微帶線拐角是微帶線不連續結構之一，一些有經驗的工程師甚至某些大型通信公司的工藝規范用所謂的經驗告訴你：使用“3W規則”進行微帶線拐角，以減小不連續帶來的反射。然而，大家可曾反問過“3W規則”是真的嗎？為什么是3W呢？

本文針對微帶線拐角進行了詳細仿真，證明了廣為流傳的“3W規則”并非性能最優的處理方式。同時，我們通過仿真優化，提供了其他的方案以供性能指標要求高的場合參考使用。

什么是微帶不連續？

微帶線作為一種最常見的平面傳輸線，自上世紀60年代以來已廣泛應用在射頻電路中。圖1表示了微帶線結構示意圖。其中W表示微帶線寬度，t表示微帶線厚度，h表示微帶線到參考地之間的介質厚度，εr表示介質的介電常數。

圖1 微帶線結構示意圖

實際電路布線時,由于印刷板大小的限制,常需要做彎折走線處理,即在PCB中會出現微帶線拐角,它屬于典型的微帶線不連續結構之一[1]。文獻[1]給出了微帶線直角折彎的等效模型，如圖2所示，詳細的等效推導請查閱文獻[1]。由于微帶電路尺寸與工作波長可以相比擬,所以這種不連續性會引入寄生電抗,從而引起相位和振幅誤差、輸入與輸出的失配,以及可能存在的寄生耦合,進而導致電路性能的惡化,影響PCB電路信號的傳輸特性。

圖2 微帶線直角折彎示意圖及等效模型

以2.4G頻段為例，低成本設計中常使用普通FR4板材，并貼裝0402封裝的電容或電感進行阻抗匹配，為減小實際使用中微帶線與元器件焊接的不連續，微帶線線寬盡量接近0.5mm（0402封裝寬度）。使用AWR公司的TXline軟件計算特性阻抗為50Ω傳輸線的結構參數，依此為初始值，再使用Ansoft HFSS軟件對直線進行仿真，尋找出反射最小時的結構參數，最終計算參數為：

t=0.035mm（1oz銅厚）

h=0.275mm（≈10mil）

εr=4.4，W=0.484mm

仿真結果如圖3所示，當W=0.484mm時，反射系數S11=-43.26dB，圖中兩條曲線分別表示理論線寬與優化后的線寬反射系數S11，左上角標注了2.4G頻段的反射系數讀數，右上角顯示了HFSS仿真模型。相對于理論計算結果W=0.5mm，仿真結果表明經HFSS仿真優化后，S11減小了約13dB。

圖3 微帶線直線仿真結果

使用以上參數對直角折彎進行了仿真，仿真結果如圖4所示，明顯看出，微帶線直角折彎比直線的反射增大了約14dB，達到了-29.82dB。

注：為排除線長影響，本文所有仿真模型中，微帶線總長度相等（50mm）。

圖4 直角折彎仿真結果

你要的“3W規則”

為了減小微帶線反射，可能會有很多工程師告訴你：遵循3W規則。

3W規則是什么呢？3W規則表示使用半徑大于3倍線寬W的圓弧進行拐彎，能使得轉彎處線寬變化較小，從而減小不連續性，在微帶線上稱之為“掃掠彎頭”，如圖5所示。

圖5 掃掠彎頭示意圖

對該結構進行電磁仿真，仿真結果如圖6所示。當掃掠彎頭半徑R=3W時，S11=-34.6dB，當R=4W時，S11反而增加，直到R=11W時，掃掠彎頭的S11才能降到很低，達到-40.03dB。此時就可以解釋文章開篇提出的疑惑之一：為什么是3W？是因為R=3W時，S11值已經能滿足多數使用要求，如果再增加R（比如R=4W），性能反而稍差，直到R增加到很大才能使得性能指標接近于直線，但此時將占用很大的PCB空間，這在集成度越來越高的PCB布局中是不能接受的。

