《射频电路》课程设计题目：微带传输线概述
系部电子信息工程学院
学科门类工学
专业电子信息工程
学号1108211042
姓名杨越
2012年06月30日
微带传输线概述
摘要
本课程设计主要介绍了微带传输线在实际应用中比较基础且较重要的几个知识点，并没有详细的对微带线的各个参数及特性作细致的说明。例如微带线的近似静态解法、微带线的谱域分析等在本设计中都未曾提及，这与此课程设计的制作人本身的理解能力有着千丝万缕的关系。在后续的微带线设计中，此处所提到准TEM特性、微带线的特性阻抗以及有效介电常数等参数，对于整个微带线系统的确立与实现都有着很重要的关系。例如在设计微带线低通滤波器的时候，当通过低通滤波器原型的电路多次变换计算得到最终的电路时，这时就需要面对将电路图实现微带线的问题，而此时需要的就是特性阻抗的知识。首先，根据特性阻抗值与相对介电常数确定w/h的范围（假设t=0），再由范围选择w/h的具体计算公式，从而求得微带线的宽度。由有效介电常数求出相速度，再求出波导波长，由此可算出微带传输线的长度，等等。
关键词：微带线准TEM特性特性阻抗有效介电常数相速度波导波长
前 言
微带线是（Microstrip Line ）是20世纪50年代发展起来的一种微波传输线，是目前混
合微波集成电路（hybird microwave integrated circuit ,缩写为HMIC ）和单片微波集成电路（monolithic microwave integrated circuit ，缩写为MMIC ）使用最多的一种平面传输线。其优点是体积小、重量轻、频带宽、可集成化；缺点是损耗大，Q 值低，功率容量低。由于微波系统正向小型化和固态化方向发展，因此微带线得到了广泛的应用。
一 微带线的结构
微带线是在金属化厚度为h 的介质基片的一面制作宽度为W 、厚度为t 的导体带，另
一面作接地金属平板而构成的，如图1-1所示。其中，r ε为介质基片的相对介电常数。最
图1-1 微带线
常用的介质基片材料是纯度为99.5%的氧化铝陶瓷（r ε=9.5-10）、聚四氟乙烯环氧树脂如，如图1-2所示。
图1-2 聚四氟乙烯环氧树脂
（r ε=2.55）；用作单片微波集成电路的半导体基片材料主要是砷化镓（r ε =13.0），如图1-3
所示。
图1-3 砷化镓
带线可以看成是由平行双线演变而来，其演变过程如图1-4所示，在平行双线的对称面上放置一导电板，由于电力线垂直于导电平板，故不影响原来的场分布。若去掉导电板下面的一根导线，则导电板上面的场分布并不改变，然后，再将圆柱导体变为薄导带就成为无介质的空气微带。最后，在导带与接地板之间置入介质基片，即构成了微带。
图1-4 微带线的演变过程
二 微带线的传输模式
由上图可知，导体上面（y ＞h ）为空气，导体带下面（h y ≤）为介质基片，所以大部分场在介质基片内，且集中在导体带与接地板之间；但也有一部分场分布在基片上面的空气区域内，因此微带线不可能存在纯TEM 模。这是容易理解的，因为TEM 模在介质内的速度为r c ε，
而在空气中的相速度为c ，显然相速度在介质-空气分界面处不可能对TEM 模匹配。
事实上，微带线中真正的场是一种混合的TE-T M 波场，其纵向场分量是由介质-空气分界面处的边缘场引起的，它们与导体带和接地板之间的横向场分量相比很小，所以微带线中传输模特性与TEM 模相差很小，称之为准TEM 模。由于微带线的传输模不是纯TEM 模，致使微带线特性的分析比较困难和复杂。其分析方法也就很多，可归纳为准静态法、色散模型法和全波分析法三种。以下仅以准静态方法进行分析。
准静态方法便是将其模式看成纯TEM 模，引入有效介电常数为e ε的均匀介质代替微带线的混合介质，如图2-1所示。在准静态法中，传输线特性参数是根据如下两个电容值计算的：
图2-1 填充均匀介质e ε微带线
一个是介质基片换成空气微带线单位长度电容a C 1；另一个是微带线单位长度电容1C 。特性阻抗0Z 和相位常数β可以用这两个电容表示为
e k εβ0=，000εμω=k （2-1）
e
1
e 1
0Z .1
1
εεεαα
=
=
=C c C v Z e
p （2-2）
式中a
Z
0=1/c a
C
1
是空气微带线的特性阻抗。相速度
p
v和波导波长λg则为
e
p
c
v
ε
= (2-3) e
gε
λ
λ0
= (2-4)
三 特性阻抗
我们假定已成形的线路导体的厚度t 与基片的厚度h 相比可以忽略不计（t/h ＜0.005）。在这种情况下，我们能够利用只与线路尺寸（w 和h ）和介电常数r ε有关的经验公式。它们可以分为两个应用区域，该区域的划分依比值w/h 大于还是小于1而定。
??? ??+=
h W W
h
Z e 25.08ln 60
0ε 1≤h W
???
???????? ??-+???
?
?
+-+
+=
-2
2
11041.01222
12
1h W W h r r e εεε
()[]4444.1ln 667.0393.11
1200+++?
=
h W h W Z e
επ
1≥h W
2
1121212
1-??
? ??
+-+
+=
W h r r e εεε （3-1）
在0.05＜W/h ＜20，r ε＜16范围内，上式的精度优于1%。图3-1是根据（3-1
）式计算的特性阻抗与w/h 的关系。
·
图3-1 微带特性阻抗与w/h 的关系
导体带厚度t ≠0可等效为导体带宽度加宽为e w ，修正公式为（t ＜h ，t ＜W/2）：
))
??????? ?
?≤++ ?
?≥++=π
πππ
π214ln 121
2ln 1h W t W
h t h W h W t h
h t h W h W （3-2）
微带线电路的设计通常是给定0Z 和r ε，要计算导体带宽度W 。此时可由上式得到的综合公式：
()()???????????
???
???????-+-++----=r r r A
A B B B e e h W εεεπ61.039.01ln 2112ln 12282
22≥≤h
W h
W
（3-3）
式中
???
?
