常见的传输线有双线、同轴线、带状线和微带线等。
其中，微带线是最普遍使用的平面传输线之一，微带线可以用光刻工艺制作，并且易于与其他无源和有源器件集成，因此被广泛应用于印刷电路板中。
在精密电路设计中，人们往往容易忽略印刷电路板本身的电特性设计，而这对整个电路的功能可能是有害的。
如果电特性设计得当，它将具有减少干扰和提高抗干扰性的优点。
在高速电路中，应该把印制迹线作为传输线处理。
常用的印制电路板传输线是微带线和带状线。
微带线是一种用电介质将导线与接地面隔开的传输线，印制迹线的厚度、宽度和迹线与接地面间介质的厚度，以及电介质的介电常数，决定微带线特性阻抗的大小。
微带线的几何形状如图（a）所示，导带的宽度w 是印在薄的、接地的介质基片上，基片的厚度为d，相对介电常数，电磁场示意图如图（b）所示。
实际上，微带线的准确场是一个混合TE-TM波，需要更加先进的分析技术，但在大部分的实际应用中，介质基片电气上很薄（d <<），所以场是准TEM波。
换句话说，场本质上与静电场是相同的。
因此，通过静态或准静态解，可得到相近的相速、传播速度和特性阻抗。
1. 微带线是一根带状导(信号线)．与地平面之间用一种电介质隔离开。
如果线的厚度、宽度以及与地平面之间的距离是可控制的，则它的特性阻抗也是可以控制的。
2. 带状线是一条置于两层导电平面之间的电介质中间的铜带线。
如果线的厚度和宽度、介质的介电常数以及两层导电平面间的距离是可控的，那么线的特性阻抗也是可控的.单位长度微带线的传输延迟时间，仅仅取决于介电常数而与线的宽度或间隔无关3. PCB的特性阻抗Z0与PCB设计中布局和走线方式密切相关。
影响PCB走线特性阻抗的因素主要有：铜线的宽度和厚度、介质的介电常数和厚度、焊盘的厚度、地线的路径、周边的走线等。
4. 当印制线上传输的信号速度超过100MHz时，必须将印制线看成是带有寄生电容和电感的传输线，而且在高频下会有趋肤效诮和电介质损耗，这些都会影响传输线的特征阻抗。
电磁场课件-第三章微带传输线
在微带线中，导波速度受到介质和导 体材料的影响，不同材料的微带线具 有不同的导波速度。
传播常数与衰减
传播常数
传播常数是描述电磁波在传输线中传播特性的参数，包括相位常数和衰减常数。
衰减
在微带线中，电磁波会因为介质和导体材料的损耗而发生衰减，衰减的大小与传输线的长度和频率有 关。
04 微带线的传输模式
降低介质损耗的方法包括选择低损耗的介质材料、降低介质温度和减小电场强度 等。
色散特性
色散是指不同频率的信号在传输过程中具有不同的相速度和 群速度的现象。在微带线中，色散主要与介质的介电常数和 电导率等因素有关。
了解色散特性对于设计高性能的微带线系统和避免信号失真 非常重要。通过优化微带线的结构和参数，可以减小色散效 应，提高信号传输质量。
03 微带传输线的电气特性
电场分布
电场分布特点
在微带线中，电场主要分布在导体和介质之间，而导体内部 电场强度较小。
电场分布与传输模式
电场的分布与传输模式有关，例如在准TEM模式下，电场主 要分布在导体两侧，而在其他模式下，电场分布可能更加复 杂。
阻抗与导波速度
阻抗计算
微带线的阻抗可以通过其几何尺寸和 介质参数计算得出，阻抗值与传输线 的特性阻抗有关。
微带线的宽度通常在几毫米到几十毫 米之间，根据传输信号的频率和介质 基片的电气性能来选择合适的宽度。
厚度
微带线的厚度通常在几微米到几百微 米之间，较薄的介质基片可以减小线 路的介质损耗，提高传输效率。
介质基片
种类
常用的介质基片有氧化铝、陶瓷、聚四氟乙烯等，根据应用场景和性能要求选 择合适的介质基片。
响。
应用场景
01
02
03
微带天线传输线模型等效电路
微带天线传输线模型等效电路微带天线是一种常用于无线通信系统中的天线设计，其结构简单、易于制作和安装。
为了更好地理解微带天线的工作原理和性能，我们可以使用等效电路模型来描述和分析微带天线的传输线特性。
在微带天线的等效电路模型中，通常包含以下几个主要元素：1. 传输线部分：微带天线的传输线主要由一根导体和一片介质组成。
传输线的宽度和长度决定了天线的频率响应和辐射特性。
通过调整传输线的尺寸，可以实现对天线的谐振频率和辐射方向的控制。
