【文章內(nèi)容簡介】 長比擬，和微波固體器件連接后即成整個微帶電路。將兩者進行比較：前者的工作頻帶寬，某些電路元件特性理想，集成度也比較高，但其工藝比較復(fù)雜，質(zhì)量不易保證，并且由于電路元件的精度難于擔(dān)高，從而使整個電種特性的一致性差；而對微帶電路，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都是這種電路。 微帶線的簡單介紹常見的傳輸線有同軸線、微帶線、帶狀線、矩形波導(dǎo)、圓波導(dǎo)等。由于材料的不和結(jié)構(gòu)的不同，每種傳輸線的傳播常數(shù)不同。所以，傳播常數(shù)的計算是各種傳輸線研究的核心內(nèi)容。微帶線是一種準(zhǔn) TEM 波傳輸線，結(jié)構(gòu)簡單，計算復(fù)雜。由于各種設(shè)計公式都有一定的近似條件，因而很難得到一個理想的設(shè)計結(jié)果，但都能夠得到比較滿意的工程效果。加上實驗修正，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)。 微帶線的分類 目前，微帶傳輸線可分為兩大類：一類是射頻/微波信號傳輸類的電子產(chǎn)品，這一類產(chǎn)品與無線電的電磁波有關(guān)，它是以正弦波來傳輸信號的，如雷達、廣播電視和通信；另一類是高速邏輯信號傳輸類的電子產(chǎn)品，這一類產(chǎn)品以數(shù)字信號傳輸?shù)?，同樣也與電磁波的方法傳輸有關(guān)，這一類產(chǎn)品開始主要應(yīng)用在計算機等中，現(xiàn)在已迅速推廣應(yīng)用到家電和通信類電子產(chǎn)品上。 微帶線的結(jié)構(gòu) 微帶是微波頻率應(yīng)用最廣泛的傳輸媒介。它的開放結(jié)構(gòu)便于集成和裝配分立式單片元件，使生產(chǎn)、組裝、調(diào)試和返修變得更加輕松。如圖，基本微帶電路由厚度為 h、相對介電常數(shù)為 的介質(zhì)基板構(gòu)成，在基板一面覆蓋一層寬為?r、厚為 t 的線條圖形，而在另一面覆蓋一層金屬地平面 [3]。?5 微帶線基本設(shè)計參數(shù)微帶線結(jié)構(gòu)如上圖，相關(guān)設(shè)計參數(shù)如下：㈠基板參數(shù)：基板介電常數(shù) 、基板介質(zhì)損耗角正切 tan 、基板高度 h?r ?和導(dǎo)線厚度 t。導(dǎo)帶和底板金屬通常為銅、金、銀、錫、鋁。㈡電特性參數(shù)：特性阻抗 、工作頻率 、工作波長 和電長度 。z0f0?g?圖 31 微帶線俯視結(jié)構(gòu)㈢微帶線參數(shù)：寬度 ，長度 L 和單位衰減量 。wAdB構(gòu)成微帶的基板材料、微帶尺寸與微帶線的電性能參數(shù)之間存在嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系。微帶線的設(shè)計就是確定滿足一定電性能參數(shù)的微帶物理結(jié)構(gòu)。微帶傳輸線設(shè)計中的問題就是找到一個滿足阻抗要求的合適的 比以及h?有效相對介電常數(shù)（ ），它們之間相互依存。部分電場處在空氣中，?ef=1，剩余部分（Q）在基板內(nèi)部， 1。因此，有效介電常數(shù) 值介于?r ?r ?ef兩者之間。有效介電常數(shù) 等于空氣的介電常數(shù)加上基板與空氣的介電常ef數(shù)之差與填充系數(shù) Q 的乘積。這一表達式對所有將要討論的微帶線媒介都成立。 21r=1+(1)ef?填充系數(shù) Q 用來度量在基板內(nèi)的場量，此量值對確定 至關(guān)重要，過?ef去曾經(jīng)用圖解法來確定 、h、和 ，現(xiàn)在一般都采用 CAD 方法來確定 、??ef ?6h、和 [4]。?ef 導(dǎo)線的損耗損耗是傳輸線的重要參量之一。大的線損往往是不允許的。尤其是微帶線的損耗要比波導(dǎo)、同軸線大得多，在構(gòu)成微帶電路元件時，其影響必須予以重視。微帶線的損耗分成三部分：A），介質(zhì)損耗。當(dāng)電場通過介質(zhì)時，由于介質(zhì)分子交替極化和晶格來回碰撞，而產(chǎn)生的熱損耗。為了減少這部分損耗，應(yīng)選擇性能優(yōu)良的介質(zhì)如石英等作為基片材料。 B），導(dǎo)體損耗。微帶線的導(dǎo)體帶條和接地板均具有有限的電導(dǎo)率，電流通過時必然引起熱損耗。