??++-++=
r r r r Z A εεεε11.023.01121600 r
Z B επ02377=
四 微带线的色散特性与尺寸限制
上述与频率无关的准TEM 模Z 0和e ε公式只适用于较低应用频率，而微带线中实为混合模，其传播速度随频率而变，即存在色散现象。对于微带线，这种传播速度随频率而变的色散现象具体表现为Z 0和e ε随频率而变。事实上，频率升高时，相速度p v 要降低，则e ε应增大，特性阻抗Z 0应减小。微带线的最高工作频率T f 受到许多因素的影响，例如寄生模的激励、较高的损耗、严格的制造公差、处理过程中材料的脆性、显著的不连续效应、不连续处辐射引起的Q 值下降等，当然还有工艺加工的问题。T f 可按下式估算：
()GHZ arctg f r
r
T εεπ
2
150=
式中h 的单位为mm 。
研究结果表明，从直流到10GHz ，色散对Z 0的影响一般可以忽略不计，而对e ε的影响较大，可由下式计算：
()2
5.1041???
? ??++-=-e r e F f εεεε 式中
?
???
?????
?????? ??+++-=2
01lg 215.014h W
h F r λε
微带线中除准TEM 模外，还可能出现表面模和波导模。如下： 1.波导模式：
t ＝0时，()
2
/1102r CET w ελ=；
t≠0时，()2
/1102r CET ελ=()h w 4.0+；
()2
/1012r CTM h ελ=.
2.表面波模式：
TM 01模的截止波长为∞，即无法抑制；
()2
/11014-=r CET h ελ .
为抑制高次模，微带线的横向尺寸应选择为
r
r h W h ελ
ελ2,24.0min min <<
+ 金属屏蔽盒高度取H ≥（5-6）h ；接地板宽度取a ≥（5-6）w 。
五 微带线的设计
最后以一个例题来总结本次课程设计。
例：一个50Ω微带线，相对介电常数是2.23，板高h=0.787mm 。如果频率为1GHz ，求出线的宽度、波长和有效介电常数，假定敷铜层的厚度可以忽略不计。
解：由图3-1可确定w/h 的近似值。r ε=2.23在r ε=2与r ε=3之间，分别找到50Ω时r ε=2与r ε=3所对应的w/h 值，可近似为3.5和3.1，故r ε=2.23所对应的w/h ＞2，所以我们选择w/h ≥2的情况，此时 r
Z B επ02377==7.9272
代入式（3-3）得
w/h=5.7149 然后代入公式得出有效介电常数： 2
1121212
1-??
? ??
+-+
+=
W h r r e εεε=6.4308
由h=0.787mm ，求得线宽w=4.4976mm ，再根据有效介电常数算出微带线的相速度： ()82
/1101830.1/?==e p c v ε
当频率为1GHz 时，
mm f v p 3.118/==λ
六总结与展望
这是第一次按照标准的要求来完成一个完整的课程设计，感觉着实不易。使我对课程设计的流程有了一定的认识与了解，同时亦让我发现了自身专业知识储备的不足。通过这次课程设计使我加深了对微带传输线的认识以及其在现代电子应用领域中的重要地位，然而就目前的认识而言，还是非常浅薄的，与实际应用之间还有相当的差距，还需要不断地学习与努力。
参考文献
[1] 栾秀珍，房少军，金红等.微波技术.北京邮电大学出版社，2009.
[2] 廖承恩.微波技术基础.西安电子科技大学出版社，2011.
[3] 王子宇，张肇仪，徐承和等译.射频电路设计-理论与应用，2005.
串扰机理详解 串扰是指当信号在传输线上传播时，因电磁耦合对相邻的传输线产生的不期望的电压噪声干扰。这种干扰是由于两条信号线间的耦合，即信号线之间互感和互容耦合引起的。容性耦合（当干扰源产生的干扰是以电压形式出现时，干扰源与信号电路之间就存在容性（电场）耦合，这时干扰电压线电容耦合到信号电路，形成干扰源）引发耦合电流，而感性耦合（当干扰源是以电流形式出现的，此电流所产生的磁场通过互感耦合对邻近信号形成干扰）则产生耦合电压。由于自身的逻辑电平发生变化，对其他信号产生影响的信号线称为“攻击线”（Aggressor），即干扰线。受到影响而导致自身逻辑电平发生异常 的信号连线我们称为“牺牲线”（Victim），即被干扰线。串扰噪声从干扰对象上通过交叉耦合到被干扰对象上，表现为在一根信号线上有信号通过时，在PCB板上与之相邻的信号线上就会感应出相关的 信号。 图5-1中如果位于A点的驱动源称为干扰源（Aggressor），则 位于D点的接收器称为被干扰对象（Victim），A、B之间的线网称 为干扰源网络，C、D之间的线网称为被干扰对象网络；反之，如果 位于C点的驱动源称为干扰源，则位于B点的接收器称为被干扰对象，C、D之间的线网称为干扰源网络，A、B之间的线网称为被干扰对象网络。 图5-1 串扰中的干扰源与被干扰对象 当干扰源状态变化时，会在被干扰对象上产生一串扰脉冲，在高速系统中，这种现象很普遍。例如，当干扰源的信号有上升沿跳变（从0到1），而被干扰源保持为0电平，通过两者之间的交叉耦合电容，在被干扰源上就会产生一个短时的脉冲干扰，如图5-2.a所示。类似的，在干扰源上有一个上升沿跳变（从0到1），而在被干扰源上有
实验一：传输线理论 * （Transmission Line Theory） 一. 实验目的： 1.了解基本传输线、微带线的特性。 2.利用实验模组实际测量以了解微带线的特性。 3.利用MICROWAVE软件进行基本传输线和微带线的电路设计和仿真。 二、预习容： 1．熟悉微波课程有关传输线的理论知识。 2．熟悉微波课程有关微带线的理论知识。 项次设备名称数量备注 1 MOTECH RF2000 测量仪1套亦可用网络分析仪 2 微带线模组1组RF2KM1-1A, 3 50Ω BNC 连接线2条CA-1、CA-2 (粉红色) 4 1MΩ BNC 连接线2条CA-3、CA-4（黑色） 5 MICROWAVE软件1套微波电路设计软件 四、理论分析： （一）基本传输线理论 在传输线上传输波的电压、电流信号会是时间及传输距离的函数。一条单位长度传输线的等效电路可由R、L、G、C等四个元件来组成，如图1-1所示。 假设波的传播方向为＋Z轴的方向，则由基尔霍夫电压及电流定律可得下列二个传输线方程式： ) ( ) ( ) ( ) ( ) (2 2 2 = + - - -z V LG RC j z V LC RG dz z V d ω ω ) ( ) ( ) ( ) ( ) (2 2 2 = + - - -z I LG RC j z I LC RG dz z I d ω ω 图1-1单位长度传输线的等效电路
