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
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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
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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
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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。
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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