2. 辐射元件：微带天线的传输线的末端通常会连接一个辐射元件，用于将电磁能量转化为电磁辐射。
常见的辐射元件包括微带贴片、微带环形和微带缝隙等。
这些辐射元件的选择和设计将直接影响天线的辐射效率和方向性。
3. 匹配网络：为了实现微带天线的最佳性能，通常需要在传输线和辐射元件之间添加匹配网络。
匹配网络的作用是调整天线的输入阻抗，以便与无线电设备的输出阻抗匹配，从而实现最大功率传输。
在微带天线的等效电路模型中，我们可以通过参数化建模的方法来表示上述元素的特性。
例如，可以使用电感和电容来表示传输线的电感和电容，使用电阻来表示辐射元件的电阻损耗，使用变压器来表示匹配网络的阻抗变换等。
通过建立微带天线的等效电路模型，我们可以使用电路仿真工具进行分析和优化。
例如，可以通过改变传输线宽度、长度和辐射元件的尺寸来调整天线的工作频率和辐射特性。
还可以利用仿真工具来优化匹配网络的设计，以实现最佳的功率传输效果。
总之，微带天线的等效电路模型为我们理解和设计微带天线提供了一个有力的工具。
通过建立和分析该模型，我们可以更好地理解微带天线的工作原理，优化其性能，并满足不同无线通信系统对天线的需求。
第9次 第四章 微波集成传输线 微带线 耦合传输线
由大小相等、方向相同的电流对耦合线两带状导体产生的激励，偶模激励中 间对称面为磁壁 。
偶模激励的场结构 单根带状导体对地的分布电容为偶模电容
等效电容网络
Ce C11 C22
Anhui University
4. 奇偶模分析方法
在奇、偶模激励下，耦合线被电壁和磁壁分成两半，另一根带状导体的影响 分别可用对称面上的电壁和磁壁边界条件来等效，这样只需分别研究单根奇模线 和单根偶模线的特性.，然后叠加便可得到耦合线的特性。
Z 1 r 1 0.11 A 0 r 0.23 60 2 r 1 r W / h≤2 窄带 当A》=1.52窄带情况：
W 8e A 2A h e 2
当A《=1.52宽带情况：
W / h 2宽带
1 W 2 0.61 B 1 ln(2 B 1) r ln( B 1) 0.39 h 2 r r
Anhui University
4.2 微带线(microstrip line)
微带线是第二代微波集成传输线，是微波集成电路最常用的一种平面型传输线，它 易于与有源微波电路和无源微波电路集成，又称为标准微带。
一、微带的结构与工作模式：
它是在高度为h的介质片上，一边为宽度为w 厚度为t的导体带，另外一边为接地板构成。
Anhui University
2.奇模激励 (odd-mode excitation):
由大小相等、方向相反的电流对耦合线两带状导体产生的激励，奇模激励 时中间对称面为电壁。
奇模激励的场结构
单根带状导体对地的分布电容为奇模电容
微带传输线微带电容微带电感设计
微带传输线微带电容微带电感设计微带传输线是一种常见的高频电路元件，常用于微波和射频电路中。
在设计微带传输线时，需要考虑微带电容和微带电感对电路性能的影响。
在本文中，将介绍微带传输线、微带电容和微带电感的基本原理，并讨论如何设计微带传输线的电容和电感。
1.微带传输线的基本原理微带传输线是一种平面传输线，在板上制成，由导体铜箔和绝缘基板组成。
它通常由一层导体（称为信号层）和一层绝缘层（称为介质层）构成。
微带传输线的信号层上的导体用来传输电信号，绝缘层用来隔离导体和其他层。
微带传输线通常用来传输高频信号，因此需要考虑其高频特性，如阻抗匹配、耦合和传输损耗等。
2.微带电容的设计一种常用的微带电容设计方法是通过改变绝缘层的介电常数来调节。
介电常数较大的材料可以减小微带电容，增大信号速度和带宽。
常用的介电材料包括FR4和PTFE等。
使用FR4材料时，微带电容约为0.009pF/mm²，使用PTFE材料时，微带电容约为0.0009 pF/mm²。
另一种方法是通过改变微带的宽度来调节微带电容。
微带的宽度与微带电容成反比，宽度越小，电容越大。
设计时可以根据需求调整微带的宽度。
3.微带电感的设计微带电感可以通过改变导体的长度和宽度来调节。
导体的长度越大，电感越大。
