微带线的产生和发展.docx
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微带线的产生和发展
微波技术
经典前沿类
微带线的产生和发展
微带线的产生和发展
摘要
微带线是由支在介质基片上的单一导体带构成的微波传输线。
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，具有体积小、重量轻、使用频带宽、可靠性高和制造成本低等优点；但同时也存在损耗稍大，功率容量小等问题。
本文首先讨论了微波传输线的分类，然后从微带线的产生、发展、应用三个方面对其进行了介绍。
并且依据微带线发展过程中产生的实例，深入了解了蝴蝶结形DGS微带线在低通滤波器中的应用。
之后也通过查阅文献，知晓了各种微带线中存在着不连续性，以及根据不连续性得到的一些应用。
关键词：
微波传输线，microstrip，微波集成电路，蝴蝶结形DGS微带线，微带线不连续性
一．微波传输线
1.1传输线概况
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:
①TEM模传输线（包括准TEM模传输线）,如图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;②TE模和TM模传输线,如图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;③表面波传输线,其传输模式一般为混合模,如图1（3）所示的介质波导,介质镜像线等。
图1经典微带传输线
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。
二.微带线产生
2.1产生背景及发展历程
60年代初期，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，使微带线得到了广泛应用，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，同时导体也具有导电率高、稳定性好、与基片的粘附性强等特点。
除了微带线以外，常用的微波传输线还有同轴线和波导等。
但它们的最大缺点是体积、重量大。
这个问题在过去并不突出，但随着空间电子技术（例如空用雷达和其他空用电子设备、卫星通信设备等）的发展，设备的体积和重量成为一个主要矛盾，必须予以解决，即使对一些地面电子设备、减轻体积、重量也成为一个重要问题，例如相控阵雷达，使用了成千上万个微波单元，包括收、发设备和微波电路系统，如仍沿用过去的元件，则整个系统也将很复杂笨重。
此外，同轴线和波导作为传输线和电路元件还存在机械加工量大、成本高、调整不易等缺点。
总之，为了适应现在无线技术的发展，微波传输线必须相应地有个大变革。
为了减轻整个无线电设备的体积和重量，增加其可靠性，首先在低频电路中有了很大发展：
由电子管发展到晶体管，进而又发展到集成电路，为整机小型化开辟了道路。
当低频的问题得到了解决时，整个变革便逐渐扩展到了微波领域。
近十几年来，发展了一大批微波固体器件，它们和电子管相比，体积、重量大为减小。
但要真正做到微波整机的小型化，还必须有电路部分与之配合。
六十年代中期后，将器件和电路结合起来解决小型化问题的微波集成电路发展起来，从而使微波设备的固体化、小型化成为可能，并大大改进了整机的指标。
2.2微带线的结构及参数
微带线的结构如图2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。
图2微带线的横截面结构示意图
2.2.1微带线中的主模
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。
对于空气介质的微带线,它是双导线系统,且周围是均匀的空气,因此它可以存在无色散的TEM模。
其演变过程如图3所示。
图3由普通传输线至带形传输线的演变
