什么是微帶線

微波傳輸線是射頻系統(tǒng)的基礎(chǔ)，我們在《射頻傳輸線小結(jié)》中對常用的微波傳輸線做了比較詳細的總結(jié)。今天我們再介紹一下這種最最最常用的微波傳輸線—— 微帶線 microstrip。

微帶線的歷史

微帶線作為現(xiàn)在應(yīng)用最高的傳輸線，也已經(jīng)70多歲了，最初由美國ITT實驗室的Grieg 和 Engelmann 在 1952 年 12 月的 IRE 會議上首次發(fā)表，做為一種新型的印刷電路展示給大家。主要競爭對手是比它大兩歲的大哥——帶狀線，帶狀線?是由R. Barrett 在 1950 年代發(fā)明的。帶狀線最初的名字叫做Tri-plate，這個也好理解，剛好三層金屬層所以就叫三片唄。外國人起個名字都這么隨意。

盡管帶狀線和微帶線如此的相似，但是他們的由來卻各不相同，按照發(fā)展關(guān)系的話，微帶線還比帶狀線大一輩。微帶線可以看作是平行雙線的延伸，平行雙線可以說是最古老的微波傳輸線了 ，在平行雙線的中心面上放置一個金屬導(dǎo)電平板，導(dǎo)電平板和所有的電力線垂直，保持原來的電磁場結(jié)構(gòu)，這樣把其中的一根線移走，另一根線的電磁場結(jié)構(gòu)依然不變，這樣留下的這根導(dǎo)線和金屬導(dǎo)電平板就構(gòu)成了一種新的傳輸線——微帶線， 金屬導(dǎo)線做成帶狀條敷在介質(zhì)板的一側(cè)，而另一側(cè)為金屬接地板。

而帶狀線則可以看作由同軸線發(fā)展而來，首先把同軸線的外導(dǎo)體一分為二，然后把外導(dǎo)體展開成平板，最后把內(nèi)導(dǎo)體也拍扁成條，這樣就做成了帶狀線。

而同軸線的出現(xiàn)就是為了解決平行雙線輻射損耗的問題，同軸線可以看作是由平行雙線的一根導(dǎo)線延展開來，然后把另一根導(dǎo)線包裹起來形成的。從這個角度來說，帶狀線和平行雙線之間還夾著一個同軸線。

觀察帶狀線和微帶線的電場分布，如果金屬接地板足夠大，帶狀線的電磁場依然被封閉在兩塊導(dǎo)體板內(nèi)，而且上下對稱分布，依然能保持TEM模的純潔度和穩(wěn)定性。但是微帶線則在開放區(qū)域有明顯的電磁輻射，電磁場分布也有著明顯的不對稱，這種場結(jié)構(gòu)不對稱性，在微帶線的發(fā)明之初，引入了不小的麻煩，不僅有顯著的輻射損耗，而且還會激勵起其他模式，使得原有的工作模式變壞，所以呢，這種原有的不對稱的工作模式，我們稱為準(zhǔn)TEM模。我們可以將微帶線的橫截面尺寸縮小來改善這些缺點，使得微帶線介質(zhì)基片的厚度，導(dǎo)體帶條的寬度縮小至遠小于工作波長，但是這樣又會引入更大的導(dǎo)體損耗。所以呢，在剛開始的一段時間內(nèi)，微帶線在和帶狀線的競爭中處于大大的劣勢，并沒有得到廣泛應(yīng)用。

現(xiàn)在隨著技術(shù)的發(fā)展，多層 PCB 的電路板應(yīng)用越來越廣泛，微帶線和帶狀線最終是糅合到了一塊電路板上。

但是無論如何，帶狀線和微帶線的出現(xiàn)，都把微波傳輸線帶到了平面時代，印刷電路板工藝在射頻電路中得到了廣泛的應(yīng)用，也才有了今天的無線時代。

微帶線的構(gòu)成

在前面的介紹過，微帶線是由介質(zhì)基片和敷在介質(zhì)基片上下表面的金屬帶條和金屬接地板組成，如下圖所示。所以呢，對微帶線的研究主要是這三部分：金屬帶條，介質(zhì)基板和接地板，其中最重要的就是介質(zhì)基板。

對介質(zhì)基板的要求也最高：

1，較高的介電常數(shù)，滿足電路小型化的要求‘

2，低損耗，損耗角正切 tan δ 要小，而且越小越好。

3，穩(wěn)定的介電常數(shù)，最起碼在給定的頻率范圍和溫度范圍內(nèi)。

4，高擊穿強度，這樣保證微帶線能夠傳輸更大的功率；

5，高導(dǎo)熱性，保證熱能夠很好地傳輸出去。

并且還要對金屬有好的附著力，方便印刷金屬層。

下表（來自微帶電路）給出了適合毫米波應(yīng)用的介質(zhì)基板材料對比。不同材料的介電常數(shù)各不相同，損耗系數(shù)也各不相同。下表中氧化鋁出現(xiàn)了三次，氧化鋁的純度越高，其介電常數(shù)越高，損耗也越小。

下表是現(xiàn)在一些常用的介質(zhì)板材的對比。更多的材料對比可以查看 Rogers網(wǎng)站（Rogers 高頻電路板選型指南）

微帶線的另一個重要組成就是金屬帶條了，不僅要有良好的導(dǎo)電性，而且還要對介質(zhì)板有比較好的附著力，保證微帶線結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固。我們知道，銀，銅，金 有著比較好的導(dǎo)電性，但是附著力比較差。鉬，鉻，鉭的附著力比較好，但是導(dǎo)電性又比較差。同樣《微帶電路》列出了這些材料的特性，如下表：

