孫海青,張 鑫,陳建囡

(中國船舶重工集團公司第七二四研究所,南京 211153)

基于HFSS的微帶線不連續(xù)性仿真分析

孫海青,張 鑫,陳建囡

(中國船舶重工集團公司第七二四研究所,南京 211153)

射頻電路印制板(PCB)中經(jīng)常會出現(xiàn)微帶線拐角。這種微帶線的不連續(xù)結(jié)構(gòu)會影響信號傳輸質(zhì)量。為了分析各種不連續(xù)性結(jié)構(gòu)帶來的信號質(zhì)量影響情況,采用Ansoft HFSS軟件仿真的方法,定量分析常用的3種不連續(xù)結(jié)構(gòu)對信號質(zhì)量帶來的影響。仿真結(jié)果顯示,外斜切直角拐角和圓弧拐角的傳輸特性(插入損耗和回波損耗)都優(yōu)于直角拐角。

射頻電路印制板;微帶線不連續(xù)性;直角拐角;圓弧拐角

0 引 言

在射頻電路印制板中,微帶線是最常用的一種平面?zhèn)鬏敺绞?易于和其他有源、無源器件相連接,制作簡單,加工方便。但是,限于印制板尺寸,微帶線無可避免會有拐角產(chǎn)生。這種拐角微帶線就是典型的微帶線不連續(xù)結(jié)構(gòu),而這種不連續(xù)結(jié)構(gòu)會影響射頻信號傳輸質(zhì)量。在設(shè)計微帶電路特別是精細設(shè)計時必須考慮這種不良影響,否則會帶來較大設(shè)計誤差。本文對電路設(shè)計中常用的3種拐角結(jié)構(gòu)進行仿真分析,得出最優(yōu)設(shè)計,把微帶線不連續(xù)性帶來的不良影響降到最小。

1 微帶線的不連續(xù)分析

在印制板電路中,微帶線的特性阻抗只與板材的介電常數(shù)εr、微帶線尺寸W和介質(zhì)層厚度d有關(guān),與傳輸線的長度無關(guān),是傳輸線的固有屬性。一般均勻微帶線的特性阻抗[1]:

其中ε為微帶線的有效介電常數(shù):

電路中一般采用微帶線50Ω匹配設(shè)計,在εr和d確定的情況下可以算出50Ω匹配微帶線的線寬W。對于如圖 1 所示的均勻微帶線而言,由于微帶線的線寬W不變,微帶線上沿傳輸線方向的任何一處特征阻抗都是相等的。

圖1 均勻微帶線結(jié)構(gòu)

當PCB信號沿均勻微帶線傳輸時,它本身不會引起信號的反射,對信號傳輸特性不會產(chǎn)生影響。但是,當微帶線拐角時,由于拐角處面積增大,存在電荷積聚效應(yīng),導(dǎo)致拐角處電容增大,特性阻抗減小,因此微帶線拐角處呈現(xiàn)出特性阻抗的不連續(xù)性,影響信號傳輸質(zhì)量。以直角拐角為例,它的等效電路為T型網(wǎng)絡(luò)[2],在轉(zhuǎn)彎區(qū)域如同有一個并聯(lián)的電容,路徑的加長如同兩段短傳輸線或兩個電感,如圖2所示。其等效電容C(pF)和等效電感L(nH)分別為

圖2 微帶線直角拐角等效電路

在實際電路中,通常通過兩種方式來補償這種微帶線不連續(xù)性帶來的反射。第一種方式是直角彎曲45°外斜切,通過削角可以降低拐角處的多余電容效應(yīng)。第二種方式是用圓弧來代替直角,在圓弧半徑足夠大的情況下走線寬度基本不變,用這種方式來消除微帶線的不連續(xù)性,但一般要求圓弧半徑要遠大于線寬,所以會增加微帶線在印制板上的空間,因此布板時一般不采用。

針對這兩種方式,采用AnsoftHFSS仿真軟件來進行定量分析,對兩種方式以及直角拐角方式進行對比,分析其優(yōu)缺點,從而找出適合不同設(shè)計者使用的布線方式。

2 仿真結(jié)果分析

圖3 微帶線直角拐角模型與S參數(shù)仿真結(jié)果

圖4 微帶線直角彎曲45°外斜切拐角模型與S參數(shù)仿真結(jié)果

圖5 微帶線圓弧拐角模型與S參數(shù)仿真結(jié)果

所有模型的S參數(shù)取8、9、10GHz這3個頻點的仿真數(shù)據(jù)見表1。

從仿真結(jié)果可以看出,直角拐角的S11參數(shù)是最差的。這一結(jié)果驗證了微帶線拐角處由于電荷積聚,特性阻抗減小,引起微帶線不連續(xù)性的理論,因此必須在實際電路中進行補償。根據(jù)仿真結(jié)果來看,實際電路中常用的兩種補償方式對微帶線的不連續(xù)性都有較好的補償結(jié)果,其中a=1.8*W直角彎曲45°外斜切拐角方式效果最佳,從微帶線電場分布圖中也可驗證這點(見圖6)。

表1 微帶線不同拐角方式S參數(shù)仿真數(shù)據(jù)

圖6 微帶線3種拐角模式電場分布圖

3 結(jié)束語

對比3種拐角方式的仿真結(jié)果可以看出,在工作頻率為9 GHz附近,最佳補償方式為a=1.8*W直角彎曲45°外斜切拐角方式,此種方式的S參數(shù)最優(yōu)。如果是工作在其他頻率,要根據(jù)實際使用中所用頻率和帶寬來選擇相應(yīng)的補償方式。

[1] Pozar D M．微波工程[M]．3 版．張肇儀,周樂柱,吳德明,等譯．北京:電子工業(yè)出版社,2006:168-174.

[2] Jia Shenghong,Lancaster M J． Microstrip Filters forRF / Microwave Applications[M]． New York:John Wi-ley & Sons,Inc．,2001:89-93．

[3] 謝擁軍,劉瑩,李磊,等.HFSS原理與工程應(yīng)用[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2009.

[4] 王克偉,王均宏.微帶線拐角傳輸及特性研究[J].微波學(xué)報,2006,22(3):32-35.

[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(自然科學(xué)版),2009,36(5):885-889.

Simulation analysis of discontinuity of microstrip line based on HFSS

SUN Hai-qing, ZHANG Xin，CHEN Jian-nan

(No.724 Research Institute of CSIC, Nanjing 211153)

Microstrip line corner often occurs in the RF PCBs, and the discontinuous structures of the microstrip line affect the quality of signal transmission. The Ansoft HFSS software simulation method is adopted to quantitatively analyze the effect of the three commonly used discontinuous structures on the quality of the signals. The simulation results show that the transmission characteristics of the external chamfering right-angle corner and the arc corner (insertion loss and return loss) are superior to those of the right-angle corner.

RF PCB; microstrip line; discontinuity; right-angle corner; arc corner

2016-09-22;

2016-10-07

孫海青(1983-),男,工程師,工程碩士,研究方向:雷達接收;張鑫(1981-),男,高級工程師,工程碩士,研究方向:雷達總體;陳建囡(1984-)女,工程師,研究方向:雷達接收。

TN41

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1009-0401(2017)01-0045-03