通常，微带传输线的长度为电磁波波长的1/4或者1/2、导体的宽度越大，电感越小。
设计时可以根据需求调整导体的长度和宽度，以达到所需的电感值。
4.微带传输线微带电容和微带电感的综合设计微带传输线的微带电容和微带电感是相互独立的，但在实际设计中需要综合考虑它们的影响。
例如，当微带电容增大时，信号速度和带宽增大，但串扰也可能增加。
因此，在设计微带传输线时，需要根据具体应用要求，综合考虑微带电容和微带电感的影响。
在微带传输线的设计中，使用计算机辅助设计（CAD）工具可以帮助自动计算微带电容和微带电感的值，并快速优化设计参数，以满足特定的电路性能要求。
微带线讲稿-4
射频/微波传输线微波传输线是用来传输微波信号和微波能量的传输线。
微波传输线种类很多,按其传输电磁波的性质可分为三类:TEM模传输线(包括准TEM模传输线),如图3―1―1(1)所示的平行双线、同轴线、带状线及微带线等双导线传输线;TE模和TM模传输线,如图3―1―1(2)所示的矩形波导,圆波导、椭圆波导、脊波导等金属波导传输线;表面波传输线,其传输模式一般为混合模,如图3―1―1(3)所示的介质波导,介质镜像线等。
在射频/微波的低频段,可以用平行双线来传输微波能量和信号;而当频率提高到其波长和两根导线间的距离可以相比时,电磁能量会通过导线向空间辐射出去,损耗随之增加,频率愈高,损耗愈大,因此在微波的高频段,平行双线不能用来作为传输线。
为了避免辐射损耗,可以将传输线做成封闭形式,像同轴线那样电磁能量被限制在内外导体之间,从而消除了辐射损耗。
因此,同轴线传输线所传输的电磁波频率范围可以提高,是目前常用的微波传输线。
但随频率的继续提高,同轴线的横截面尺寸必须相应减小,才能保证它只传输TEM模,这样会导致同轴线的导体损耗增加,尤其内导体引起损耗更大,传输功率容量降低。
因此同轴线又不能传输更高频率的电磁波,一般只适用于厘米波段。
一微带传输线结构微带传输线应用于低电平射频微波技术中。
它的优点是制造费用省，尺寸特别小，重量特别轻，工作频带宽，以及具有与固体器件的良好配合性；其主要缺点是损耗较大，不能在高电平的情况下使用。
由于微带线结构简单,便于器件的安装和电路调试,产品化程度高,使得微带线已成为射频/微波电路中首选的电路结构。
微带线的结构如图3―3―1所示。
它是由介质基片的一边为中心导带,另一边为接地板所构成,其基片厚度为h,中心导带的宽度为w。
其制作工艺是先将基片(最常用的是氧化铝)研磨、抛光和清洗,然后放在真空镀膜机中形成一层铬-金层,再利用光刻技术制成所需要的电路,最后采用电镀的办法加厚金属层的厚度,并装接上所需要的有源器件和其它元件,形成微带电路。
第三章微带传输线
t h x
微带线及其坐标
二 微带线的传输模式
1 分布参数 和平行双线同轴线一样，只要微带线工组 模式是TEM波，可以定义微带线的分布参数 单位长度的电阻和电感、电导和电容。 可是由于微带线结构的特殊性很难得到其 简单的表达式。
2 TEM波传输线传输特性 根据平行双线和同轴线的传输特性，当 传输线周围填充同一种介质传输TEM波时， 传输线的传输特性可以概括为：
λmin > 2ω ε r λmin > 2h ε r λmin > 4h ε r 1
五 微带线的工程应用
微带线作为一种导行电磁波的机构， 由于其自身结构特点不能用于大功率传输 系统，而且也不适合用于长距离作为传输 线。前面已经说到，它更适合于构造成各 种微波电路元件，并与其它微波器件、元 件组合，作为小型平面化和集成微波电路 单元。这对于微波电路和设备的小型化、 集成化具有重要的意义。 通频带5GHz～15GHz。
微带线Z0和相对等效介电常数与尺寸的关系
5 微带线的工程计算 微带线的工程计算，通常是由给定的高 度、和波阻抗的要求，设计导带宽度。
6 微带线的传输模式 需要明确的是微带线中真正传输的是TE波 与TM波的混合波，称作EH波，其纵向分量 主要是介质与空气界面上的边缘场所引起。 但是由于微带线导行的电磁波，场量主要 集中于介质基片，波的纵向分量比之横向 分量要小的多，因此微带线中的电磁波与 TEM波相差很小，所以称之为准TEM波。 上述采用方法是一种非常好的近似方法。
导体损耗