此两个方程式的解可写成： z z e V e V z V γγ--++=)( (1-1) ，z z e I e I z I γγ--+-=)((1-2) 其中V +,V -,I +,I - 分别是信号的电压及电流振幅常数，而+、-则分别表示+Z ，-Z 的传输方向。γ则是传输系数（propagation coefficient ），其定义如下： ))((C j G L j R ωωγ ++= (1-3) 而波在z 上任一点的总电压及电流的关系则可由下列方程式表示： I L j R dz dV ?+-=)(ω V C j G dz dI ?+-=)(ω (1-4) 式（1-1）、（1-2）代入式（1-3）可得： C j G I V ωγ +=++ 一般将上式定义为传输线的特性阻抗（Characteristic Impedance ）——Z O ： C j G L j R C j G I V I V Z O ωωωγ++=+===--++ 当R=G=0时，传输线没有损耗（Lossless or Loss-free ）。因此，一般无耗 传输线的传输系数γ及特性阻抗Z O 分别为： LC j j ωβγ== ， C L Z O = 此时传输系数为纯虚数。大多数的射频传输线损耗都很小；亦即R<<ωL 且G<<ωC 。所以R 、G 可以忽略不计，此时传输线的传输系数可写成下列公式： βαωγj C G L R LC LC j +=?? ? ??++≈2 （1-5） 式（1-5）中与在无耗传输线中是一样的，而α定义为传输线的衰减常数（Attenuation Constant ）,其公式分别为： LC j ωβ=， )(2 1 2o o GZ RY C G L R LC +=??? ??+= α 其中Y 0定义为传输线的特性导纳(Characteristic Adimttance), 其公式为： L C Z Y O O == 1 （二）负载传输线（Terminated Transmission Line ）
微波技术 经典前沿类 微带线的产生和发展
目录 一、微波传输线 (4) 1.1 传输线概论 (4) 二、微带线产生 (5) 2.1 产生背景及发展历程 (5) 2.2 微带线的结构及参数 (5) 2.2.1 微带线中的主模 (6) 2.2.2微带线的基本参数及实现 (7) 三、微带线的应用 (10) 3.1 微带集成电路简介 (10) 3.2 微带线的发展趋势 (11) 3.3 微带线发展的实例 (11) 四、微带线和带状线的对比 (12) 4.1 总体对比 (12) 4.1.1 微带线 (13) 4.1.2 带状线 (13) 4.2 微带线的优缺点 (13) 五、微带线的不连续性 (14) 六、参考文献 (16)
微带线的产生和发展 作者：田鲲刘旭辉宋宇航杨继元王浩臣周阳 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
传输线的反射干扰分析 一.引言 在微机系统中，接口与其它设备之间的连接要通过一定长度的电缆来实现，在计算机内部，印制电路板之间需要通过焊接线来连接。在一些其它的脉冲数字电路中也存在这类事的问题。脉冲信号包含着很多的高频成分，即使脉冲信号本身的重复频率并不十分高，但如果前沿陡峭，在经过传输通道时，将可能发生信号的畸变，严重时将形成振荡，破坏信号的正常传输和电路的正常工作。脉冲信号的频率越高，传输线的长度越长，即便问题越严重。 二.传输线的反射干扰及其造成的危害 任何信号的传输线，对一定频率的信号来说，都存在着一定的非纯电阻性的波阻抗，其数值与集成电路的输出阻抗和输入阻抗的数值各不相同，在他们相互连接时，势必存在着一些阻抗的不连续点。当信号通过这些不连续点时便发生“反射”现象，造成波形畸变，产生反射噪声。另外，较长的传输线必然存在着较大的分布电容和杂散电感，信号传输时将有一个延迟，信号频率越高，延迟越明显，造成的反射越严重，信号波形产生的畸变也就越厉害。这就是所谓的“长线传输的反射干扰”。对于TTL器件来说，“过冲”超过6V时，对器件输入端的P-N结就有造成损坏的可能。同时从3V～-6V的大幅度下降，将会对邻近的平行信号产生严重的串扰，且台阶将造成不必要的延时，给工作电路造成不良的后果。一旦形成震荡，危害就更严重，这种振荡信号将在信号的始端和终端同时直接构成信号噪声，从而形成有效的干扰。 三.信号传输线的主要特性及阻抗匹配 1.信号传输线的特征阻抗 对于计算机及数字系统来说，经常使用的信号传输线主要有单线(含接连线和印制线等)、双绞线、带状平行电缆、同轴电缆和双绞屏蔽电缆等。传输线的特性参数很多，与传输线的反射干扰有关的参数主要有延迟时间和波阻抗。一般说来，反显得信号延迟时间最短，同轴电缆较长，双绞线居中，约为6ns/m。波阻抗为单线最高，约为数百欧，双绞线的波阻抗，双绞线的波阻抗一般在100Ω-200Ω之间，且绞花越短，波阻抗越低。从抗干扰的角度讲，同轴电缆最好，双绞线次之，而带状电缆和单线最差。 2.阻抗的匹配 当传输线终端不匹配时，信号被反射，反射波达到始端时，如始端不匹配，同样产生反射，这就发生了信号在传输线上多次往返反射的情况，产生严重的反射干扰。因此要尽可能做到始端和终端的阻抗匹配，是抑制反射干扰的有效途径。为此，确定“长线”的最佳长度是至关重要的。 在实际实践中，一般以公式的经验来决定实际电路信号传输线的最大允许不匹配长度(也即“长线”界限)。其中，为电路转换边沿的平均宽度，对于常用的中速TTL电路，取15ns，为传输线的延迟时间。可以计算出，其最大允许匹配长度分别为1m，0.6m和0.4m，否则应考虑阻抗匹配。对于高速运行的ECL器件，由于其传输时间只有4ns-5ns，故传输长度一般超过20cm时，就应考虑匹配问题。 阻抗匹配的方法可以分为始端阻抗匹配和终端阻抗匹配。 始端阻抗匹配的方法是在电路的输出端，即传输线的输入端串接一个电阻R，使电路的输出电阻(对TTL而言分别为14R和135R)与所用传输线的波阻抗(如双绞线典型波阻抗为130R)相近似，。这种方法简单易行，波形畸变也较小。但由于电流流经，使在线低压电平上升，从而降低信号低电平的噪声容限。一般规定低电平的升高要小于0.2V,为此应考虑减少负载们的个数来减小电阻R上的电压降。 无源终端匹配可以在接收端的逻辑门的输入端，即传输线的终端并联一个电阻，其阻值应近似等于传输线的波阻抗，。这种方法一般仅限于发送端采用功率驱动门的场合，如用普通