由于空气微带线的辐射损耗大，没有实际的使用价值，通常微带线是制作在介质基片上的,虽然它仍然是双导线系统,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，是不存在纯TEM模。
可以证明,在两种不同介质的传输系统中,不可能存在单纯的TEM模,而只能存在TE模和TM模的混合模。
但在微波波段的低频端由于场的色散现象很弱,传输模式类似于TEM模,故称为准TEM模。
2.2.2微带线的基本参数及实现
1基本参数
微带线横截面的结构如图4所示。
相关设计参数如下:
（1）基板参数:
基板介电常数εr、基板介质损耗角正切tanδ、基板高度h和导线厚度t。
导带和底板（接地板）金属通常为铜、金、银、锡或铝；高速传送信号的基板材料一般有陶瓷材料、玻纤布、聚四氟乙烯、其他热固性树脂等。
表1给出微波集成电路中常用介质材料的特性。
表1微波集成电路中常用介质材料的特性
表2覆铜板基材的国内外主要生产厂家
（2）基电特性参数:
特性阻抗Z0、工作频率f0、工作波长λ0、波导波长λg和电长度（角度）θ。
（3）微带线参数：
宽度W、长度L和单位长度衰减量AdB。
2微带电路实现
有两种实现方式：
（1）在基片上沉淀金属导带,这类材料主要是陶瓷类刚性材料。
这种方法工艺复杂,加工周期长,性能指标好,在毫米波或要求高的场合使用。
（2）在现成介质覆铜板上光刻腐蚀成印制板电路,这类材料主要是复合介质类材料。
这种方法加工方便,成本低,是目前使用最广泛的方法,又称微波印制板电路。
铜箔种类及厚度选择
由于微带传输线的衰减值与导体材料的电导率有关，因此，应选用导电率大的金属，如金、银、铜等。
从导电性能来说，铜比金好，但金具有性能稳定，表面不易氧化，抗腐蚀等优点，故一般用金作导体材料。
目前最常用的铜箔厚度有35μm和18μm两种。
铜箔越薄,越易获得高的图形精密度,所以高精密度的微波图形应选用不大于18μm的铜箔。
如果选用35μm的铜箔,则过高的图形精度使工艺性变差,不合格品率必然增加。
研究表明,铜箔类型对图形精度亦有影响。
目前的铜箔类型有压延铜箔和电解铜箔两类。
压延铜箔较电解铜箔更适合于制造高精密图形,所以在材料订货时,可以考虑选择压延铜箔的基材板。
又考虑到，无论是金还是铜，它们和介质片（常称为基片）的粘附性差，所以，在制作中，先在基片上蒸发一层镀很薄（约几个至几十千毫微米厚）的易与基片粘附的金属铬或钽，然后再在它们的表面上镀金或铜至所需的厚度。
图4是微带输线的实际结构。
图4微带传输线的实际结构
3微带线尺寸选择
当工作频率提高时,微带线中除了传输TEM模以外,还会出现高次模。
随频率升高会出现的高次模包括：
波导模式TE,TM;表面波模式TE,TM。
必须在材料选择和微带尺寸选择方面尽量抑制这些高次模。
据分析,当微带线的尺寸w和h给定时,最短工作波长只要满足
就可保证微带线中只传输准TEM模。
三.微带线的应用
微带传输线应用于低电平射频微波技术中。
它的优点是制造成本低，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。
3.1微带集成电路简介
微带集成电路（简称微带电路），电路元件由分布参数的微带线构成。
他们包含按设计图形印制在介质基片一面的导体带条和另一面的金属接地板，图形的尺寸可以和工作波长比拟，和微波固体器件连接后即构成整个微带电路。
因为集总参数型集成电路的工作频带宽，虽然某些电路元件（如滤波器）特性理想，集成度也很高，但其工艺比较复杂，质量不易保证，并且由于电路元件的精度难以提高，从而使整个电路特性的一致性差；而对微带电路，只要保证精确的印制工艺，就可得到较高的电路质量，故目前实际使用的大部分是这种电路。
微带线可印制在很薄的介质基片上（可以薄到1mm以下），故其横截面积尺寸比波导、同轴线小得多，其纵向尺寸虽和工作波长可以比拟，但因可采用高介电常数的介质基片，使线上的波长比自由空间波长小了几倍，同样可以减小微带线的纵向尺寸，达到进一步集成的作用。
此外，整个微带电路元件共用接地板，只须由导体带条构成电路图形，这使整个电路的结构大为紧凑。