αd =
Rs
Z 0W
=
π f
1
σ
Z 0W
介质损耗
εr G0 α c ≈ q tgδ , tg δ = 2 ε rc ωC0
ADS仿真分析
微波电路ADS仿真一．微带传输线设计 (1)（A1）经验公式法 (1)（A2）使用matlab编程分析 (2)（A3）相关程序结果 (2)（B1）ADS建模仿真 (5)（B2）设置控件MSUB微带线参数 (5)（B3）帮助文件 (6)（B4）初始结果 (7)（B5）手动调整导带宽度 (8)（C1）微带线自带计算工具 (8)（D1）优化方法 (10)（D2）优化后的仿真结果 (10)（E）相关参数改变 (11)二：微带电容的设计 (12)（1）交流电路分析 (12)（2）使用交流扫频方法并使用理想电容等效 (12)（3）使用微带线设计 (13)（4）使用交指微带设计 (14)（5）S参数电路分析 (16)（6）使用微带电容MTFC模块设计 (17)三：微带电感的设计 (19)（1）交流电路分析 (19)（2）S参数电路分析 (20)（3）使用方形微带电感实现 (20)组员：周亮、张扬一．微带传输线设计要求：设计50欧姆的微带线，首先使用公式计算的方法，然后使用软件优化设计的方法（添加随机函数和变量），其中参量的值为，基片介电常数为2.3，金属导带使用copper，研究介电常数、金属线宽、长度对特性阻抗和频带的影响。
几种方法：（1）经验公式法（2）手动设置法（3）计算法，需要ADS的计算控件（4）优化法（A1）经验公式法001-r r 2e 00=601=601+[2(2h 2h1+-110h ++228h =60n +h 4h120=h Z Z W W Ln e h WW Z L W Z W ππππ≥ ≥εεε=≤微带线的特性阻抗计算方法：（W h ）这个公式近似度差些，若要求稍微更精确些的计算，可采用下列的计算公式:（W h ）+0.94）]（1）或者使用另一组计算公式：（），W 6h h h +2.42-0.44+-W W ≥，W （1）本设计中使用介电常数2.3的介质，那么对于不同的W/h ，使用matlab 编程计算：（A2）使用matlab 编程分析disp('微带线阻抗计算')er=2.3;wh=1:0.1:10ee=(1+er)/2+(er-1)/2*(1+10*(1./wh)).^(-0.5);z0=120*pi./(wh+2.44-0.44./wh+(1-1./wh).^6)z1=60*pi*pi*sqrt(1./ee)./(1+pi*wh+log(1+pi/2.*wh))subplot(1,2,1)plot(wh,z0)subplot(1,2,2)plot(wh,z1)最终得到WH 比为1.95（A3）相关程序结果（B1）ADS建模仿真新建工程，选择【File】→【New Project】，系统出现新建工程对话框。
微带线匹配的设计
第3节微带线匹配设计在前面介绍了设计集总参数元件的匹配网络的方法，但是这种匹配网络只适合于频率较低的场合，或者是尺寸远小于工作波长的情况。
随着工作频率的提高和工作波长的缩小，分立元件的寄生参数效应将变得更加明显，设计时相应地就要考虑寄生效应，这将使得问题变得相当复杂。
分立元件的这些问题限制了它在射频微波电路中的应用。
通常在几个GHz频段中，射频工程师常采用分立元件和分布元件混合使用的方法。
相比较于前面的分立元件匹配网络，这种网络避免使用电感，而是用传输线替换了电感。
原因是电感比电容具有更高的电阻性损耗，而且电感绕制起来麻烦，很难做到精确。
这种网络是由几段串联的传输线以及间隔配置的并联电容构成。
在这种匹配网络中的分布元件显示出独特的电特性，明显地不同于低频集总参数元件。
它适合作为手机等移动通信设备功率放大器的匹配网络。
其结构如下图所示。
传输线（TL）和电容元件的混合匹配网络设计实例1：设计一个匹配网络将ZL=(30+j20)ohm的负载阻抗变换到Zin=(60+j80)ohm 的输入阻抗。
要求必须采用两段串联传输线和一个并联电容。
已知两段传输线的特性阻抗均为50ohm,匹配的工作频率为2 GHz。