《射频电路》期末答辩题目:传输线理论
随着科学技术的飞速发展，微波技术被广泛应用于工业，农业，生物医学，军事，气象探测，遥感遥测，交通管制以及各种通信业务中，学科之间的相互渗透不断加剧，在其他学科中应用微波理论和技术进一步深入研究的范例不断增多。传输线作为传输电磁波的导波系统，对电磁波的传输性能直接关系到电磁波信息能量的传送，越来越受到人们的重视，成为了很有意义的研究对象。但是电磁波在传输线的传播比较抽象，有必要对其进行形象化、直观化研究。 TEM波场对应于电场有一电压波，对应于磁场有一电流波。本次毕业设计针对常用的均匀有耗和无耗传输线，运用分布参数电路法，建立传输线等效电路，即“化场为路”，学习了传输线方程及其解，得出：传输线的电压、电流具有波的形式，由向负载方向传输的入射波和向波源传输的反射波，这两列波叠加。并且对这一特性进行了MATLAB仿真，在代码中通过改变负载阻抗的大小使均匀传输线分别工作在行波状态，驻波状态和行驻波状态，观察并验证电压（电场）和电流（磁场）特性，仿真结果与理论很吻合。有助于对传输线特性的进一步理解。 关键字：传输线微带线特性阻抗终端条件
With the rapid development of science and technology, microwave technology is widely used in industry, agriculture, biomedicine, military, meteorological observation, remote sensing telemetering, with the rapid development of science and technology, microwave technology is widely used in industry, agriculture, biomedicine, military, meteorological observation, remote sensing telemetering, traffic control, as well as a variety of communication services rising discipline the mutual infiltration between, theory and application of microwave technology in other disciplines further in-depth study to the rising number of examples. Transmission line as the transmission of electromagnetic wave guided wave system, the electromagnetic wave transmission performance is directly related to the electromagnetic wave information of energy transmission, more and more get people's attention, has become a very meaningful research object. But the spread of electromagnetic waves on transmission lines are abstract, it is necessary to carry out its visualization, visualization research. TEM wave field corresponds to the electric field has a voltage wave, there is a current wave corresponds to the magnetic field. The graduation design in view of the common uniform lossy and no loss of transmission lines, using the method of distributed parameter circuit, build a transmission line equivalent circuit, namely "field to road", the study of transmission line equation and its solution, it is concluded that: transmission line voltage and current wave form, by the direction of the load transmission of incident wave and the waves transmission of reflected wave, the wave superposition. And has carried on the MATLAB simulation, to this feature in the code by changing the size of the load impedance of the uniform transmission line work on wave state respectively, standing wave state line and standing wave state, observe and verify voltage (electric) and current (magnetic) characteristics, the simulation result in accordance with the theory. Help to the further understanding the characteristics of the transmission line. Key words: transmission line microstrip line characteristic impedance Terminal condition
