一文了解常用的微波传输线（一）

摘要：

定向传输微波信号和微波能量的传输线可称之为微波传输线，常用的TEM模传输线有同轴线，微带线，带状线和共面波导，TE模和TM模传输线有矩形波导，圆波导，椭圆波导和瘠波导等。本次推文就简单介绍几种典型微波传输线的理论和仿真分析。

本文使用的软件为CST2018和AnsysEM 18.2

同轴线和带状线

传输TEM模的传输线中，最常见的自然是同轴线和微带线了。

同轴线(coaxial line)是一种宽带传输线，其TEM主模的截止波长无穷大，但是其第一高次模为模，单模传输时要满足。其中a和b分别为同轴线的内外半径尺寸。

利用CST的阻抗计算小工具，我们可以计算下同轴线的参数。

和理论公式一样，空气填充，内外直径分别为0.8mm和1.84mm的同轴线，其特性阻抗为。该尺寸下的同轴线基本为50欧姆特性阻抗。

点击Build 3D，设置好求解频率和边界条件后，设置波端口的Nums of modes为2便于查看高次模模。在时域求解器中激励Port1端口即可，并勾选Calculate port mode only进行快速计算。

从下图仿真结果可以看出，高次模模的截止频率为73.56GHz，除此之外，两种模式的电场矢量分布差异也是一目了然。

同轴线两种模式的截面电场分布

左图TEM模式，右图TE11模式

带状线(stripline)由两块相距为的地板，与中间宽度为厚度为的矩形截面导体构成，两块地板中间填充均匀的介质，如下图所示：

与同轴线类似会出现TE和TM模式一样,通常选择带状线尺寸:

地板横向宽度为带状线宽度的5~6倍,以避免出现高次模。

同理,带状线的计算和建模仿真也可以直接调用CST的阻抗计算小工具。

接下面波端口的设计就有讲究了,按下图进行操作,即可打开Calculate port extension coefficient。

不过懒人建模仿真可以先Pick带状线的截面,然后再打开此界面,点击Construct port from picked face,即可完成波端口激励的设置,另一个波端口亦是如此。同样可以把波端口的Nums of modes设置为2,便于查看第一高次模。

仿真完毕后,可以在1D Results->Port Information->Line Impedance下查看该带状线的端口阻抗值基本为50欧姆。

在2D/3D Results下的Port Modes可以看到激励模式的电场矢量:

带状线两种模式的截面电场分布

微带线

微带线在媺波集成电路中应用的比较广泛，其结构如下图所示：

相较于带状线而言，微带线的上下半平面就没那么对称了。实际上微带线的严格场解是由TE-TM波混合组成的，然而工程实际应用中考虑到介质基板厚度，因此其场是准TEM模，可以通过微波工程一书中的理论计算公式进行微带线的有效介电常数和特性阻抗的近似计算，这些结果是对严格的准静态解的曲线做近似拟合，这里就不做过多赘述。依葫芦画瓢一样计算并构建好微带线的模型，适当调整基板的横向宽度和基板长度。

在2D/3D Results下的Port Modes可以看到激励模式的电场矢量:

微带线两种模式的截面电场分布

0.762mm厚度基板

可以看到10.69GHz即出现了第一高次模式。

为了拓宽准TEM模式的单模工作频带范围，需要将介质基板厚度降低。如下图所示，采用0.254mm厚度的基板，第一高次模式截止频率提高到了24.54GHz。

微带线两种模式的截面电场分布

0.254mm厚度基板

END

建模仿真还是挺费时间和精力的，希望大家多点赞分享！

*本文的图片部分来自CST2018软件

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