试验一理想微带传输线特性阻抗模拟.DOCVIP

實驗一 理想微帶傳輸線特性阻抗模擬 ㄧ、原理說明 一般常見的電子電路都是以集總模式(lumped mode)來描述電路的行為，主要的假設是電路的工作波長遠大於實際電路尺度的大小，在頻率很低時可以得到相當正確的近似。然而電路工作頻率變高時，也就是說工作波長與實際電路尺度大小差不多時，以集總模式來描述電路的行為其誤差相當大，因此必須以分散式模式(distributed mode )來考慮電路的行為，分散式模式的做法是將電路分成很小的片段，每一小片段可用電阻、電容及電感代表小片段的電路的行為，將每一小片段整合起來即為整個電路的行為。圖1.1為傳輸線的等效電路圖，根據此圖可列出電壓在x+(x與x處的電壓差方程式，配合 ? RLCG元件可得出公式(1-1)，同理可得出電流方程式(1-2)。 兩邊同時除以(x，可得公式(1-3)及(1-4) 兩邊對x微分，得公式(1-5)及(1-6) 將公式(1-4)及(1-6)代入公式(1-5)，得 以極座標向量(phasor notation)表示電壓電流 可得到頻率領域的表示式 式中之(為衰減常數(attenuation constant)而(為相位常數(phase constant)，而 傳輸線的特性阻抗，Zo，定義為 對於無損失之傳輸線R=G=0，所以(=j(=jw(LC)1/2，傳輸線的特性阻抗(characteristic impedance)及傳輸延遲時間(propagation delay) 參考圖1.2為具有負載端之傳輸線反射率 負載端的反射係數(reflection coefficience)，(L 沿著為 若負載端接上ZL的負載，則負載端的反射係數(L及傳輸線路的徑阻抗Z(x)為 輸入端的阻抗Zin為 對於無損失之傳輸線輸入端的阻抗Zin為傳輸線長度、訊號頻率、終端負載及傳輸線特性阻抗的函數。 對於圖1.3結構之微帶傳輸線(microstrip line)的特性阻抗及傳輸時間的近似值如下式，當0.1w/h2和1(r15下式較正確。 而圖1.4結構之條狀傳輸線(stripline)的特性阻抗及傳輸時間的近似值 二、ADS模擬步驟 1. 從Window XP 工具列中(開始(程式集(Advanced Design System 2005A(ADS Tools(LineCalc開啟視窗。 設定【Substrate Parameters】Er=4.45, H=0.7mm,T=0.05mm, 【Component Parameters】Freq=1GHz, 【Electrical】Zo=50Ohm, E_Eff=90deg (1/4波長) (按下【Synthesize】圖示，獲得【Physical】W=1.28mm, L=41.3mm，如下圖所示 三、微帶傳輸線特性阻抗製作與量測 假設要製作50(之微帶傳輸線特性阻抗，其步驟如下： 1. 首先印刷電路板的參數，以游標尺量印刷電路板的厚度參數，像印刷電路板的厚度(兩面銅箔蝕刻後量的厚度)及金屬銅箔的厚度(兩面板銅箔蝕刻前後各量一次厚度，然後金屬銅箔的厚度=[蝕刻前板厚 - 蝕刻後板厚] / 2)。 參照實驗二的步驟決定印刷電路板的介電係數(r=4.45(本範例使用之FR4-0.8mm印刷電路板的介電係數)。 將Zo=50(，h=0.7mm(本範例使用之FR4-0.8mm印刷電路板的厚度)及t=0.05mm(本範例使用之FR4-0.8mm印刷電路板金屬銅箔的厚度)代入下式計算線寬w約為1.24 mm。 除了用上面公式外，亦可以ADS軟體模擬50(線寬w，本範例使用50(線寬w為1.28mm。 然後以protel PCB軟體繪製TOP layer線寬為1.28 mm及長度3cm的一條佈線，Bottom layer為整面的接地面，如下所示： 將洗完之印刷電路板裁成適當大小，焊接上50(之SMA接頭，完成之實體圖如下圖所示。 在以時域反射儀( Agilent 54753A, TDR )測量其傳輸線的特性阻抗，如下圖為測量之接法。 ? ? ? ? ? ? ? ? 7. 從反射圖(如下圖為實測之波形)即可得知傳輸線的特性阻抗為51.5(。 圖 1.1 傳輸線的等效電路圖 圖1.2 具有終端負載的傳輸線 圖1.3 微帶傳輸線結構 圖1.4 條狀傳輸線結構 Top layer Bottom layer SMA接頭效應 51.5( 開路反射