在高頻情況下，趨膚效應(yīng)減小了微帶導(dǎo)體的有效截面積，更增大了這部分損耗。由于微帶線橫截面尺寸遠小于波導(dǎo)和同軸線，導(dǎo)體損耗也較大，是微帶線損耗的主要部分。C），輻射損耗。由微帶線場結(jié)構(gòu)的半開放性所引起。減小線的橫截面尺寸時，這部分損耗很小，而只在線的不均勻點才比較顯著。為避免輻射，減小衰減，并防止對其它電路的影響，一般的微帶電路均裝在金屬屏蔽盒中。值得說明的是，當(dāng)工作頻率提高、或微帶線橫越截面尺寸過大時，微帶線上不僅僅為單一的 TEM 波，還存在著波導(dǎo)波型、表面波型的影響，統(tǒng)稱為高次型。在考慮工作頻率及選擇微帶線尺寸時，應(yīng)令所有高次型都截止，否則將影響微帶電路的正常工作。即使在高次型都截止條件下，當(dāng)工作頻率提高時，微帶線將呈現(xiàn)出非 TEM 波特性，即有效介電常數(shù)和特性阻抗將隨頻率而變，稱為微帶線的色散特性。當(dāng)頻率很高時，應(yīng)根據(jù)以下 1114 式進行修正?！　? 22??? er、e fhwz??????? )(0)1(13 0216 ][0　　　　　　　　　　　　　　　　 23hrzf0410)(95.當(dāng) 時，12 應(yīng)當(dāng)稍加變化為：?hw 24??? e、re fwzh???????? ))(0)1(13 0216307 似靜電場把側(cè)壁放置在 處，其中 ，所以側(cè)壁不會影響位于帶狀導(dǎo)體2ax??da?周圍的場力線。這樣，我們就可以求解兩側(cè)壁之間區(qū)域的拉普拉斯方程 25 ?????yxyxt 0,2|,0),(2和邊界條件 26 處在 處在 ???、yyxax0,0),((把導(dǎo)帶中心定義為 0 點坐標(biāo))圖 32 微帶線截面結(jié)構(gòu)因為存在由空氣/電介質(zhì)分界面定義的兩個區(qū)域，在金屬帶上有電荷不連續(xù)性，所以在這些區(qū)域分別有 的表達式，采用分離變量法求解式①，并利),(yx?用邊界條件得到通解為 1,3. /1,(,)csnyxnannyaxnanAhhxyBey????????????????? 27 現(xiàn)在電勢在 y=h 處心須連續(xù)，所以由上式可得到 28eAadnnad???sih即如有 29?1,|/20,|/xws????根據(jù)8 210 由 求導(dǎo) E D?? ?? ??接著可利用三角函數(shù)的正交性，求出 。An總電荷 211對地電壓 ????hydyxEV0 ),0( 212 VQC??1 213求得電容 。 、 可由公式分別令 εr＝基片的 εr 和 εr＝1 求得1a aCe1?? 214于是可得特征阻抗為 215 其中 。 [5]smc/3108?? 帶線設(shè)計公式微帶的阻抗與 、h、和 的關(guān)系由下式給出。? (0 ????hrr ???或是給定微帶線的尺寸，特征阻抗可以計算為),(),( ),(00 ??????? hyxEhyxyry ys ??? WxdQWs??2//)(?110 cvZep??9 217608ln(),141200 ,1[.()]eedwdwdwwddZ????????????對于給定的特征阻抗 和介電常數(shù) ，比值 可以求得為0?r21828, [1ln(){ln().39}],2Ar rwdwdBBe????? ??????????其中， ).(2160rrrzA?????rB037當(dāng)基板厚度 h 給定時，阻抗主要由線寬決定，因為電感量隨著橫截面增加而降低，影響電場分布。對 50 的傳輸線，線寬 與基板厚度 h 之間的比值作??為基板介電常數(shù) 的函數(shù)。各種基板材料以其介電常數(shù) 值標(biāo)注。制作在r ?r的熔融石英上的 50 傳輸線寬度的兩倍。??抗的一個重要因素，走線厚度越大，其特征阻抗就越小，成反比關(guān)系，但其變化范圍相對是較小的。 帶線實際設(shè)計可以看出，計算是相當(dāng)復(fù)雜的。每一個電路的設(shè)計都使用一次這些公式是不現(xiàn)實的。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，使得這一過程變得相當(dāng)簡單。微帶線設(shè)計問題的實質(zhì)是求給定介質(zhì)基板情況下阻抗與導(dǎo)帶寬度的對應(yīng)關(guān)系。目前主要有：查表格。