微帶線拐角射頻性能仿真分析

楊程 李欽

摘? 要：當(dāng)代的通信產(chǎn)品越來越小巧，越來越集成化，在微波射頻領(lǐng)域的發(fā)展過程中，PCB尺寸也越來越小，微帶線不得不進(jìn)行拐角設(shè)計(jì)。本文針對(duì)行業(yè)內(nèi)工程經(jīng)驗(yàn)的微帶線拐角“3W規(guī)則”，從微帶線不連續(xù)的原理和模型出發(fā)，以驗(yàn)證“3W規(guī)則”的正確性和適用性。同時(shí)提出多種微帶線拐角方案，并以2.4G頻段為例，分別進(jìn)行了仿真分析，分析不同方案的射頻性能。結(jié)合多年的工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，為不同場(chǎng)合推薦合適的應(yīng)用方案。

關(guān)鍵詞：微帶線;射頻;3W規(guī)則;2.4G頻段

中圖分類號(hào)：TN817? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2019）15-0021-04

Simulation Analysis of Microstrip Corner RF Performance

YANG Cheng，LI Qin

（Guangzhou Zhiyuan Electronics Co.，Ltd.，Guangzhou? 510660，China）

Abstract：Modern communication products are becoming more and more compact and integrated. In the development process of microwave RF field，PCB size is getting smaller and smaller. Microstrip line has to be corner design. According to the “3W rule” of microstrip line corner in industry engineering experience，the correctness and applicability of the “3W rule” are verified based on the principle and model of microstrip line discontinuity. At the same time，a variety of microstrip line corner schemes are proposed，and the RF performance of different schemes is analyzed by taking 2.4G frequency band as an example. Combined with years of practical engineering experience，to recommend suitable applications for different occasions.

Keywords：microstrip;radio frequency （RF）;3W rule;2.4G frequency band

0? 引? 言

在射頻設(shè)計(jì)中，阻抗不匹配問題多數(shù)是由于結(jié)構(gòu)不連續(xù)造成的，優(yōu)化結(jié)構(gòu)不連續(xù)減少信號(hào)反射是每一個(gè)射頻工程師都面臨的難題。在微帶電路中，由于空間受限，常常需要使用微帶線拐角以減少PCB尺寸。在多數(shù)文獻(xiàn)及通信公司的工藝規(guī)范中，一般要求微帶線拐角使用“3W規(guī)則”，即彎曲半徑至少要大于3倍線寬W。

本文以2.4G頻段為例，對(duì)3W規(guī)則的微帶線拐角性能進(jìn)行了仿真。同時(shí)提出了其他幾種常見的微帶線拐角方案，并分別對(duì)其射頻性能進(jìn)行了仿真分析。針對(duì)幾種方案的仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，并結(jié)合實(shí)際使用，為不同使用場(chǎng)合提供了不同的方案選用建議。

1? 微帶不連續(xù)原理

1.1? 微帶線模型分析

微帶線是PCB設(shè)計(jì)中常用的一種平面?zhèn)鬏斁€，在射頻電路中被廣泛使用。在PCB中，頂面通常是導(dǎo)體，其寬度是W，厚度是PCB銅箔厚度t，中間是PCB板材的介質(zhì)層，高度是h，相對(duì)介電常數(shù)是εr，底面是地平面，微帶線結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

如果微帶線是筆直的一段線，其阻抗是連續(xù)的，但是在PCB實(shí)際布線中，常常需要將微帶線進(jìn)行拐角處理，就會(huì)導(dǎo)致信號(hào)產(chǎn)生反射，微帶線拐角是最常見的微帶線不連續(xù)結(jié)構(gòu)之一[1]。微帶線直角拐彎的理論模型在文獻(xiàn)[1]中進(jìn)行了詳細(xì)介紹，如圖2所示。使用微帶線的電路，一般都是高頻信號(hào)，其工作波長(zhǎng)與微帶電路尺寸屬于同一量級(jí)，因此微帶線的不連續(xù)將引入寄生電抗，從而增大了相位誤差、振幅誤差，造成了輸入與輸出的不匹配，使得信號(hào)反射增大，無法發(fā)揮射頻電路的性能。

