基于HFSS的微带线不连续性仿真分析

孙海青,张 鑫,陈建囡

(中国船舶重工集团公司第七二四研究所,南京 211153)

基于HFSS的微带线不连续性仿真分析

孙海青,张 鑫,陈建囡

(中国船舶重工集团公司第七二四研究所,南京 211153)

射频电路印制板(PCB)中经常会出现微带线拐角。这种微带线的不连续结构会影响信号传输质量。为了分析各种不连续性结构带来的信号质量影响情况,采用Ansoft HFSS软件仿真的方法,定量分析常用的3种不连续结构对信号质量带来的影响。仿真结果显示,外斜切直角拐角和圆弧拐角的传输特性(插入损耗和回波损耗)都优于直角拐角。

射频电路印制板;微带线不连续性;直角拐角;圆弧拐角

0 引 言

在射频电路印制板中,微带线是最常用的一种平面传输方式,易于和其他有源、无源器件相连接,制作简单,加工方便。但是,限于印制板尺寸,微带线无可避免会有拐角产生。这种拐角微带线就是典型的微带线不连续结构,而这种不连续结构会影响射频信号传输质量。在设计微带电路特别是精细设计时必须考虑这种不良影响,否则会带来较大设计误差。本文对电路设计中常用的3种拐角结构进行仿真分析,得出最优设计,把微带线不连续性带来的不良影响降到最小。

1 微带线的不连续分析

在印制板电路中,微带线的特性阻抗只与板材的介电常数εr、微带线尺寸W和介质层厚度d有关,与传输线的长度无关,是传输线的固有属性。一般均匀微带线的特性阻抗[1]:

其中ε为微带线的有效介电常数:

电路中一般采用微带线50Ω匹配设计,在εr和d确定的情况下可以算出50Ω匹配微带线的线宽W。对于如图 1 所示的均匀微带线而言,由于微带线的线宽W不变,微带线上沿传输线方向的任何一处特征阻抗都是相等的。

图1 均匀微带线结构

当PCB信号沿均匀微带线传输时,它本身不会引起信号的反射,对信号传输特性不会产生影响。但是,当微带线拐角时,由于拐角处面积增大,存在电荷积聚效应,导致拐角处电容增大,特性阻抗减小,因此微带线拐角处呈现出特性阻抗的不连续性,影响信号传输质量。以直角拐角为例,它的等效电路为T型网络[2],在转弯区域如同有一个并联的电容,路径的加长如同两段短传输线或两个电感,如图2所示。其等效电容C(pF)和等效电感L(nH)分别为

图2 微带线直角拐角等效电路

在实际电路中,通常通过两种方式来补偿这种微带线不连续性带来的反射。第一种方式是直角弯曲45°外斜切,通过削角可以降低拐角处的多余电容效应。第二种方式是用圆弧来代替直角,在圆弧半径足够大的情况下走线宽度基本不变,用这种方式来消除微带线的不连续性,但一般要求圆弧半径要远大于线宽,所以会增加微带线在印制板上的空间,因此布板时一般不采用。

针对这两种方式,采用AnsoftHFSS仿真软件来进行定量分析,对两种方式以及直角拐角方式进行对比,分析其优缺点,从而找出适合不同设计者使用的布线方式。

2 仿真结果分析

图3 微带线直角拐角模型与S参数仿真结果

图4 微带线直角弯曲45°外斜切拐角模型与S参数仿真结果

图5 微带线圆弧拐角模型与S参数仿真结果

所有模型的S参数取8、9、10GHz这3个频点的仿真数据见表1。

从仿真结果可以看出,直角拐角的S11参数是最差的。这一结果验证了微带线拐角处由于电荷积聚,特性阻抗减小,引起微带线不连续性的理论,因此必须在实际电路中进行补偿。根据仿真结果来看,实际电路中常用的两种补偿方式对微带线的不连续性都有较好的补偿结果,其中a=1.8*W直角弯曲45°外斜切拐角方式效果最佳,从微带线电场分布图中也可验证这点(见图6)。

表1 微带线不同拐角方式S参数仿真数据

图6 微带线3种拐角模式电场分布图

3 结束语

对比3种拐角方式的仿真结果可以看出,在工作频率为9 GHz附近,最佳补偿方式为a=1.8*W直角弯曲45°外斜切拐角方式,此种方式的S参数最优。如果是工作在其他频率,要根据实际使用中所用频率和带宽来选择相应的补偿方式。

[1] Pozar D M．微波工程[M]．3 版．张肇仪,周乐柱,吴德明,等译．北京:电子工业出版社,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] 谢拥军,刘莹,李磊,等.HFSS原理与工程应用[M].西安:西安电子科技大学出版社,2009.

[4] 王克伟,王均宏.微带线拐角传输及特性研究[J].微波学报,2006,22(3):32-35.

[5] 路宏敏,吴保义,姚志成,等．微带线直角弯曲最佳斜切率研究[J]．西安电子科技大学学报(自然科学版),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

孙海青(1983-),男,工程师,工程硕士,研究方向:雷达接收;张鑫(1981-),男,高级工程师,工程硕士,研究方向:雷达总体;陈建囡(1984-)女,工程师,研究方向:雷达接收。

TN41

A

1009-0401(2017)01-0045-03