第三章传输线理论 本章的目的是概述由集总电路向分布电路表示法过度的物理前提。在此过程中，推导出一个最有用的公式：一般的射频传输线结构的空间相关阻抗表示公式。正如我们知道的，频率的提高意味着波长的减小，该结论用于射频电路，就是当波长可与分立的电路元件的几何尺寸相比拟时，电压和电流不再保持空间不变，必须把它们看做是传输的波。因为基尔霍夫电压和电流定律都没有考虑到这些空间的变化，我们必须对普通的集总电路分析进行重大的修改。本章重点介绍传输线理论，首先介绍传输线理论的实质，再介绍常用的几种传输线，其中重点介绍微带传输线，以及一般的传输线方程及阻抗的一般定义公式。 3.1传输线的基本知识 传输微波能量和信号的线路称为微波传输线。本节主要介绍传输线理论的实质以及理论基础 3.1.1传输线理论的实质 传输线理论是分布参数电路理论，它在场分析和基本电路理论之间架起了桥梁。随着工作频率的升高，波长不断减小，当波长可以与电路的几何尺寸相比拟时，传输线上的电压和电流将随着空间位置而变化，使电压和电流呈现波动性，这一点与低频电路完全不同。传输线理论用来分析传输线上电压和电流的分布，以及传输线上阻抗的变化规律。在射频阶段，基尔霍夫定律不再成立，因而必须使用传输线理论取代低频电路理论。 现在举例说明：分析一个简单的电路，该电路由内阻为R1的正弦电压源V1通过1.6cm的铜导线与负载电阻R2组成。电路图如下： 图3.1 简单电路
并且我们假设导线的方向与z轴方向一致，且它们的电阻可以忽略。我们假设振荡器的频率是1MHz，由公式 (3.1) 10m/s, rε=10, rμ=1 因此可以得到波长其中是相速度，=9.49×7 λ=94.86m.连接源和负载的1.6cm长的导线，在如此小的尺度内感受的电压空间变化是不明显的。 但是当频率提高到10GHz时情况就明显的不同了，此时波长降低到λ=p v/10 10=0.949cm，近似为导线长度的2/3，如果沿着1.6cm的导线测量电压，确定信号的相位参考点所在的位置是十分重要的。经过测量得知电压随着相位参考点的不同而发生很大的不同。 现在我们面临着不同的选择，在上图所示的电路中，假设导线的电阻可以忽略，当连接源和负载的导线不存在电压的空间变化时，如低频电路情况，才能有基尔霍夫电压定律进行分析。但是当频率高到必须考虑电压和电流的空间特性时，基尔霍夫电路定律将不能直接用。但是这种情况可以补救，假如该线能再细分为小的线元，在数学上称为无限小长度在该小线元上假定电压和电流保持恒定值。对于每一段小的长度的等效电路为： 图3.2 微带线的等效电路 但是具体到什么时候导线或者分立元件作为传输线处理，这个问题不能用简单的数字还给以确切的回答。从满足基尔霍夫要求的集总电路分析到包含有电压和电流的分布电路理论的过度与波长有关。此过度是在波长变得越来越与电路的平均尺寸可比拟的过程中，逐渐发生。根据一般的科研经验，当分立的电路元件平均尺寸长度大于波长的1/10时，就应该用传输线理论。例如在本例中1.6cm的导线我们能估算出频率为：
串扰详解 1 串扰问题产生的机理 串扰是信号在传输线上传播时，由于电磁耦合而在相邻的传输线上产生不期望的电压或电流噪声干扰，信号线的边缘场效应是导致串扰产生的根本原因。为了便于分析，下面介绍几个有关的概念。如图1所示，假设位于A点的驱动器是干扰源，而位于D点的接受器为被干扰对象，那么驱动器A所在的传输线被称之为干扰源网络或侵害网络(Agreessor)，相应的接收器D所在的传输线网络被称之为静态网络或受害网络。静态网络靠近干扰源一端的串扰称为近端串扰(也称后向串扰)，而远离干扰源一端的串扰称为远端串扰(或称前向串扰)。由于产生的原因不同将串扰可分为容性耦合串扰和感性耦合串扰两类。 1．1 容性耦合机制 当干扰线上有信号传输时，由于信号边沿电压的变化，在信号边沿附近的区域，干扰线上的分布电容会感应出时变的电场，而受害线处于这个电场里面，所以变化的电场会在受害线上产生感应电流。可以把信号的边沿看成是沿干扰线移动的电流源，在它移动的过程中，通过电容耦合不断地在受害线上产生电流噪声。由于在受害线上每个方向的阻抗都是相同的，所以50％的容性耦合电流流向近端而另50%则传向远端。此外，容性耦合电流的流向都是从信号路径到返回路径的，所以向近端和远端传播的耦合电流都是正向的。对于近端容性耦合串扰，随着驱动器输出信号出现上升沿脉冲，流向近端的电流将从零开始迅速增加，当边沿输入了一个饱和长度以后，近端电流将达到一个固定值。另外，流向近端的耦合电流将以恒定的速度源源不断地流向近端，当上升沿到达干扰线的接收端，此上升沿会被接受吸收，不再产生耦合电流信号，但是受害线上还有后向电流流向受害线的近端，所以近端的耦合电流将持续两倍的传输延迟。 对于远端容性耦合串扰，由于信号的边沿可看成是移动的电流源，它将在边沿的附
实验一：传输线理论 * （Transmission Line Theory ） 一. 实验目的： 1. 了解基本传输线、微带线的特性。 2. 利用实验模组实际测量以了解微带线的特性。 3. 利用MICROWA VE 软件进行基本传输线和微带线的电路设计和仿真。 二、预习内容： 1．熟悉微波课程有关传输线的理论知识。 2．熟悉微波课程有关微带线的理论知识。 四、理论分析： （一）基本传输线理论 在传输线上传输波的电压、电流信号会是时间及传输距离的函数。一条单位长度传输线的等效电路可由R 、L 、G 、C 等四个元件来组成，如图1-1所示。 假设波的传播方向为＋Z 轴的方向，则由基尔霍夫电压及电流定律可得下列 二个传输线方程式： 此两个方程式的解可写成： 0)()()()() (22 2=+---z V LG RC j z V LC RG dz z V d ωω0)()()()()(2 2 2=+---z I LG RC j z I LC RG dz z I d ωω 图1-1单位长度传输线的等效电路
