微带传输线的CAD设计[摘要]微波射频电路的平面化、小型化、集成化使得微带线成为单片微波集成电路号传输的主要载体论文先首先论述了微带线的工作原理和核心性能参数,具体详述了基于HFSS软件对微带线进行建模仿真的方法,仿真计算给出的S参数图和远区场增益覆盖图显示了设计的正确性[关键词]微带线,高频结构仿真器,特性阻抗,散射参数CAD design of the microstrip lineTanliTutor: Nie Xiang[Abstract]The developing tendency of compactness,miniaturization and integration for the microwave radio frequency circuits makes microstrip line play a key role in transporting signals in MMIC. The work principles and core performance parameters of the microstrip line are demonstrted in this paper. The approach of modeling and simulation in microstrip line based on HFSS are specified. The S parameter chart and far field overlay of calculation and simulation prove the design correct.[Key words]Micro-strip lineHFSS Characteristic impedance Scattering parameters目录1引言12微带线的工作原理及分析方法22.1微带线工作原理22.2微带线分析方法23微带线核心参数的计算54微带线HFSS建模与仿真74.1Ansoft HFSS设计环境74.2建立3D模型84.3建立波端口114.4创建报告165数据分析及结论195.1 S参数分析195.2 2D远区场增益分析19致21参考文献22附录A：科技文献翻译23附录B：英语科技文献原文28 / 1引言微带线的发展历程经过由传统微波传输线→带状线→耦合带状线→微带线。
微带线优点有：〔1〕微带线一面是FR-4〔或者其他电介质〕一面是空气〔介电常数低〕因此速度很快 〔2〕利于走对速度要求高的信号〔例如差分线,通常为高速信号,同时抗干扰比较强〕 〔3〕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；缺点有：损耗稍大,功率容量小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<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严格地讲,微带线属于非均匀介质系统,在非均匀介质的结构中不存在TEM模,也不存在纯TE模或纯TM 模,而是TE模和TM 模的混合模微带线可以看成是由平行双导线演变来的,假设在无限均匀介质中有一平行双导线线上传输的主模是纯TEM 模,如果在两导线间的中心对称面上放置一个极薄的理想的导体板,将双导线从中心对称面分为上下两部分,如果在任一单根导线和理想导体平板之间馈电,其间仍可传输纯TEM 模,因而将未馈电的那一根导线移去,也不会改变馈电的导线与理想导体平板场分布。
把此馈电的导线变成扁平导体带,就形成了上半空间为同一种介质的微带线,若该介质是空气则称为空气微带线所以空气微带线中的主模是纯TEM 模,由于空气微带线的辐射损耗大,没有实际的使用价值实际的微带线不同于均匀介质微带线,在导体和接地板之间填充有介质而上方是空气,因此,这个系统不仅存在介质与导体的分界面,而且存在空气与导体、空气与介质的分界面在这种混合介质系统中,不存在纯TEM 模2微带线的工作原理及分析方法2.1微带线工作原理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由于导体带上面〔y>h〕为空气,导体带下面〔y