由于上述原因，微带电路较好地解决了小型化问题，与波导、同轴线元件相比，大大减小了体积、重量。
解决了微波电路小型化、集成化中的主要矛盾。
1）可用印刷的方法做成平面电路，电路结构十分紧凑；
2）传输线的尺寸，不仅线的横截面，而且在沿着线的方向，也因采用高介电常数的介质基片缩短了线上的波长而可大为缩减；
3）微带线带的半边使自由空间（在带状线两侧和接地板之间，均有介质填充），连接微波固体器件十分方便。
3.2微带线的发展趋势
在未来的微带线工程中，微波印制板电路是微波系统小型化的关键，目前微带线工程的发展趋势往下面几个方向发展。
（1）设计要求高精度。
微波印制板的图形制造精度等会逐步提高，但受印制板制造工艺方法本身的限制，这种精度提高不可能是无限制的;到一定程度后会进入稳定阶段。
而微波板设计内容将会有很大程度的丰富。
（2）实现计算机控制。
传统的微波印制板生产中极少应用到计算机技术。
但随着CAD技术在设计中的广泛应用，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应用计算机技术已成为必然的选择。
（3）高精度图形制造。
微波印制板的高精度图形制造，与传统的刚性印制板相比，向着更专业化方向发展，包括高精度摸板制造、高精度图形转移、高精度蚀刻等相关工序的生产及过程控制技术，还包活合理的制造工艺路线安排。
（4）表面镀覆多样化。
随着微波印制板应用范围的扩大，其使用的环境条件也复杂化，但同时由于大量应用铝衬底基材，因而对微波印制板的表面镀覆及保护，在原有化学沉银及镀锡沛合金的基础上，提出了更高的要求。
（5）数控外形加工。
微波印制板的外形加工，特别是带铝衬板的微波印制板的三维外形加工，是微波印制板批生产需要重点解决的一项技术。
面对成千上万件的带有铝衬板的微波印制板，用传统的外形加工方法既不能保证制造精度和一致性，更无法保证生产周期;而必须采用先进的计算机控制数控加工技术。
（6）批生产检验。
微波印制板与昔通单双面板和多层板不同。
不仅其者结构件、连接件的作用，更重要的是作为信号传输线的作用。
这就是说，对高频信号和高速数字信号的传输用微波印制板的电气测试，不仅要测量线路（或网络）的“通断”和“短路”等是否符合要求，而且还应测量特性阻抗值是否在规定的合格范围内。
3.3微带线发展的实例
（1）为了减少耦合微带线间的串扰，在满足端接匹配的条件下，可以建立印刷电路板（PCB）耦合微带线间串扰测试结构【1】。
在PCB上利用防护带可以明显减少微带线间的近端和远端串扰幅度，在保持防护带处于两微带线中心对称的情况下，增大防护带宽度值可以进一步削弱串扰幅度，但防护带宽度值不是越大越好，而是存在一个最佳值。
使用此最佳值，近端串扰峰值衰减要比没有防护带时多9dB，远端串扰峰值衰减多7dB。
（2）在《红外与毫米波学报》上提出了一种新颖的蝴蝶结形缺陷接地结构（DGS）微带线，可应用于紧凑结构低通滤波器的设计【2】。
这种新颖的蝴蝶结形DGS结构仅由一个缺陷单元构成，他的带隙中心频率仅由该单元缺陷结构决定。
因此，DGS结构具有结构简单，易于电磁场理论分析和等效电路建模分析，更适用集成电路实际应用的显著优点。
DGS结构的阻带特性和慢波特性，可用于谐波抑制、去噪、构造紧凑和新颖电路结构等方面。
所以说，DGS结构在微波毫米波单片集成电路、低温共烧陶瓷多层微波电路等领域具有广泛的应用前景。
图5蝴蝶结形DGS结构微带线示意图
四.微带线和带状线的对比
4.1总体对比
一般讲，微带线是PCB表层的走线，延时小，对于一般FR4的板材，1inch微带线对应的走线延时约140ps；
而带状线是PCB内层的走线，延时较微带线大，对于一般FR4的板材，1inch带状线对应的走线延时约170ps。
通常同样的介质条件下微带线的损耗小（线宽），带状线的损耗大（线细，有过孔）。
下面具体介绍一下两者的异同：
4.1.1微带线
微带线（microstrip）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。
