專欄文章

射頻系統內的主被動元件會以平面傳輸線進行訊號連接，傳輸線在設計上除了考量特性阻抗與傳輸損耗外，亦需留意在運作頻段下是否會誘發高階模態，而影響傳遞效能，本專欄將說明不同傳輸線結構之應用與傳輸模態介紹。

一般射頻傳輸線可分為兩大類: 一、平面式傳輸線(Planar Transmission Line)，包括帶線(Strip Line)、微帶線(Micro-strip Line)、槽線(Slot Line)與共平面波導(Co-planar Waveguide)等結構。這類的傳輸線結構具有低姿態與低製作成本優勢，且可以透過標準化印刷電路板製程來實現，並容易整合主被動元件形成高度集總化之射頻前端模組。二、非平面式傳輸線結構，如波導結構、同軸線等，此類傳輸線具低損耗特性，一般能承受較大的功率承載，但此類結構也相對笨重且昂貴。本專欄(上)將進一步針對常見的傳輸線結構微帶線之設計參數與傳輸模態簡述，並於專欄(下)探討同軸傳輸結構之相關特性。

平面式微帶傳輸線有幾項結構組成，包括一介質基板，其基板上方有一訊號線，下方有一金屬面所構成，可參照圖一所示。微帶線電場場線從訊號線到地端分佈，而磁場則環繞訊號線分佈，特別是電場場線同時分佈於空氣與介質中，因此，在縱向上仍有不同大小的電場分量形成，造成微帶線的電磁場傳輸為近似TEM(Quasi-Transverse Electromagnetic)模態。相形之下，帶線傳輸線結構由於訊號線在介質內部，因此，場線的分佈較為對稱，屬於TEM傳輸模態，但由於訊號線完整被介質包覆，因此，傳輸速度比微帶線慢。

圖一、微帶線電磁場分佈與高階模態誘發頻率計算

一般微帶傳輸線在訊號傳輸上需操作在主模頻率，倘若操作頻率持續增加，會因此誘發高階模態(High-order Mode)與表面波模態(Surface Wave Mode)。從公式中能評估第一個高階模態截止頻率(f_c)與表面波模態產生頻率(f_s)，因此，在設計上需要避免超過f_c與f_s頻率上運作。因超過此頻率操作其傳輸線的Quasi-TEM模態有機會與表面波模態互相耦合，造成訊號傳遞上同時有兩個模態進行傳輸而影響效能。從公式中也可以發現f_c與f_s會與板材介電係數、板厚以及微帶線線寬有關，然而在縮小線寬的同時仍需考量傳輸線特徵阻抗與製程加工精準度是否能滿足。如圖二所示，目前在網路上也能搜尋到不同的傳輸線結構之設計軟體工具，可以藉此計算傳輸線阻抗、線寬與損耗等參數，透過這些小工具可以快速進行設計評估。

圖二、AWR公司發展傳輸線設計參數之工具軟體

參考資料：

[1] David.M.Pozar, “Microwave Engineering”, 4ed, Wiley, 2012.

[2] J.-S. Hong and M. J. Lancaster, “Microstrip Filters for RF/Microwave Applications”, 2001.

[3] https://www.awr.com/awr-software/options/tx-line

[4] https://www.microwaves101.com/calculators