微波傳輸線是射頻系統的基礎，我們在《射頻傳輸線小結》中對常用的微波傳輸線做了比較詳細的總結。今天我們再介紹一下這種最最最常用的微波傳輸線——微帶線 microstrip。

微帶線的歷史

微帶線作為現在應用最高的傳輸線，也已經70多歲了，最初由美國ITT實驗室的Grieg 和 Engelmann 在 1952 年 12 月的 IRE 會議上首次發表，做為一種新型的印刷電路展示給大家。主要競爭對手是比它大兩歲的大哥——帶狀線，帶狀線是由R. Barrett 在 1950 年代發明的。帶狀線最初的名字叫做Tri-plate，這個也好理解，剛好三層金屬層所以就叫三片唄。外國人起個名字都這么隨意。

盡管帶狀線和微帶線如此的相似，但是他們的由來卻各不相同，按照發展關系的話，微帶線還比帶狀線大一輩。微帶線可以看作是平行雙線的延伸，平行雙線可以說是最古老的微波傳輸線了 ，在平行雙線的中心面上放置一個金屬導電平板，導電平板和所有的電力線垂直，保持原來的電磁場結構，這樣把其中的一根線移走，另一根線的電磁場結構依然不變，這樣留下的這根導線和金屬導電平板就構成了一種新的傳輸線——微帶線， 金屬導線做成帶狀條敷在介質板的一側，而另一側為金屬接地板。

而帶狀線則可以看作由同軸線發展而來，首先把同軸線的外導體一分為二，然后把外導體展開成平板，最后把內導體也拍扁成條，這樣就做成了帶狀線。

而同軸線的出現就是為了解決平行雙線輻射損耗的問題，同軸線可以看作是由平行雙線的一根導線延展開來，然后把另一根導線包裹起來形成的。從這個角度來說，帶狀線和平行雙線之間還夾著一個同軸線。

觀察帶狀線和微帶線的電場分布，如果金屬接地板足夠大，帶狀線的電磁場依然被封閉在兩塊導體板內，而且上下對稱分布，依然能保持TEM模的純潔度和穩定性。但是微帶線則在開放區域有明顯的電磁輻射，電磁場分布也有著明顯的不對稱，這種場結構不對稱性，在微帶線的發明之初，引入了不小的麻煩，不僅有顯著的輻射損耗，而且還會激勵起其他模式，使得原有的工作模式變壞，所以呢，這種原有的不對稱的工作模式，我們稱為準TEM模。我們可以將微帶線的橫截面尺寸縮小來改善這些缺點，使得微帶線介質基片的厚度，導體帶條的寬度縮小至遠小于工作波長，但是這樣又會引入更大的導體損耗。所以呢，在剛開始的一段時間內，微帶線在和帶狀線的競爭中處于大大的劣勢，并沒有得到廣泛應用。

現在隨著技術的發展，多層 PCB 的電路板應用越來越廣泛，微帶線和帶狀線最終是糅合到了一塊電路板上。

但是無論如何，帶狀線和微帶線的出現，都把微波傳輸線帶到了平面時代，印刷電路板工藝在射頻電路中得到了廣泛的應用，也才有了今天的無線時代。

微帶線的構成

在前面的介紹過，微帶線是由介質基片和敷在介質基片上下表面的金屬帶條和金屬接地板組成，如下圖所示。所以呢，對微帶線的研究主要是這三部分：金屬帶條，介質基板和接地板，其中最重要的就是介質基板。

對介質基板的要求也最高：

1，較高的介電常數，滿足電路小型化的要求‘

2，低損耗，損耗角正切 tan δ 要小，而且越小越好。

3，穩定的介電常數，最起碼在給定的頻率范圍和溫度范圍內。

4，高擊穿強度，這樣保證微帶線能夠傳輸更大的功率；

5，高導熱性，保證熱能夠很好地傳輸出去。

并且還要對金屬有好的附著力，方便印刷金屬層。

下表（來自微帶電路）給出了適合毫米波應用的介質基板材料對比。不同材料的介電常數各不相同，損耗系數也各不相同。下表中氧化鋁出現了三次，氧化鋁的純度越高，其介電常數越高，損耗也越小。