2.2微带线分析方法由于微带线的传输模式不是纯TEM波,因此对它的分析比较困难和复杂,分析方法也较多,大致可归为如下三类：准静态法、色散模型法和全波分析法准静态方法便是将其模式看成纯TEM模,引入有效介电常数为的均匀介质代替微带线的混合介质在准静态法中,传输特性参数是根据如下两个电容值计算的：一个是介质基片换成空气微带线单位长度电容；另一个是微带线单位长度电容特性阻抗和相位常数β可以用这两个电容表示为：, <2—1> <2—2> 式中是空气微带线的特性阻抗相速度和波导波长则为：, <2—3> 由于电力线部分在介质基片,部分在空气中,显然有：1<<,= <2—4>的大小取决于基本厚度h和导体带宽度W〔1〕特性阻抗 零厚度导体带空气微带线特性阻抗的精确解可用保角变换方法求得为： 〔2—5〕式中和分别是第一类全椭圆积分和第一类余全椭圆积分〔2〕衰减常数 假如忽略辐射损耗,则微带线的衰减常数α为：α=+ 〔2—6〕 式中,为导体衰减常数,为介质衰减常数 假定,电流在导体带和介质板均匀分布,则导体衰减常数近似为：〔Np/m〕 〔2—7〕式中为导体的表面电阻。
式〔2—7〕只适用于情况；实际的W/h并非如此,且电流在导体带和接地板为非均匀分布此种情况下的更精确地导体衰减常数可用惠勒增量电感法则求得〔3〕相速和波导波长按TEM模来计算微带线的参数,常用等效的方法设等效微带线传输纯TEM模的电磁波,则相速为,是有效相对介电常数,用公式表示如下： 〔2—8〕微带线的相波长,用表示, 〔2—9〕将代入上式,可得： 〔2—10〕从上式可看出,微带波长与工作频率和基片的相对介电常数以及微带线的宽高比有关注：上述公式中的单位除特殊说明外均为国际标准3微带线核心参数的计算<1>.哈梅斯泰特用对精确准静态解作曲线拟合近似得到如下特性阻抗公式可用于微带线电路CAD：………… 〔3—1〕……………… 〔3—2〕在,围,上式的精度优于1%<2>.导体带厚度t0可等效为导体带宽度加宽为,修正公式为〔〕： 〔3—3〕 <3>.微带线电路的设计通常是给定和,要计算导体带宽度W此时可用由上式得到综合公式：〔3—4〕式中：, 〔3—5〕<4>.介质层材料选用FR4_epoxy,中文名为玻璃纤维板,具有吸水率低、耐久性佳、弯强度好等特点,相对介电常数是：4~6,一般取4.25 损耗正切：0.001~0.03〔频率相关,低频~高频〕,1~3G取0.02。
<5>.对于微带线,传播速度随频率的而变的色散现象具体表现为和随频率而变微带线的最高频率收到许多因素的限制,例如寄生模的激励,较高的损耗,严格的制造公差处理过程中材料的脆性,显著的不连续性等可按下式估算：〔GHz〕 〔3—6〕 式中h的单位为mm<6>.微带线中除准TEM模外,还可能出现表面波模和波导模为抑制高次模,微带线的横向尺寸应选择为：, 〔3—7〕金属屏蔽盒高度取H>〔5~6〕W<7>.尺寸确定 已知所求微带线的长度为0.5in,即500mil,特性阻抗为50欧姆,介质板的介电常数为4.25,可通过上述公式求出微带线的宽100mil,高4mil,金属屏蔽盒尺寸为500mil100mil200mil微带线最高限制频率为0.31GHz<8>. 1mm=0.0394in=39.4mil注：除特别标明外,所有单位均为国际标准4微带线HFSS建模与仿真4.1Ansoft HFSS设计环境Ansoft HFSS的以下特性将会应用到此无源器件的模型中Ⅰ. 3D立体建模：长方体〔Boxes〕,矩形〔Rectangles〕Ⅱ.边界条件与激励 端口：波端口〔Wave ports〕Ⅲ.分析 扫频：快速扫频〔Fast Frequency〕Ⅳ.结果 笛卡尔坐标系图〔Cartesian plotting〕Ⅴ.场分布 3D远场分布图〔3D Far Field Plots〕初始设置启动Ansoft HFSS,点击微软的开始按钮,选择程序,然后选择Ansoft HFSS10程序组,点击HFSS10,进入Ansoft HFSS。
设置工具选项Ⅰ选择菜单中的工具>选项〔Options〕>3D模型选项〔3D Modeler Options〕Ⅱ.HFSS选项窗口：a．点击常规〔General〕标签a〕.建立新边界时,使用数据登记向导〔Use Wizards for data entry when creating new boundaries〕：勾上 b〕.用几何形状复制边界〔Duplicate boundaries with geometry〕：勾上b．点击OK按钮Ⅲ.选择菜单中的工具>选项>3D模型选项<3D modeler Options>Ⅳ.3D模型选项〔3D Modeler Options〕窗口： a.点击操作〔Operation〕标签 自动覆盖闭合的多段线〔Automatically cover closed polylines〕：勾上 b.点击画图〔Drawing〕标签 编辑新建原始结构的属性〔Edit property of new primi。