1.2? 直角拐彎微帶線仿真

以消費(fèi)電子常使用的2.4G頻段進(jìn)行無線產(chǎn)品設(shè)計(jì)，并采用FR-4板材，其相對(duì)介電常數(shù)εr是4.4。使用AWR公司的TXLINE軟件和HFSS軟件進(jìn)行聯(lián)合仿真，找出特性阻抗最接近50Ω的微帶線參數(shù)，最終確認(rèn)的微帶線參數(shù)分別是：總線長(zhǎng)L=50mm（為保證仿真效果具有可比性，本文中所有仿真圖的長(zhǎng)度均相同），εr=4.4，W=0.484mm，t=0.035mm（1OZ），h=0.275mm。當(dāng)W=0.5mm時(shí)，反射系數(shù)S11=-30dB;當(dāng)W=0.484mm時(shí)，S11=-43dB，仿真結(jié)果如圖3所示，圖中的左上角使用marker點(diǎn)分別標(biāo)注了2.4GHz、2.44GHz、2.48GHz三個(gè)頻點(diǎn)的反射系數(shù)讀數(shù)，分別對(duì)應(yīng)圖中的m1、m2、m3點(diǎn)，HFSS仿真模型在圖中的右上角。

確認(rèn)好微帶線參數(shù)后，使用相同參數(shù)直接對(duì)直角折彎進(jìn)行了仿真，圖4顯示了仿真數(shù)據(jù)，直角拐彎微帶線比直線微帶線的S11增大了約15dB，惡化嚴(yán)重。

2? “3W”微帶線仿真分析

“3W規(guī)則”是指采用圓弧拐彎的微帶線，其彎曲半徑R要大于微帶線寬度W的3倍以上。“3W規(guī)則”同時(shí)也被稱為“掃掠彎頭”。其減緩了拐彎處的微帶線不連續(xù)性，從而減少了信號(hào)的反射，“3W規(guī)則”微帶線示意圖如圖5所示。

對(duì)“3W規(guī)則”微帶線進(jìn)行HFSS仿真，以R為變量，對(duì)不同的彎曲半徑進(jìn)行仿真，圖6中完整展示了不同R分別對(duì)應(yīng)的射頻性能。當(dāng)R=3W時(shí)，反射系數(shù)S11=-35dB;當(dāng)R增大到11W時(shí)，模型的反射系數(shù)S11降到-40dB，與直線性能類似。通過圖6中的仿真數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)R=1W、R=2W、R=4W時(shí)，反射系數(shù)S11均大于R=3W時(shí)的反射系數(shù)S11。

由仿真數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)R=3W時(shí)，反射系數(shù)S11的值不僅具備了良好的射頻性能，同時(shí)也兼顧了尺寸大小。雖然當(dāng)R=11W時(shí)，拐彎給微帶線帶來的不連續(xù)影響才能降到很低，指標(biāo)接近于直線性能，但由于占用了太大的PCB空間，難以在實(shí)際工程中使用。

3? 外斜切與雙轉(zhuǎn)折仿真分析

3.1? 直角45°外斜切仿真分析

“3W規(guī)則”采用減少微帶線寬度不連續(xù)導(dǎo)致的反射，我們也可采用補(bǔ)償?shù)姆绞絹頊p少反射，提高微帶線性能[2-5]。其中直角45°外斜微帶線結(jié)構(gòu)是最常見的補(bǔ)償方案[6]，能夠很好地改善信號(hào)傳輸特性且存在最佳斜切率，常常被工程師選用[7，8]。

直角45°外斜切微帶線結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示，其中直角45°外斜切的內(nèi)直角與外直角的距離為d，直角45°外斜切與外直角的距離為x，由此定義了斜切率：m=（x/d）×100，不同的斜切率對(duì)微帶線射頻性能的影響不同[9，10]。針對(duì)不同斜切率進(jìn)行了仿真分析，仿真數(shù)據(jù)如圖8所示。由數(shù)據(jù)分析可知，當(dāng)斜切率=80，反射系數(shù)S11最小，與直線微帶線性能接近，并且優(yōu)于“3W規(guī)則”的射頻性能。