下表是現在一些常用的介質板材的對比。更多的材料對比可以查看 Rogers網站（Rogers 高頻電路板選型指南）

微帶線的另一個重要組成就是金屬帶條了，不僅要有良好的導電性，而且還要對介質板有比較好的附著力，保證微帶線結構的穩固。我們知道，銀，銅，金 有著比較好的導電性，但是附著力比較差。鉬，鉻，鉭的附著力比較好，但是導電性又比較差。同樣《微帶電路》列出了這些材料的特性，如下表：

更多材料特性查閱看文章《材料百科庫》。

所以在微帶線的制作過程中，可以先在介質基板上蒸一層附著力良好的金屬，其厚度要遠小于微帶線工作頻率的趨膚深度，通常只有幾十到幾百埃的厚度，然后再附著一層導電性好的金屬。這樣電磁波完全可以穿透這層金屬薄層，使其大部分能量分布在導電性良好的金屬上，減小對微帶線損耗的影響。

微帶線阻抗計算

對于微帶線的阻抗計算，很多軟件提供了計算工具，比如AWR的Txline（可以發送消息：txline，獲取下載鏈接。）感興趣的同學也可以直接用下面的公式編輯到Excel 里面進行計算。

也可以點擊下面網址進行計算

微帶線的損耗

損耗是射頻設計的一個重要參量，對于珍貴的射頻信號，損耗越小越好。微帶線的損耗比常用的波導和同軸線要大的多，所以在電路設計時，微帶線損耗尤其需要重視。通常微帶線的損耗包括三個部分：導體損耗，介質損耗和輻射損耗。

導體損耗：也就是有微帶線導體帶條和接地金屬板引起的損耗，畢竟這些金屬導體具有有限的導電率，電流通過時會引起電阻損耗。導體損耗是微帶線損耗的主要部分。

介質損耗：當電磁波通過介質材料時，由于介質分子交替極化和晶格碰撞產生的熱損耗稱為介質損耗，通常用損耗角正切 tan δ 來表示。損耗角正切越小，介質損耗越小。

輻射損耗;微帶線的場分布是半開放的，會有部分能量輻射出來，這個通過減小微帶線的橫截面使得輻射損耗降低。但是在微帶線的不連續點，輻射會比較顯著。有時候會對整個射頻系統的EMI 帶來比較大的影響，所以通常情況下，一般將微帶電路加裝金屬屏蔽罩來避免輻射，減小輻射損耗和對其他電路的干擾。

除了上面三種常見的損耗之外，還有一個磁損耗：當電路設計人員使用鐵氧體或石榴石等磁性材料作為介電材料時，電路中可能會發生磁損耗。這些材料會導致材料自然諧振頻率附近的磁損耗增加。磁損耗角正切和特性阻抗在諧振頻率處迅速增加，磁損耗也相應增加。導體損耗取決于特性阻抗。隨著諧振頻率下特性阻抗的增加，導體損耗隨著磁損耗的增加而增加。

在《Microwave101》的一篇文章中，作者對不同厚度的氧化鋁AL2O3 微帶線的損耗做了詳細的對比研究。表格如下，我們直接看一下結論：

1，對于不同厚度的氧化鋁基板，介質損耗是幾乎不變的，但是厚度越薄，金屬損耗越大。這是由于對于同樣的阻抗，介質基板越薄，微帶線的導體帶條越細，電流分布越集中，對應的導體損耗也越大。

2，石英材料的介質基板，損耗更低，一是由于石英基板的損耗角正切更小，達到了0.0001，并且介電常數較低，微帶線導體條的寬度也較大，這樣金屬損耗也比較低。

微帶線布線

1， 微帶線

2， 微帶差分線

3， 嵌入式微帶線

4，共面微帶線

審核編輯：湯梓紅