圖6 掃掠彎頭仿真優化結果

不妨試試直角彎曲45°外斜切

文獻[2]提供了其他幾種微帶不連續性補償的幾種方案，文獻[3]、[4]、[5]以實驗方法和數值方法詳細分析了不同結構的微帶線直角彎曲的信號傳輸特性, 對微帶線進行切角處理可以減小拐角處的等效電容,從而補償微帶線直角彎曲的不連續性效應,理論上這種方法可應用于任意張角的拐角。文獻中指出微帶線直角彎曲45°外斜切結構形式能夠很好地改善信號傳輸特性且存在最佳斜切率。

直角彎曲45°外斜切結構形式如圖7所示，圖（a）中d 表示微帶線直角彎曲內拐角至外拐角的距離，x 表示45°外斜切處至外拐角的距離，并定義外斜切率：m=（x/d）×100 ，當m=0 時意味著微帶線直角彎曲外拐角沒有被切割，而m=100 時意味著微帶線直角彎曲外拐角被完全切割，把微帶線從彎曲處分成了兩部分。

圖7 直角彎曲45°外斜切示意圖

本文對此種方案也進行了仿真，仿真結果如圖8。當斜切率=80時，S11=-41.492dB，反射最小，說明本方案經過優化能得到比“3W規則”更好的性能。對比文獻[3]、[4]、[5]中的經驗公式，仿真結果與之存在一定偏差，仍然需要經過實際調試才能得到最佳性能。

圖8 直角彎曲45°外斜切仿真優化結果

文章開篇提出的另一個疑惑此時也迎刃而解：為什么選用3W規則？通過以上仿真分析和大量文獻顯示，“直角彎曲45°外斜切”法能獲得更有優的性能，但是需要仿真結合實際調試才能達到期望的效果，過程相對較為繁雜耗時。對性能要求不高的場合，多數人會選擇“3W規則”，加快項目進度。畢竟，時間就是金錢。

用反射抵消反射

微帶線不連續導致信號反射大，“3W規則”和“直角彎曲45°外斜切”兩種方案作為補償措施，并沒有完全達到直線的性能。我們對技術的探索、對細節的深究是不是就只能到此為止了呢？

矛盾總是有兩面性的，我們是否可以利用矛盾抵消矛盾，利用反射抵消反射呢？于是，我們從傳輸線多次反射的觀點[7]出發，提出一種拐角結構，通過兩次轉折，產生兩次反射，期望能夠利用反射抵消反射。結構如圖9所示，該結構且由小編命名為“雙轉折”，其中Γ1是第一處轉折的反射系數，Γ2是第二處轉折的反射系數，θ是兩處轉折之間的傳輸線相位，為了作圖方便，在仿真中以長度L代替，W是線寬，除了轉折處，微帶線其他各處寬度均為W，并與以上仿真中的W值（0.484mm）保持一致。

圖9 雙轉折結構示意圖

通過仿真調試優化，當L=10mm時，S11=-42.6dB，達到最小，幾乎等同于直線時的性能。比“3W規則”提高了約8dB，比“直角彎曲45°外斜切”法提高了約2dB。仿真結果如圖10所示，性能對比表見表1。

圖10 雙轉折仿真優化結果

表1 微帶線拐彎方案性能對比表

利用反射抵消反射的方法進行的設計案例還有很多，例如階躍阻抗濾波器和波導法蘭盤[2]。

好了，最后我們來總結一下

微帶線不連續性的解決方案中，“3W規則”雖然不是性能最優的方案，但在實際應用中，由于其不需要進行詳細仿真與調試優化，節約了開發時間，因此，在對性能要求并非特別嚴格的場合，依然是最便捷的選擇。“直角彎曲45°外斜切”不僅能得到十分優良的性能，而且能節約PCB空間，在有條件進行仿真并實際調試的情況下，推薦使用此種方案。“雙轉折”方案，雖然能得到與直線相媲美的性能，但由于其仿真調試難度大，且占用空間，并不是十分推薦。

審核編輯：湯梓紅