3.2? 雙轉(zhuǎn)折仿真分析

雙轉(zhuǎn)折微帶線方案從傳輸線多次反射的觀點(diǎn)[11]出發(fā)，通過兩次轉(zhuǎn)折，產(chǎn)生兩次反射，利用反射抵消反射，從而達(dá)到整體上減少反射，提高微帶線射頻性能的目的。雙轉(zhuǎn)折微帶線結(jié)構(gòu)示意圖如圖9所示，其中第1個(gè)轉(zhuǎn)折處的反射系數(shù)是Γ1，第2個(gè)轉(zhuǎn)折處的反射系數(shù)是Γ2，兩處轉(zhuǎn)折之間的相位是θ（在仿真中以長(zhǎng)度L代替）。

對(duì)雙轉(zhuǎn)折微帶線結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真，當(dāng)L=10mm時(shí)，反射系數(shù)S11=-43dB，幾乎達(dá)到直線微帶線的性能，并優(yōu)于“3W規(guī)則”以及直角45°外斜切兩種方案。圖10展示了仿真數(shù)據(jù)。

4? 結(jié)? 論

本文對(duì)實(shí)現(xiàn)微帶線拐角的多種方案分別進(jìn)行仿真，性能對(duì)比表詳見表1。

其中，雙轉(zhuǎn)折方案性能最優(yōu)，但由于設(shè)計(jì)調(diào)試難度大，且比較占用空間，采用該方案的工程師相對(duì)較少;直角45°外斜切性能較好，節(jié)省PCB空間，但需要一定的調(diào)試經(jīng)驗(yàn);“3W規(guī)則”性能比前兩種稍差，但在實(shí)際工程使用中，由于不需要嚴(yán)格的仿真，節(jié)約了調(diào)試時(shí)間，是目前最常用的一種方案。

參考文獻(xiàn)：

[1] 清華大學(xué)《微帶電路》編寫組.微帶電路 [M].北京：清華大學(xué)出版社，2017：103-104.

[2] [美]David M.Pozar.微波工程 [M].第三版.張肇儀，周樂柱，吳德明，等譯.北京：電子工業(yè)出版社，2014：64-65+ 100+357-358.

[3] Silvester P，Benedek P. Correction to Microstrip Discontinuity Capacitances for Right-Angle Bends，T Junctions，and Crossings （Letters） [J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，1975，23（5）：456.

[4] DOUVILLE RJP，JAMES DS. Experimental Study of Symmetric Microstrip Bends and Their Compensation [J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，1978，26（3）：175-182.

[5] 路宏敏，吳保義，姚志成，等.微帶線直角彎曲最佳斜切率研究 [J].西安電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，36（5）：885-889.

[6] 王克偉，王均宏.微帶線拐角傳輸及反射特性的研究 [J].微波學(xué)報(bào)，2006（3）：32-35.

[7] 陳鵬，曹沐昀.微帶線不連續(xù)性補(bǔ)償方法仿真研究 [J].電子科技，2013，26（3）：119-121.

[8] 陳慰，趙娜，陶學(xué)敏.微帶線不連續(xù)性補(bǔ)償方法的HFSS仿真分析 [J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34（13）：92-94.

[9] 毛劍波，黃正峰，楊明武，等.微帶線不連續(xù)性輻射研究 [J].電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2012，26（5）：392-397.

[10] 吉建華，孫雨耕，賈偉廣.基于ADS的微帶線不連續(xù)性分析與應(yīng)用 [J].電訊技術(shù)，2013，53（11）：1527-1531.

[11] 梁昌洪，謝擁軍，官伯然.簡(jiǎn)明微波 [M].北京：高等教育出版社，2006：172.

作者簡(jiǎn)介：楊程（1992-），男，漢族，安徽桐城人，射頻工

程師，本科，研究方向：微波射頻系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì);李欽（1986-），男，漢族，廣西南寧人，軟件工程師，本科，研究方向：計(jì)算機(jī)軟件，服務(wù)器運(yùn)維、物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。