z z e V e V z V γγ--++=)( (1-1) ，z z e I e I z I γγ--+-=)((1-2) 其中V +,V -,I +,I - 分别是信号的电压及电流振幅常数，而+、-则分别表示+Z ，-Z 的传输方向。γ则是传输系数（propagation coefficient ），其定义如下： ))((C j G L j R ωωγ++= (1-3) 而波在z 上任一点的总电压及电流的关系则可由下列方程式表示： I L j R dz dV ?+-=)(ω V C j G dz dI ?+-=)(ω (1-4) 式（1-1）、（1-2）代入式（1-3）可得： C j G I V ωγ+=++ 一般将上式定义为传输线的特性阻抗（Characteristic Impedance ）——Z O ： C j G L j R C j G I V I V Z O ωωωγ++=+===--++ 当R=G=0时，传输线没有损耗（Lossless or Loss-free ）。因此，一般无耗传 输线的传输系数γ及特性阻抗Z O 分别为： LC j j ωβγ== ， C L Z O = 此时传输系数为纯虚数。大多数的射频传输线损耗都很小；亦即R <<ωL 且G <<ωC 。所以R 、G 可以忽略不计，此时传输线的传输系数可写成下列公式： βαωγj C G L R LC LC j +=?? ? ??++≈2 （1-5） 式（1-5）中与在无耗传输线中是一样的，而α定义为传输线的衰减常数（Attenuation Constant ）,其公式分别为： LC j ωβ=， )(2 1 2o o GZ RY C G L R LC +=??? ??+= α 其中Y 0定义为传输线的特性导纳(Characteristic Adimttance), 其公式为： L C Z Y O O ==1 （二）负载传输线（Terminated Transmission Line ） （A ）无损耗负载传输线（Terminated Lossless Line ） 考虑一段特性阻抗为Zo 的传输线，一端接信号源，另一端则接上负载，如
1.什么是波速?如何计算? 2.均匀传输线的参数为Lo＝．Co＝ ．求此传输线在频率为1000HZ时的特性阻抗、相位系数、相速及波长。 3.有一平均高度A为10m，线路半径r为10mm的架空输电线 路，试求线路波阻抗。
4.什么是彼德逊法则？应用它应满足什么条件？ 答当一任意波形的行波和，沿一条波阻抗为Z的线路投射到第一节点A时，若要计算电压折射被、和电流折射波的大小．则不管A点后面的电路如何复杂，A点前面的入射波和波阻抗为Z的线路都可用一个集中参数等值电路来代替。代替的法则可以是以下两者之一； (1)电压源集中参数等值电路；电势大小为2的电压源与Z 串联。 (2)电流源集中参数等值电路：电流大小为2的电流源与Z并 联。 这既是彼得逊法则。 彼德逊法则实际上是戴维南定理在波动过程中的应用，它只适用于以下条件： (1)入射波是沿一条分布参数线路传播过来的。 (2)节点A之后的任何一条线路末端产生的反射波尚未回到A
点。
5.一电压入射波500kV由架空线路进入电缆线路，架空、 电缆线路的波阻抗分 别为＝500．＝50，求折射波和反射波。 6.母线A上接有波阻抗分别为,,的三条出线，从线路 上传来相位为的电压直角波如图6-3（a)所示。试： (1)求在线路上出现的折射彼； (2)求在线路上的电压反射被； (3)设上述过电压被同时沿波阻抗为、的两条线路侵入．求 母线电压幅值。
7.幅值为90kv的长电压波，从波阻抗为500的架空线过结点A 传向集中参数元件，再经节点B传向波阻抗为50的电线线路，如图6—7(a)所示，＝400。求， (1)电阻的首、末端电压。 (2)因反射而返回架空线路的功率和所吸收的功率。
平行传输线间串扰的耦合分析 吴聪达路宏敏陈常杰肖壮 （西安电子科技大学，西安，710071） 摘要：串扰是通过两平行传输线之间的容性耦合和感性耦合而产生的。本文对平行传输线之间的容性耦合和感性耦合建立等效电路模型，并进行仿真和总结。 关键字： 串扰； 容性耦合； 感性耦合 Coupling Analysis on Crosstalk Between Two Parallel Transmission Lines Wu congda,Lu hongmin,Cheng changjie,Xiaozhuang (Xidian University,xi’an city,710071) Abstract：Crosstalk is induced by capacitive coupling and inductive coupling between two parallel transmission lines. This text set up equivalent circuit model of capacitive coupling and inductive coupling between two parallel transmission lines, with simulation and summarization. Keywords: crosstalk；capacitive coupling；inductive coupling 1 引言 随着微电子技术和I T产业的发展，速度已成为许多系统设计中最重要的因素。而随着电子工程师不断把设计推向技术与工艺的极限，串扰分析变得越来越重要。本文采用容性耦合和感性耦合的电路模型，分析了传输线间的串扰响应并指出了在减少P C B传输线间的串扰应采取的技术措施。 2 串扰理论分析 串扰是指当信号在传输线上传播时，因电磁耦合对相邻的传输线产生的不期望的电压噪声干扰。过大的串扰可能引起电路的误触发，导致系统无法正常工作。串扰是由电磁耦合形成的，电磁耦合又可分为容性耦合和感性耦合两种。因此，当信号在通过一导体传输线时会通过两种方式将能量耦合到相邻的传输线导体上，即容性耦合与感性耦合。 2.1容性耦合 容性耦合是由于干扰传输线（Aggressor Line）上的电压变化通过它与被干扰传输线（Victim Line）之间的互容将能量耦合到被干扰传输线上，从而导致的电磁干扰。容性耦合模型如图1所示。 作者简介：吴聪达，男，浙江人，生于1980年11月，在西安电子科技大学电子工程专业取得学士学位，现为西安电子科技大学生物医学工程专业硕士研究生。
《射频电路》课程设计题目：微带传输线概述 系部电子信息工程学院 学科门类工学 专业电子信息工程 学号1108211042 姓名杨越 2012年06月30日
微带传输线概述 摘要 本课程设计主要介绍了微带传输线在实际应用中比较基础且较重要的几个知识点，并没有详细的对微带线的各个参数及特性作细致的说明。例如微带线的近似静态解法、微带线的谱域分析等在本设计中都未曾提及，这与此课程设计的制作人本身的理解能力有着千丝万缕的关系。在后续的微带线设计中，此处所提到准TEM特性、微带线的特性阻抗以及有效介电常数等参数，对于整个微带线系统的确立与实现都有着很重要的关系。例如在设计微带线低通滤波器的时候，当通过低通滤波器原型的电路多次变换计算得到最终的电路时，这时就需要面对将电路图实现微带线的问题，而此时需要的就是特性阻抗的知识。首先，根据特性阻抗值与相对介电常数确定w/h的范围（假设t=0），再由范围选择w/h的具体计算公式，从而求得微带线的宽度。由有效介电常数求出相速度，再求出波导波长，由此可算出微带传输线的长度，等等。 关键词：微带线准TEM特性特性阻抗有效介电常数相速度波导波长