早期微波工作者針對不同介質(zhì)基板，計算出物理結(jié)構(gòu)參數(shù)與電性能參數(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系，建立了詳細的數(shù)據(jù)表格。這種表格的用法步驟是：①按相對介電常數(shù)選表格；② 查阻抗值、寬高比 、有效介電常數(shù) 三者的對hw?e10應(yīng)關(guān)系，只要已知一個值，其它兩個就可查出；③計算，通常 h 已知，則 w 可得，由 求出波導(dǎo)波長，進而求出微帶線的長度。?e用軟件。許多公司已開發(fā)出了很好的計算微帶電路軟件。如 AWR 的Microwave Office，輸入微帶的物理參數(shù)和拓撲結(jié)構(gòu)，就能很快得到微帶線的電性能參數(shù)，并可調(diào)整或優(yōu)化微帶線的物理參數(shù)。數(shù)學(xué)計算軟件 Mathcad11 具有很強的功能。只要寫入數(shù)學(xué)公式，就能完成計算任務(wù)。 總之，阻抗控制在阻抗設(shè)計中是十分重要的一個環(huán)節(jié)，通過阻抗控制可以有效解決高速數(shù)字電路由傳輸線反射帶來的信號完整性問題。雖然涉及到線路密度、印制電路板成本等多方面因素，不一定能對所有傳輸線都進行端接，但通常對于時鐘等重要高速節(jié)點必須通過端節(jié)來達到需要信號完整性品質(zhì)。可以采用相應(yīng)的仿真軟件進行設(shè)計的預(yù)先估計，同時嚴(yán)格控制生產(chǎn)工藝，這樣可以保證制造出來的印制電路板不會出出阻抗問題，避免很多問題的出現(xiàn) [5]。114 金屬屏蔽蓋的設(shè)計 屏蔽的原因?qū)嶋H上，對于電磁場來說，其電場與磁場分量總是同時存在的。只是在頻率較低時，且滿足近場條件情況下，當(dāng)干擾源特性不同時，則電場和磁場分量差別較大。對高電壓小電流干擾源，近場是以電場為主，其磁場分量可以忽略不計。這時只要采用電屏蔽：而對于低電壓、大電流的干擾源，近場是以磁場為主的，甚么其電場分量可忽略，因此只需采用磁屏蔽。但當(dāng)是當(dāng)頻率較高，即干擾超過 150KHz 時，電子設(shè)備的元器件和導(dǎo)線的幾何尺寸逐漸可與電磁波的波長相比擬，電磁輻射能力隨頻率增高而增強。當(dāng)干擾源與接收器之間的間距足夠大時 ，電容性耦合的作用很小，而輻射耦合成為傳遞干擾的主()2r???要方面，頻率越高，作用越大。因而需要在傳遞干擾的途徑上設(shè)置屏蔽障以衰減干擾能量，這種抗電磁輻射干擾的措施稱為電磁屏磁。 屏蔽的結(jié)構(gòu)及原理電磁屏蔽是利用輻射電磁場在金屬界面上的反射和金屬層的吸收抑制電磁輻射干擾的、根據(jù)電磁場理論。當(dāng)電磁波入射到金屬表面時，被分為兩部分：一部分被反射；另一部分穿過界面繼續(xù)傳播，并在金屬內(nèi)傳播途中不斷受到衰減，穿過第一界面的能量；經(jīng)衰減后到達第二界面時，有一部分穿過第二界面，成為干擾。圖 41 金屬板的屏蔽作用入射能量 P1第一邊界反射損耗 R1屏蔽金屬厚度吸收損耗 A第二邊界反射損耗 R2多次反射損耗衰減 B通過屏蔽的能量 P212接收器的殘余能量；另一部分被第二界面反射，再次折回到第一界面去。于是在金屬屏蔽層內(nèi)，能量被多次折射和吸收。我們將被金屬兩表面反射的能量總和稱為反射損耗，通過第一界面并消耗在金屬內(nèi)部的那部分能量稱為吸收損耗，還有一小部分能量消耗在金屬內(nèi)部多次反射過程中。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，干擾波到達屏蔽金屬表面時，將在金屬內(nèi)部感應(yīng)出電流，此電流還會產(chǎn)生再生輻射；再生輻射與干擾波相位相反，并力圖抵消干擾波影響。根據(jù)這一原理，電磁屏蔽必須選用浪導(dǎo)體材料，盡量減少開孔數(shù)量，特別注意不要有與感生電流流向垂直的長孔，因為這樣會切斷或阻礙高頻感應(yīng)電流的流通。 屏蔽及衰減屏蔽體對電磁波的衰減是三個因素共同作用的結(jié)果：第一是反射作用，是由電磁波傳播到金屬表面時，空氣、金屬交界面阻抗的不連續(xù)性造成的；第二是屏蔽材料吸收作用，即未被屏蔽體表面反射而透射入屏蔽體的電磁能量，繼續(xù)在屏蔽體內(nèi)傳播時被屏蔽材料所衰減；第三是金屬板內(nèi)部多次反射造成的衰減，這一部分衰減是由屏蔽體內(nèi)尚未衰減完的剩余電磁能量，傳播到屏蔽體的另一個表面時，又遇到金屬和空