微帶線的產(chǎn)生和發(fā)展

1、，匕京稱I空就天大BEIHANGUNIVERSITY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(gòu)及參數(shù)52.2.1 微帶線中的主模62.2.2 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124.1.1 微帶線134.1.2 帶狀線134.2 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：田鯨劉旭輝宋宇航楊繼元王浩臣周陽摘要微帶線是由支在介

2、質(zhì)基片上的單一導體帶構(gòu)成的微波傳輸線。適合制作微波集成電路的平面結(jié)構(gòu)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DGSa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散帶線，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

3、號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：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，具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；而當頻率提高到其在射頻/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

4、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TEMK,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

5、、微波損耗低的材料，同時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。止匕外，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)

6、展，微波傳輸線必須相應地有個大變革。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(gòu)及參數(shù)微帶線的結(jié)構(gòu)如圖2所示。它是由介質(zhì)基片的一邊為中心導帶，另一邊

7、為接地板所構(gòu)成，其基片厚度為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銘-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。|y導體1t1. Jgw!-b介質(zhì)材料h_C卜二二廣/二二'/二二/二'Jj廣/二二/二二KX0導體2圖2微帶線的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖1.1.1 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(gòu)中不存在TEM莫，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

8、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

9、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。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TEM莫，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TEMK,故稱為準TEMHo1.1.2 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(gòu)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tan6、基板高度h和導線厚度t。導帶和底板(接地板

10、)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給出微波集成電路中常用介質(zhì)材料的特性。材料損耗角正切tanXlO-4(】0GH工時)相對介電常數(shù)Er電導率日應用氧化鉛陶凌99.5%95%85%261510980.30Q.280h20微帶線藍寶石1100.40微帶燒，集總參數(shù)元件玻璃2050.01激帶線，集總參數(shù)元件懈石英140.01微帶線，集總參數(shù)元件氧化鉞172.50微帶隈復合介質(zhì)基片金紅石41000.02微帶線鐵鼠體2140.03微帶緩，不可逆元件聚四氟乙烯152*5做帶線表1微波集成電路中常用介質(zhì)材料的特性r家產(chǎn)品說明江蘇泰

11、興幾家企業(yè)不同厚度的聚四氟乙蟒液嘀纖維增強型雙面板，不同厚度、不同匕的復合介質(zhì)雙面板一國內(nèi)流行產(chǎn)品.用途最廣南京化工大學不同厚度、不同仁的復合介質(zhì)雙面梅性能艮好，替代進口產(chǎn)品ROGERSRT/Durciid系列、TMM系列，F(xiàn)R-4系列玻璃好惟增強聚四氯乙烯覆銅板，陶遵粉填充聚四氟乙烯用銅板和陶費粉填充熱固性禱脂微銅板，不同厚度.不同E.的復合介質(zhì)雙面板優(yōu)異的介電性能和機械性能有相當大的優(yōu)勢.這類微波基材和帶晶襯底的基材得到大量應用POLYFLON不同厚度的聚西氟乙烯玻璃纖維指強型雙面板TaconicRF-35系列摻雜有陶瓷成份的PTFE，編織型玻璃板材Arion范膜柔性板材特殊場合表2覆銅板

12、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、工作波長入0、波導波長入g和電長度(角度)9o(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

13、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35pm和18pm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18pm的銅箔。如果選用35pm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

14、附的金屬銘或鑰，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(gòu)。圖4微帶傳輸線的實際結(jié)構(gòu)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莫以外，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min2Wmin2hmin4h-1抑制TEio波導模抑制TM01波導模抑制表面波TE最低模就可保證微帶線中只傳輸準TEM1。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，尺寸特別小，重量特別輕，工作頻帶寬

15、，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(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)。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(gòu)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(gòu)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，從而使整個電路特性的一致性差；而對

16、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1mmz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。止匕外，整個微帶電路元件共用接地板，只須由導體帶條構(gòu)成電路圖形，這使整個電路的結(jié)構(gòu)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。於檄m門一”的如，狀解決了微波電路小型化、集成化中的主要矛盾。1)可用印刷的方法

17、做成平面電路，電路結(jié)構(gòu)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)的微波印制板生

18、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，具使用的環(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工，特別是帶鋁

19、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(gòu)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用擾，在滿足端接匹配的條件下，可以建立

20、印刷電路板(PCB耦合微帶線間用擾測試結(jié)構(gòu)111o在PCE±利用防護帶可以明顯減少微帶線間的近端和遠端申擾幅度，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申擾幅度，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，近端用擾峰值衰減要比沒有防護帶時多9dB,遠端用擾山!值衰減多7dB0(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(gòu)(DGS微帶線，可應用于緊湊結(jié)構(gòu)低通濾波器的設計。這種新穎的蝴蝶結(jié)形DGSg構(gòu)僅由一個缺陷單元構(gòu)成，他的帶隙中心頻率僅由該單元缺陷結(jié)構(gòu)決定。因此，DG時構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單，易于電磁場理論分析和等效電路建模分

21、析，更適用集成電路實際應用的顯著優(yōu)點。DGS結(jié)構(gòu)的阻帶特性和慢波特性，可用于諧波抑制、去噪、構(gòu)造緊湊和新穎電路結(jié)構(gòu)等方面。所以說，DGS吉構(gòu)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吉構(gòu)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PCBft層的走線，延時小，對于一般FR4的板材，linch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，linch帶狀線對應的走線延時約170pso通常同樣的介質(zhì)條件下微帶線的損耗?。ň€寬），帶狀線的損耗大（線細，有過孔）卜面具體介紹一下

22、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.帶狀線兩邊都有電源或者底層，因

23、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饋恚治Ш臀⒉ü腆w器件組成的微波集成電路，有下述一些優(yōu)點

24、：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(gòu)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(gòu)成濾波器、諧振腔等一類電路元件時，性能較差；在構(gòu)成整個微波功能模塊時，有時其傳輸線損耗可高達幾個dB,這在某些應用中也不允許；由于微帶線

25、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。止匕外，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。(1-1)量等*干街,第此較五.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(gòu)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。開靠耨合觸波器T型接頭詣振器寬度階梯直角彎曲電跟排列I與諧指曾碧臺瑙陵分支線電點偏置照正交蚪1魏抗分支圖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(gòu)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