前 言 微带线是（Microstrip Line ）是20世纪50年代发展起来的一种微波传输线，是目前混 合微波集成电路（hybird microwave integrated circuit ,缩写为HMIC ）和单片微波集成电路（monolithic microwave integrated circuit ，缩写为MMIC ）使用最多的一种平面传输线。其优点是体积小、重量轻、频带宽、可集成化；缺点是损耗大，Q 值低，功率容量低。由于微波系统正向小型化和固态化方向发展，因此微带线得到了广泛的应用。 一 微带线的结构 微带线是在金属化厚度为h 的介质基片的一面制作宽度为W 、厚度为t 的导体带，另 一面作接地金属平板而构成的，如图1-1所示。其中，r ε为介质基片的相对介电常数。最 图1-1 微带线 常用的介质基片材料是纯度为99.5%的氧化铝陶瓷（r ε=9.5-10）、聚四氟乙烯环氧树脂如，如图1-2所示。 图1-2 聚四氟乙烯环氧树脂 （r ε=2.55）；用作单片微波集成电路的半导体基片材料主要是砷化镓（r ε =13.0），如图1-3 所示。
传输线理论 1 引言 传输电磁能量和信号的线路称为传输线。传输线包括TEM 波传输线、波导传输线和表面波传输线。本教材讨论TEM 波传输线（如双线、同轴线）的基本理论。这些理论不仅适用于TEM 波传输线,而且也是研究TEM波传输线的理论基础。 TEM波即横电磁波，其特征是E z=0、H z=0，因此电磁场只有横向分量E T、H T，即TEM波只有垂直于传输方向的横向分量。但应注意到TEM波的场不是静场，而是随时间t及纵座标z波动变化的场。 研究传输线上所传输电磁波的特性的方法有两种。一种是“场”的分析方法，即从麦氏方程组出发，解特定边界条件下的电磁场波动方程，求得场量（和）随时间和空间的变化规律，由此来分析电磁波的传输特性；另一种方法是“路”的分析方法，它将传输线作为分布参数来处理，得到传输线的等效电路，然后由等效电路根据克希霍夫定律导出传输线方程，再解传输线方程，求得线上电压和电流随时间和空间的变化规律，最后由此规律来分析电压和电流的传输特性。这种“路”的分析方法，又称为长线理论。事实上，“场”的理论和“路”的理论既是紧密相关的，又是相互补充的。 1.1 分布参数及其分布参数电路 传输线可分为长线和短线，长线和短线是相对于波长而言的。所谓长线是指传输线的几何长度和线上传输电磁波的波长的比值（即电长度）大于或接近于1。反之称为短线。在微波技术中，波长以m或cm计，故1m长度的传输线已长于波长，应视为长线；在电力工程中，即使长度为1000m的传输线，对于频率为50Hz（即波长为6000km）的交流电来说，仍远小于波长，应视为短线。传输线这个名称均指长线传输线。有些传输线宜用“场”的理论去处理，而有些传输线在满足一定条件下可以归结为“路”的问题来处理，这样就可以借用熟知的电路理论和现成方法，使问题的处理大为简化。长线和短线的区别还在于：前者为分布参数电路，而后者是集中参数电路。在低频电路中常常忽略元件连接线的分布参数效应，认为电场能量全部集中在电容器中，而磁场能量全部集中在电感器中，电阻元件是消耗电磁能量的。由这些集中参数元件组成的电路称为集中参数电路。随着频率的提高，电路元件的辐射损耗，导体损耗和介质损耗增加，电路元件的参数也随之变化。当频率提高到其波长和电路的几何尺寸可相比拟时，电场能量和磁场能量的分布空间很难分开，而且连接元件的导线的分布参数已不可忽略，这种电路称为分布参数电路。 下面以对称线为例讨论它的分布参数： 频率提高后，导线中所流过的高频电流会产生趋肤效应，使导线的有效面积减小，高
传输线的反射干扰解析 一.引言 在微机系统中，接口与其它设备之间的连接要通过一定长度的电缆来实现，在计算机内部，印制电路板之间需要通过焊接线来连接。在一些其它的脉冲数字电路中也存在这类事的问题。脉冲信号包含着很多的高频成分，即使脉冲信号本身的重复频率并不十分高，但如果前沿陡峭，在经过传输通道时，将可能发生信号的畸变，严重时将形成振荡，破坏信号的正常传输和电路的正常工作。脉冲信号的频率越高，传输线的长度越长，即便问题越严重。 二.传输线的反射干扰及其造成的危害 任何信号的传输线，对一定频率的信号来说，都存在着一定的非纯电阻性的波阻抗，其数值与集成电路的输出阻抗和输入阻抗的数值各不相同，在他们相互连接时，势必存在着一些阻抗的不连续点。当信号通过这些不连续点时便发生“反射”现象，造成波形畸变，产生反射噪声。另外，较长的传输线必然存在着较大的分布电容和杂散电感，信号传输时将有一个延迟，信号频率越高，延迟越明显，造成的反射越严重，信号波形产生的畸变也就越厉害。这就是所谓的“长线传输的反射干扰”。对于TTL器件来说，“过冲”超过6V时，对器件输入端的P-N结就有造成损坏的可能。同时从+3V～-6V的大幅度下降，将会对邻近的平行信号产生严重的串扰，且台阶将造成不必要的延时，给工作电路造成不良的后果。一旦形成震荡，危害就更严重，这种振荡信号将在信号的始端和终端同时直接构成信号噪声，从而形成有效的干扰。 三.信号传输线的主要特性及阻抗匹配 1.信号传输线的特征阻抗 对于计算机及数字系统来说，经常使用的信号传输线主要有单线(含接连线和印制线等)、双绞线、带状平行电缆、同轴电缆和双绞屏蔽电缆等。传输线的特性参数很多，与传输线的反射干扰有关的参数主要有延迟时间和波阻抗。一般说来，反显得信号延迟时间最短，同轴电缆较长，双绞线居中，约为6ns/m。波阻抗为单线最高，约为数百欧，双绞线的波阻抗，双绞线的波阻抗一般在100Ω-200Ω之间，且绞花越短，波阻抗越低。从抗干扰的角度讲，同轴电缆最好，双绞线次之，而带状电缆和单线最差。 2.阻抗的匹配 当传输线终端不匹配时，信号被反射，反射波达到始端时，如始端不匹配，同样产生反射，这就发生了信号在传输线上多次往返反射的情况，产生严重的反 射干扰。因此要尽可能做到始端和终端的阻抗匹配， 为此，确定“长线”的最佳长度是至关重要的。
高頻傳輸線理論(High-Speed Transmission Line Theory) 檢測部