更多材料特性查閱看文章《材料百科庫》。

所以在微帶線的制作過程中，可以先在介質(zhì)基板上蒸一層附著力良好的金屬，其厚度要遠小于微帶線工作頻率的趨膚深度，通常只有幾十到幾百埃的厚度，然后再附著一層導(dǎo)電性好的金屬。這樣電磁波完全可以穿透這層金屬薄層，使其大部分能量分布在導(dǎo)電性良好的金屬上，減小對微帶線損耗的影響。

微帶線阻抗計算

對于微帶線的阻抗計算，很多軟件提供了計算工具，比如AWR的Txline（可以發(fā)送消息：txline，獲取下載鏈接。）感興趣的同學(xué)也可以直接用下面的公式編輯到Excel 里面進行計算。

也可以點擊下面網(wǎng)址進行計算：https://www.pasternack.com/t-calculator-microstrip.aspx

微帶線的損耗

損耗是射頻設(shè)計的一個重要參量，對于珍貴的射頻信號，損耗越小越好。微帶線的損耗比常用的波導(dǎo)和同軸線要大的多，所以在電路設(shè)計時，微帶線損耗尤其需要重視。通常微帶線的損耗包括三個部分：導(dǎo)體損耗，介質(zhì)損耗和輻射損耗。

導(dǎo)體損耗：也就是有微帶線導(dǎo)體帶條和接地金屬板引起的損耗，畢竟這些金屬導(dǎo)體具有有限的導(dǎo)電率，電流通過時會引起電阻損耗。導(dǎo)體損耗是微帶線損耗的主要部分。

介質(zhì)損耗：當(dāng)電磁波通過介質(zhì)材料時，由于介質(zhì)分子交替極化和晶格碰撞產(chǎn)生的熱損耗稱為介質(zhì)損耗，通常用損耗角正切 tan δ 來表示。損耗角正切越小，介質(zhì)損耗越小。

輻射損耗;? 微帶線的場分布是半開放的，會有部分能量輻射出來，這個通過減小微帶線的橫截面使得輻射損耗降低。但是在微帶線的不連續(xù)點，輻射會比較顯著。有時候會對整個射頻系統(tǒng)的EMI 帶來比較大的影響，所以通常情況下，一般將微帶電路加裝金屬屏蔽罩來避免輻射，減小輻射損耗和對其他電路的干擾。

除了上面三種常見的損耗之外，還有一個

磁損耗：當(dāng)電路設(shè)計人員使用鐵氧體或石榴石等磁性材料作為介電材料時，電路中可能會發(fā)生磁損耗。這些材料會導(dǎo)致材料自然諧振頻率附近的磁損耗增加。磁損耗角正切和特性阻抗在諧振頻率處迅速增加，磁損耗也相應(yīng)增加。導(dǎo)體損耗取決于特性阻抗。隨著諧振頻率下特性阻抗的增加，導(dǎo)體損耗隨著磁損耗的增加而增加。

在《Microwave101》的一篇文章中，作者對不同厚度的氧化鋁AL2O3 微帶線的損耗做了詳細的對比研究。表格如下，我們直接看一下結(jié)論：

1，對于不同厚度的氧化鋁基板，介質(zhì)損耗是幾乎不變的，但是厚度越薄，金屬損耗越大。這是由于對于同樣的阻抗，介質(zhì)基板越薄，微帶線的導(dǎo)體帶條越細，電流分布越集中，對應(yīng)的導(dǎo)體損耗也越大。

2，石英材料的介質(zhì)基板，損耗更低，一是由于石英基板的損耗角正切更小，達到了0.0001，并且介電常數(shù)較低，微帶線導(dǎo)體條的寬度也較大，這樣金屬損耗也比較低。

微帶線布線

1， 微帶線

2， 微帶差分線

3， 嵌入式微帶線

4，共面微帶線

更多微帶線相關(guān)的學(xué)習(xí)，可以參閱 清華大學(xué)《微帶電路》編寫組再版的《微帶電路》鏈接如下：

參考

射頻工程師必知必會——微帶線

https://www.protoexpress.com/blog/difference-between-microstrip-stripline-pcb/

https://www.rfwireless-world.com/Articles/types-and-basics-of-microstrip-line.html

https://support.lumerical.com/hc/en-us/articles/360042508033-Crosstalk-between-microstrip-transmission-lines

https://www.microwaves101.com/encyclopedias/stripline#:~:text=Stripline%2C%20according%20to%20David%20Pozar%27s%20textbook%20%22Microwave%20Engineering%22,part%20of%20BAE%29%20applied%20the%20trade%20name%20%22Tri-plate%22.

https://www.daenotes.com/electronics/communication-system/transmission-line

https://www.microwaves101.com/encyclopedias/history-of-microstrip#:~:text=Microstrip%20was%20developed%20by%20ITT%20Federal%20Telecommunications%20Laboratories,non-TEM%20waves%20to%20propagate%20which%20makes%20results%20unpredictable.

https://www.microwaves101.com/calculators/1201-microstrip-calculator

https://www.nwengineeringllc.com/article/how-low-are-dielectric-losses-in-microstrip-lines.php