首先，建立一个工程matching1_prj，弹出窗口如下图点选框内的S_Params，然后点OK。
然后会光标处出现虚框将虚框放在空白窗体内。
出现S参数模板如图示：然后手工将Zin和ZL值键入Term1和Term2的Z参数，如下图示:放置一个smithchart元件，目前这个元件是空的。
然后点击tools，在下拉菜单中找到Smith Chart Utility点击，启动Smith Chart工具视窗。
如下图示：在弹出的对话框中选择Update Smith Chart utility from SmartCoponent，然后点击OK就可以用ADS自带的Smith圆图工具来设计匹配。
先设置匹配的工作频率为2 GHz，默认设置为1 GHz。
第三章 微波传输线 4微带线
2
e
(
f
)
r
1
4F
e
1.5
e
式中
F
4h
r 0
1 0.5 [1 2ln(1
w h
)]2
第3章 微波传输线
z0 (
f
)
z0
e( f ) e
1
1
e e( f )
5)
微带线的高次模有两种模式: 波导模式和表面波模式。 波 导模式存在于导带与接地板之间, 表面波模式则只要在接地板 上有介质基片即能存在。
可忽略介质衰减。但当用硅和砷化镓等半导体材料作为介质基
片时, 微带线的介质衰减相对较大, 不可忽略。
4)
前面对微带线的分析都是基于准TEM模条件下进行的。 当频率较低时, 这种假设是符合实际的。
第3章 微波传输线
然而, 实验证明, 当工作频率高于5GHz时, 介质微带线的特 性阻抗和相速的计算结果与实际相差较多。这表明, 当频率较 高时, 微带线中由TE和TM模组成的高次模使特性阻抗和相速
基片 打孔 蒸发 光刻 腐蚀 电镀 图 23-2 微带工艺
一般地说，微带均有介质填充，因此电磁波在其中传 播时产生波长缩短，微带的特点是微。
第3章 微波传输线
常用的基片有两种：
氧化铝Al2O3陶瓷 r=90～99 聚四氟乙烯或聚氯乙烯 r=2.50左右。
容易集成，和有源器件、半导体管构成放大、混频和振荡。
第3章 微波传输线
同理可得
EZ1 y
r
Ez 2 y
j
(1
1
r
)
E
y
2
可见，当εr≠1时, 必然存在纵向分量Ez和Hz, 亦即不存在纯 TEM模。但是当频率不很高时, 由于微带线基片厚度h远小于
微带传输线微带电容微带电感设计说明
ADS建模仿真
MUSB
MUSB
MLIN
ADS建模仿真
ADS建模仿真
手动设置法
• 手动微调微带传输线的W，当WH=2.96时，S11<-40dB，可以求出反射 系数为0.01，反射能量为万分之一，满足设：选择【Tools】→【LineCalc】→【Start LineCalc】 工具来分析综合微带线的特性阻抗。
ADS建模仿真
设置控件MSUB微带线参数 copper： relative permittivity：1 relative permeability：0.999991 conductivity：58000000 siemens/m mass density：8933
H=1mm，微带线基板厚度为1mm Er=2.3，微带线基板的相对介电常数为2.3 Mur=1，微带线基板的相对磁导率为1 Cond=58000000，微带线导体的电导率为58000000 Hu=1.0e+0.33mm,表示微带线的封装高度 T=0.05mm，微带线的导体层厚度为0.05mm（50um） TanD=0.0003，微带线的损耗角tan=0.0003 Rough=0mm，微带线表面粗糙度为0mm
微波电路ADS仿真
周亮 12111043
微带传输线设计
几种方法： （1）经验公式法 （2）手动设置法 （3）计算法，需要ADS的计算控件 （4）优化法
经验计算方法
微带线的特性阻抗计算方法：
Z0 =60 2
0 e
1+
W
1 +Ln（1+
W
（ W ）
h）
2h
2h
这个公式近似度差些，若要求稍微更精确些的计算，可采用下列的计算公式:
微带线(microstrip)和带状线(stripline)