另外，因为微带线一面是FR4（或者其他电介质）一面是空气（介电常数低）因此速度很快，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）。
图6微带线剖面图
4.1.2带状线
相对的，带状线（stripline）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.带状线两边都有电源或者底层，因此阻抗容易控制，同时屏蔽较好，但是信号速度慢些。
4.2微带线的优缺点
微带线的损耗大诚然是一缺点，但在精心选择介质基片材料，不断改进工艺的过程中，已可将其降低。
在采用金属镀膜与光刻这一套工艺后，电路的尺寸精度又大为提高。
加以这方面的生产实践推动了有关理论研究工作的进展，而计算微带线参量的电磁场问题和设计微带电路的网络问题都取得了研究成果后，反过来也提高了这方面生产实践的水平。
微带电路已由研制发展到实际应用，特别是目前已由小块的单件而发展成大的微波功能块，如微波固体接收机、微波相控阵单元固体模件等，可以说是微波技术上的一次大的革新。
总括起来，又微带和微波固体器件组成的微波集成电路，有下述一些优点：
1）小型化、轻量化。
图（2—2）示出了10cm波段波导平衡混频器和微带平衡混频器的比较，可以看出明显地减小了尺寸。
2）生产成本降低，生产周期缩短，这是由于把大量的机械加工变为微带印制工艺的缘故。
3）提高了可靠性。
4）提高了性能。
上3）、4）两点也是由于用印制的平面电路，代替结构复杂、调节部件繁多的波导与同轴线的立体电路；同时也是由于采用了高性能的微波固体器件的结果。
但是不可否认的是，微带线的损耗大，Q值约比同轴线低一个能量级，比波导几乎还低两个数量级，因此在构成滤波器、谐振腔等一类电路元件时，性能较差；在构成整个微波功能模块时，有时其传输线损耗可高达几个dB，这在某些应用中也不允许；由于微带线的尺寸小而不适合传输大功率，只能应用于中小功率，如固体接收机等。
此外，要发挥它的可靠性高、性能好等优点，尚有待于继续改进它的生产工艺。
五.微带线的不连续性
相对在实际电路设计中，在利用微带线传输电磁能量以及组成各种器件时，为了使结构紧凑，缩小尺寸，必然会遇到一些微带线的不连续性。
例如微带线尺寸突变、折弯、间隙以及分支等，如图7所示。
图7各种微带不连续性及应用
不连续性在微带电路中是必不可少的，由于微带电路属于分布参数的电路，其尺寸己可与工作波长相比拟，因此其不连续性必然对电路产生影响。
从等效电路上来看，它相当于并联或串联一些电抗元件，或是使参考面产生某些变化。
在设计微带电路时，必须考虑到不连续性所引起的影响，将其等效参量计入电路参量中去，否则将引起大的误差。
对于均匀微带线，若导体带条宽度W及基片厚度H比起波长极小时，在微带线上传播的波可近似看成只有TEM波。
在具有不连续性的地区，场的结构会发生质的变化，不仅在横截面内场的分布和均匀线断不一样，而且在纵向上也不再是单纯的波动，其中还包含有只有在本地按正弦波的形式振动的部分。
这后一部分是在局部地区内存储能量并与电源反复交换的表现。
它和以波动的形式沿着传输线传输能量的情况是不同的。
在这个局部地区内会发生能量储存的原因，是因为在这里场的结构受到边界变形的影响而发生了改变。
具有不连续性的地区和电源反复交换能量必须靠这地区与电源之间的传输线作为媒介。
电源向这地区输送能量要通过入射波，不连续性向电源输送能量要通过反射波，因此，微带上发生不连续性时，它的作用就是:
第一，在这个地区发生能量的存储;第二，引起反射波;第三，场通过不连续性地区而重新沿均匀线传输时，它的相位和振幅都可能与进入不连续性地区之前有所不同。
因此在实际电路设计中要加入特定的不连续性模块放在整个电路进行分析。
对不连续性的详细分析参见K.C.Gupta}}〕的专著。
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