微带线拐角射频性能仿真分析

杨程 李钦

摘  要：当代的通信产品越来越小巧，越来越集成化，在微波射频领域的发展过程中，PCB尺寸也越来越小，微带线不得不进行拐角设计。本文针对行业内工程经验的微带线拐角“3W规则”，从微带线不连续的原理和模型出发，以验证“3W规则”的正确性和适用性。同时提出多种微带线拐角方案，并以2.4G频段为例，分别进行了仿真分析，分析不同方案的射频性能。结合多年的工程实际经验，为不同场合推荐合适的应用方案。

关键词：微带线;射频;3W规则;2.4G频段

中图分类号：TN817      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）15-0021-04

Simulation Analysis of Microstrip Corner RF Performance

YANG Cheng，LI Qin

（Guangzhou Zhiyuan Electronics Co.，Ltd.，Guangzhou  510660，China）

Abstract：Modern communication products are becoming more and more compact and integrated. In the development process of microwave RF field，PCB size is getting smaller and smaller. Microstrip line has to be corner design. According to the “3W rule” of microstrip line corner in industry engineering experience，the correctness and applicability of the “3W rule” are verified based on the principle and model of microstrip line discontinuity. At the same time，a variety of microstrip line corner schemes are proposed，and the RF performance of different schemes is analyzed by taking 2.4G frequency band as an example. Combined with years of practical engineering experience，to recommend suitable applications for different occasions.

Keywords：microstrip;radio frequency （RF）;3W rule;2.4G frequency band

0  引  言

在射頻设计中，阻抗不匹配问题多数是由于结构不连续造成的，优化结构不连续减少信号反射是每一个射频工程师都面临的难题。在微带电路中，由于空间受限，常常需要使用微带线拐角以减少PCB尺寸。在多数文献及通信公司的工艺规范中，一般要求微带线拐角使用“3W规则”，即弯曲半径至少要大于3倍线宽W。

本文以2.4G频段为例，对3W规则的微带线拐角性能进行了仿真。同时提出了其他几种常见的微带线拐角方案，并分别对其射频性能进行了仿真分析。针对几种方案的仿真结果进行对比分析，并结合实际使用，为不同使用场合提供了不同的方案选用建议。

1  微带不连续原理

1.1  微带线模型分析

微带线是PCB设计中常用的一种平面传输线，在射频电路中被广泛使用。在PCB中，顶面通常是导体，其宽度是W，厚度是PCB铜箔厚度t，中间是PCB板材的介质层，高度是h，相对介电常数是εr，底面是地平面，微带线结构示意图如图1所示。

如果微带线是笔直的一段线，其阻抗是连续的，但是在PCB实际布线中，常常需要将微带线进行拐角处理，就会导致信号产生反射，微带线拐角是最常见的微带线不连续结构之一[1]。微带线直角拐弯的理论模型在文献[1]中进行了详细介绍，如图2所示。使用微带线的电路，一般都是高频信号，其工作波长与微带电路尺寸属于同一量级，因此微带线的不连续将引入寄生电抗，从而增大了相位误差、振幅误差，造成了输入与输出的不匹配，使得信号反射增大，无法发挥射频电路的性能。

1.2  直角拐弯微带线仿真

以消费电子常使用的2.4G频段进行无线产品设计，并采用FR-4板材，其相对介电常数εr是4.4。使用AWR公司的TXLINE软件和HFSS软件进行联合仿真，找出特性阻抗最接近50Ω的微带线参数，最终确认的微带线参数分别是：总线长L=50mm（为保证仿真效果具有可比性，本文中所有仿真图的长度均相同），εr=4.4，W=0.484mm，t=0.035mm（1OZ），h=0.275mm。当W=0.5mm时，反射系数S11=-30dB;当W=0.484mm时，S11=-43dB，仿真结果如图3所示，图中的左上角使用marker点分别标注了2.4GHz、2.44GHz、2.48GHz三个频点的反射系数读数，分别对应图中的m1、m2、m3点，HFSS仿真模型在图中的右上角。

确认好微带线参数后，使用相同参数直接对直角折弯进行了仿真，图4显示了仿真数据，直角拐弯微带线比直线微带线的S11增大了约15dB，恶化严重。

2  “3W”微带线仿真分析

“3W规则”是指采用圆弧拐弯的微带线，其弯曲半径R要大于微带线宽度W的3倍以上。“3W规则”同时也被称为“扫掠弯头”。其减缓了拐弯处的微带线不连续性，从而减少了信号的反射，“3W规则”微带线示意图如图5所示。