微带线(microstrip)和带状线(stripline)微带线剖面图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；但损耗稍大，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。
一般用薄膜工艺制造。
介质基片选用介电常数高、微波损耗低的材料。
导体应具有导电率高、稳定性好、与基片的粘附性强等特点。
两个方面的作用在手机电路中，一条特殊的印刷铜线即构成一个电感微带线，在一定条件下，我们又称其为微带线。
一般有两个方面的作用：一是它把高频信号能进行较有效地传输；二是与其他固体器件如电感、电容等构成一个匹配网络，使信号输出端与负载很好地匹配。
1.PCB的特性阻抗Z0与PCB设计中布局和走线方式密切相关。
影响PCB 走线特性阻抗的因素主要有：铜线的宽度和厚度、介质的介电常数和厚度、焊盘的厚度、地线的路径、周边的走线等。
微带线2.当印制线上传输的信号速度超过100MHz时，必须将印制线看成是带有寄生电容和电感的传输线，而且在高频下会有趋肤效应和电介质损耗，这些都会影响传输线的特征阻抗。
按照传输线的结构，可以将它分为微带线和带状线。
在PCB的特性阻抗设计中，微带线结构是最受欢迎的，因而得到最广泛的推广与应用。
最常使用的微带线结构有4种：表面微带线（surfacemicrostrip）、嵌入式微带线（embedded microstrip）、带状线（stripline）、双带线（dual-stripline）。
2.微带线是位于接地层上由电介质隔开的印制导线，它是一根带状导线(信号线)．与地平面之间用一种电介质隔离开。
印制导线的厚度、宽度、印制导线与地层的距离以及电介质的介电常数决定了微带线的特性阻抗。
如果线的厚度、宽度以及与地平面之间的距离是可控制的，则它的特性阻抗也是可以控制的。
微带传输线概述
《射频电路》课程设计题目：微带传输线概述系部电子信息工程学院学科门类工学专业电子信息工程学号1108211042姓名杨越2012年06月30日微带传输线概述摘要本课程设计主要介绍了微带传输线在实际应用中比较基础且较重要的几个知识点，并没有详细的对微带线的各个参数及特性作细致的说明。
例如微带线的近似静态解法、微带线的谱域分析等在本设计中都未曾提及，这与此课程设计的制作人本身的理解能力有着千丝万缕的关系。
在后续的微带线设计中，此处所提到准TEM特性、微带线的特性阻抗以及有效介电常数等参数，对于整个微带线系统的确立与实现都有着很重要的关系。
例如在设计微带线低通滤波器的时候，当通过低通滤波器原型的电路多次变换计算得到最终的电路时，这时就需要面对将电路图实现微带线的问题，而此时需要的就是特性阻抗的知识。
首先，根据特性阻抗值与相对介电常数确定w/h的范围（假设t=0），再由范围选择w/h的具体计算公式，从而求得微带线的宽度。
由有效介电常数求出相速度，再求出波导波长，由此可算出微带传输线的长度，等等。
关键词：微带线准TEM特性特性阻抗有效介电常数相速度波导波长前 言微带线是（Microstrip Line ）是20世纪50年代发展起来的一种微波传输线，是目前混合微波集成电路（hybird microwave integrated circuit ,缩写为HMIC ）和单片微波集成电路（monolithic microwave integrated circuit ，缩写为MMIC ）使用最多的一种平面传输线。
其优点是体积小、重量轻、频带宽、可集成化；缺点是损耗大，Q 值低，功率容量低。
由于微波系统正向小型化和固态化方向发展，因此微带线得到了广泛的应用。
一 微带线的结构微带线是在金属化厚度为h 的介质基片的一面制作宽度为W 、厚度为t 的导体带，另一面作接地金属平板而构成的，如图1-1所示。
其中，r ε为介质基片的相对介电常数。
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o
I j C U
看 出 电 流 的 相 位 为 90 ， 当 电 容 和 电 压 峰 值 大 小 固 定 时 ， 电 流 与 频率呈正比例关系（线性增加）。
0 = 2 f 2 1 0 r a d / s
9
微波电路ADS仿真
周亮 12111043