頻寬及信號完整性術語與說明 高頻傳輸線 引言：CPU的速率由50MHz以上升到200MHz以上，連I/O週邊的速率也 由33MHz提升至100MHz以上。原 本扮演「連接傳導」的銅線、銅箔、導 線等變成高頻傳輸線。這些傳線類似天 線，會把流經信號的能量「耦合」或「輻 射」出去，造成電磁串音(訊號線之間的 干擾)及EMI(對外界的干擾)、也有阻抗 匹配的問題等. . . ，以下將就高頻傳輸 線的特性作討論與分析。
基本單位 1. 介電常數(，Dielectric Constant): 介電常數定義為電力線密 度與電場強度的比值(E D = ε)，在dielectric material(一般用的塑膠)中，介電常數越小，電容的效應越小，電磁波通過的速率越快，量測的方法如下: Dielectric Constant V V C C o o = = ε 一些常見物質的介電常數: Material Dielectric Constant Air 1 Glass 4-10 Oil 2.3 Paper 2-4
Polyethylene (PE) 2.3 Polystyrene (PS) 2.6 Porcelain 5.7 Teflon 2.1 LCP 3.2 Polyvinyl Chloride (PVC) 3.5~4 SPS 2.9 PCT 2.72~2.87 PPS 3.8~3.9 TPE 2.1~2.3 2. Velocity ：電磁波在介質內的傳遞速度取決於介質的介電係數 permittivity,ε）及導磁係數（permeability, ）。如下式： εμ 1 V = 在真空中 Where o r εεε= & o r μμμ= 9o 10361 -?= π ε F/m 7o 104-?=πμ H/m 8o o o 1031 V ?== με m/s 可見電磁波在真空中是以光速在前進。假如電磁波在介質中傳播，我們必需知道介質的相對介電係數（r ε）及相對導磁係數（r μ），以推算電磁波在介質內的傳遞速度。 舉例而言，電磁波在SCSI Cable （TPO, r ε= 2.3, r μ =1）內的傳遞速度為
射频电缆概述 射频电缆组件的正确选择除了频率范围，驻波比，插入损耗等因素外，还应考虑电缆的机械特性，使用环境和应用要求，另外，成本也是一个永远不变的因素。在本文中，详细讨论了射频电缆的各种指标和性能，了解电缆的性能对于选择一条最佳的射频电缆组件是十分有益的。射频电缆组件的基本选择原则 射频同轴电缆是用于传输射频和微波信号能量的。它是一种分布参数电路，其电长度是物理长度和传输速度的函数，这一点和低频电路有着本质的区别。射频同轴电缆大致可分为半刚和半柔电缆、柔性编织电缆和物理发泡电缆等几大类，不同的应用场合应选择不同类型的电缆。半刚和半柔电缆一般用于设备内部的互联；在测试和测量领域，应采用柔性电缆；发泡电缆常用于基站天馈系统。 半刚性电缆顾名思义，这种电缆不容易被轻易弯曲成型，其外导体是采用铝管或者铜管制成，其射频泄漏非常小（小于-120dB），在系统中造成的信号串扰可以忽略不计。 这种电缆的无源互调特性也是非常理想的。如果要弯曲到某种形状，需要专用的成型机或者手工的模具来完成。如此麻烦的加工工艺换来的是非常稳定的性能，半刚性电缆采用固态的聚四氟乙烯材料作为填充介质，这种材料具有非常稳定
的温度特性，尤其在高温条件下，具有非常良好的相位稳定性。半刚性电缆的成本高于半柔性电缆，大量应用于各种射频和微波系统中。 图1. 半刚性电缆半柔性电缆半柔性电缆是半刚性电缆的替代品，这种电缆的性能指标接近于半刚性电缆，而且可以手工成型。但是其稳定性比半刚性电缆略差些，由于其可以很容易的成型，同样的也容易变形，尤其在长期使用的情况下。图2. 半柔性电缆柔性编织电缆柔性电缆是一种“测试级”的 电缆。相对于半刚性和半柔性的电缆，柔性电缆的成本十分昂贵，这是因为柔性电缆在设计时要顾及的因素更多。柔性电缆要易于多次弯曲而且还能保持性能，这是作为测试电缆的最基本要求。柔软和良好的电指标是一对矛盾，也是导致造价昂贵的主要原因。柔性射频电缆组件的选择要同时考虑各种因素，而这些因素之间有些的相互矛盾的，如单股内导体的同轴电缆比多股的具有更低的插入损耗和弯曲时的幅 度稳定性，但是相位稳定性能就不如后者。所以一条电缆组件的选择，除了频率范围，驻波比，插入损耗等因素外，还应考虑电缆的机械特性，使用环境和应用要求，另外，成本也是一个永远不变的因素。 图3. 柔性编织电缆特性阻抗 射频同轴电缆由内导体，介质，外导体和护套组成，见下图4。“特性阻抗”是射频电缆，接头和射频电缆组件中最常提到
串扰详解 随着电子技术的不断发展，在高速电路中信号的频率的变高、边沿变陡、电路板的尺寸变小、布线的密度变大，这些因素使得在高速数字电路的设计中，信号完整性问题越来越突出，其已经成为高速电路设计工程师不可避免的问题。串扰是指有害信号从一个网络转移到另一个网络，它是信号完整性问题中一个重要问题，在数字设计中普遍存在，有可能出现在芯片、PCB板、连接器、芯片封装和连接器电缆等器件上。如果串扰超过一定的限度就会引起电路的误触发，导致系统无法正常工作。因此了解串扰问题产生的机理并掌握解决串扰的设计方法，对于工程师来说是相当重要的。 1 串扰问题产生的机理 串扰是信号在传输线上传播时，由于电磁耦合而在相邻的传输线上产生不期望的电压或电流噪声干扰，信号线的边缘场效应是导致串扰产生的根本原因。为了便于分析，下面介绍几个有关的概念。如图1所示，假设位于A点的驱动器是干扰源，而位于D点的接受器为被干扰对象，那么驱动器A所在的传输线被称之为干扰源网络或侵害网络(Agreessor)，相应的接收器D所在的传输线网络被称之为静态网络或受害网络。静态网络靠近干扰源一端的串扰称为近端串扰(也称后向串扰)，而远离干扰源一端的串扰称为远端串扰(或称前向串扰)。由于产生的原因不同将串扰可分为容性耦合串扰和感性耦合串扰两类。 1．1 容性耦合机制 当干扰线上有信号传输时，由于信号边沿电压的变化，在信号边沿附近的区域，干扰线上的分布电容会感应出时变的电场，而受害线处于这个电场里面，所以变化的电场会在受害线上产生感应电流。可以把信号的边沿看成是沿干扰线移动的电流源，在它移动的过程中，通过电容耦合不断地在受害线上产生电流噪声。由于在受害线上每个方向的阻抗都是相同的，所以50％的容性耦合电流流向近端而另50%则传向远端。此外，容性耦合电流的流向都是从信号路径到返回路径的，所以向近端和远端传播的耦合电流都是正向的。对于近端容性耦合串扰，随着驱动器输出信号出现上升沿脉冲，流向近端的电流将从零开始迅速增加，当边