对“3W规则”微带线进行HFSS仿真，以R为变量，对不同的弯曲半径进行仿真，图6中完整展示了不同R分别对应的射频性能。当R=3W时，反射系数S11=-35dB;当R增大到11W时，模型的反射系数S11降到-40dB，与直线性能类似。通过图6中的仿真数据可以看出，当R=1W、R=2W、R=4W时，反射系数S11均大于R=3W时的反射系数S11。

由仿真数据可以看出，当R=3W时，反射系数S11的值不仅具备了良好的射频性能，同时也兼顾了尺寸大小。虽然当R=11W时，拐弯给微带线带来的不连续影响才能降到很低，指标接近于直线性能，但由于占用了太大的PCB空间，难以在实际工程中使用。

3  外斜切与双转折仿真分析

3.1  直角45°外斜切仿真分析

“3W规则”采用减少微带线宽度不连续导致的反射，我们也可采用补偿的方式来减少反射，提高微带线性能[2-5]。其中直角45°外斜微带线结构是最常见的补偿方案[6]，能够很好地改善信号传输特性且存在最佳斜切率，常常被工程师选用[7，8]。

直角45°外斜切微带线结构示意图如图7所示，其中直角45°外斜切的内直角与外直角的距离为d，直角45°外斜切与外直角的距离为x，由此定义了斜切率：m=（x/d）×100，不同的斜切率对微带线射频性能的影响不同[9，10]。针对不同斜切率进行了仿真分析，仿真数据如图8所示。由数据分析可知，当斜切率=80，反射系数S11最小，与直线微带线性能接近，并且优于“3W规则”的射频性能。

3.2  双转折仿真分析

双转折微带线方案从传输线多次反射的观点[11]出发，通过两次转折，产生两次反射，利用反射抵消反射，从而达到整体上减少反射，提高微带线射频性能的目的。双转折微带线结构示意图如图9所示，其中第1个转折处的反射系数是Γ1，第2个转折处的反射系数是Γ2，两处转折之间的相位是θ（在仿真中以长度L代替）。

对双转折微带线结构进行仿真，当L=10mm时，反射系数S11=-43dB，几乎达到直线微带线的性能，并优于“3W规则”以及直角45°外斜切两种方案。图10展示了仿真数据。

4  结  论

本文对实现微带线拐角的多种方案分别进行仿真，性能对比表详见表1。

其中，双转折方案性能最优，但由于设计调试难度大，且比较占用空间，采用该方案的工程师相对较少;直角45°外斜切性能较好，节省PCB空间，但需要一定的调试经验;“3W规则”性能比前两种稍差，但在实际工程使用中，由于不需要严格的仿真，节约了调试时间，是目前最常用的一种方案。

参考文献：

[1] 清华大学《微带电路》编写组.微带电路 [M].北京：清华大学出版社，2017：103-104.

[2] [美]David M.Pozar.微波工程 [M].第三版.张肇仪，周乐柱，吴德明，等译.北京：电子工业出版社，2014：64-65+ 100+357-358.

[3] Silvester P，Benedek P. Correction to Microstrip Discontinuity Capacitances for Right-Angle Bends，T Junctions，and Crossings （Letters） [J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，1975，23（5）：456.

[4] DOUVILLE RJP，JAMES DS. Experimental Study of Symmetric Microstrip Bends and Their Compensation [J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，1978，26（3）：175-182.

[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，2009，36（5）：885-889.

[6] 王克伟，王均宏.微带线拐角传输及反射特性的研究 [J].微波学报，2006（3）：32-35.

[7] 陈鹏，曹沐昀.微带线不连续性补偿方法仿真研究 [J].电子科技，2013，26（3）：119-121.

[8] 陈慰，赵娜，陶学敏.微带线不连续性补偿方法的HFSS仿真分析 [J].现代电子技术，2011，34（13）：92-94.

[9] 毛剑波，黄正峰，杨明武，等.微带线不连续性辐射研究 [J].电子测量与仪器学报，2012，26（5）：392-397.

[10] 吉建華，孙雨耕，贾伟广.基于ADS的微带线不连续性分析与应用 [J].电讯技术，2013，53（11）：1527-1531.

[11] 梁昌洪，谢拥军，官伯然.简明微波 [M].北京：高等教育出版社，2006：172.

作者简介：杨程（1992-），男，汉族，安徽桐城人，射频工

程师，本科，研究方向：微波射频系统、物联网系统设计;李钦（1986-），男，汉族，广西南宁人，软件工程师，本科，研究方向：计算机软件，服务器运维、物联网系统设计。