微带传输线设计
几种方法： （1）经验公式法 （2）手动设置法 （3）计算法，需要ADS的计算控件 （4）优化法
经验计算方法
微带线的特性阻抗计算方法： Z 0 =60
2ห้องสมุดไป่ตู้
0 e 1+ W 2h
1 + L n （ 1+ W 2h
W h ） （ ）
L2=0.420mm
L2=0.920mm
W=0.01mm
W=0.02mm
S=0.01mm
S=0.02mm
微带电感桥参数
变量 im a g （ i ） L= j U
I
N L 1 L 2 W S
C 2 pf 2 10 U m a x 1V / m
12
f
im a g ( i ) 3 7 .8 1 0
3
0 .0 3 7 8
仿 真 结 果 表 明 ， 电 流 虚 部 为 0.0377， 与 计 算 结 果 相 同 。
微带传输线电容
微带传输线电容
微带交指电容
计算结果
综合10Ghz频段
综合4Ghz频段
使用计算参数仿真结果
优化法
• 单击工具栏上的VAR 图标，把变量控件VAR放置在原理图上，双击该 图标弹出变量设置窗口，依次添加各变量。 • 在Name栏中填变量名称，Variable Value栏中填变量的初值，点击 Add添加变量，然后单击Tune/Opt/Stat/DOE Setup按钮设置变量的取 值范围，其中的Enabled/Disabled表示该变量是否能被优化， Minimum Value表示可优化的最小值Maximum Value表示可优化的最大 值。 • 在原理图设计窗口中选择优化面板列表optim/stat/Yield/DOE,在列 表中选择优化控件optim，双击该控件设置优化方法和优化次数，常 用的优化方法有Random(随机)、Gradient(梯度)等。随机法通常用于 大范围搜索，梯度法则用于局部收敛。 • 在优化面板列表中选择优化目标控件Goal放置在原理图中，双击该控 件设置其参数。 Expr是优化目标名称，dB(S(1,2)) SimlnstanceName是仿真控件名称，这里选择SP1。 Min和Max是优化目标的最小与最大值。 Weight是指优化目标的权重。 RangeVar[1]是优化目标所依赖的变量，这里为频率freq。 RangeMin[1]和RangeMax[1]是上述变量的变化范围。
ADS建模仿真
MUSB
MUSB
MLIN
ADS建模仿真
ADS建模仿真
手动设置法
• 手动微调微带传输线的W，当WH=2.96时，S11<-40dB，可以求出反射 系数为0.01，反射能量为万分之一，满足设计要求。
计算法
• 微带线计算控件：选择【Tools】→【LineCalc】→【Start LineCalc】 工具来分析综合微带线的特性阻抗。 在Substrate Parameters栏中填入与MSUB相同的微带线参数。 在Component Parameters栏中填入中心频率。 Physical栏中的W和L分别表示微带线的宽和长。 Electrical栏中的Z0和E_Eff分别表示微带线的特性阻抗和相位延迟， 点击Synthesize和Analyze栏，可以进行W、L与Z0、E_Eff间的相互 换算。
6
），W h ，W h
Matlab编程
本设计中使用=2.3的介质，那么对于不同的W/h，使用matlab编程计算： disp('微带线阻抗计算') er=2.3; wh=1:0.1:10 ee=(1+er)/2+(er-1)/2*(1+10*(1./wh)).^(-0.5); z0=120*pi./(wh+2.44-0.44./wh+(1-1./wh).^6) z1=60*pi*pi*sqrt(1./ee)./(1+pi*wh+log(1+pi/2.*wh)) subplot(1,2,1) plot(wh,z0) subplot(1,2,2) plot(wh,z1) 最终得到WH比为1.95
优化法结果
介电常数1.3
介电常数2.3
介电常数3.3
导带线宽2mm
导带线宽3mm
导带线宽4mm
介质高度1mm
介质高度1.5mm
介质高度2mm
理想电容
理想电容仿真结果
理想电容仿真结果
微带传输线电容
砷化镓 介电常数为13.1 Aluminum： relative permittivity：1 relative permeability：1.000021 conductivity：38000000 siemens/m mass density：2689
微带交指电容
微带交指电容优化结果
W=13.98mil （指宽）
W=23.98mil （指宽）
G=2.59mil （指间横向缝隙）
G=5.59mil （指间横向缝隙）
微带交指电容参数
变量 W G Ge L W t W f im a g （ i ） C= I j U real(i) Q
Z j L U I I j U
L
o
看 出 电 流 的 相 位 为 90 ， 当 电 感 和 电 压 峰 值 大 小 固 定 时 ， 电 流 与 频率呈反比例关系。
0 = 2 f 2 1 0 r a d / s
9
L 5nf 5 10 U
这个公式近似度差些，若要求稍微更精确些的计算，可采用下列的计算公式: Z 0 =60 1 W 2h e 1+ r 2 + 1 h L n[ 2 e ( W 2h
1
W h ） （ +0.94） ]
r -1 10h -2 + （ 1+ ） 2 W
或者使用另一组计算公式： Z 0 = 60 Ln（ Z0= 8h W + W 4h 1 2 0 W h + 2 .4 2 -0 .4 4 h W + （ 1h W ）
ADS建模仿真
设置控件MSUB微带线参数 copper： relative permittivity：1 relative permeability：0.999991 conductivity：58000000 siemens/m mass density：8933 H=1mm，微带线基板厚度为1mm Er=2.3，微带线基板的相对介电常数为2.3 Mur=1，微带线基板的相对磁导率为1 Cond=58000000，微带线导体的电导率为58000000 Hu=1.0e+0.33mm,表示微带线的封装高度 T=0.05mm，微带线的导体层厚度为0.05mm（50um） TanD=0.0003，微带线的损耗角tan=0.0003 Rough=0mm，微带线表面粗糙度为0mm
m ax
9
f
1V / m
3
im a g ( i ) 1 0 .6 1 0
0 .0 1 0 6
仿 真 结 果 表 明 ， 电 流 虚 部 为 0.0106， 与 计 算 结 果 相 同 。
微带电感桥
微带电感桥
微带电感桥
N=2
N=3
L1=0.519mm
L1=1.019mm
Matlab计算结果
Matlab计算结果
Matlab计算结果
Matlab计算结果
ADS建模仿真
• 新建工程，选择【File】→【New Project】，系统出现新建工程对 话框。在name栏中输入工程:microstrip，并在Project Technology Files栏中选择ADS Standard：Length unit——millimet，默认单位 为mm。单击OK，完成新建工程，此时原理图设计窗口会自动打开。 • 在原理图设计窗口中选择TLines-Microstrip元件面板列表,并选择 MSUB，按照如图所示的方式连接起来。 • 在原理图设计窗口中选择S参数仿真工具栏，Simulation-S_Param。 选择Term放置在微带线两边，用来定义端口1和2，并放置两个地，连 接好电路。 选择S参数扫描控件放置在原理图中，并设置扫描的频率范围和步长。 双击S参数仿真控制器，参数设置如下。 Start=0 GHz，表示频率扫描的起始频率为0 GHz。 Stop=5 GHz，表示频率扫描的终止频率为5 GHz。 Step=0.01 GHz，表示频率扫描的频率间隔为0.01 GHz。
r
理想电感
理想电感
理想电感
微带电感桥
砷化镓 介电常数为13.1 Aluminum： relative permittivity：1 relative permeability：1.000021 conductivity：38000000 siemens/m mass density：2689