微带线、带状线、共面波导的介绍与对比

在微波与射频电路领域，传输线的设计与选择直接影响系统性能。微带线（Microstrip）、带状线（Stripline）和共面波导（Coplanar Waveguide, CPW）作为三种典型的平面传输线结构，凭借其可集成性和低成本优势，在各类射频系统中应用广泛。以下将从结构特点、传输特性、性能差异及应用场景等方面对三者进行全面解析。

一、微带线（Microstrip）

1. 结构与发展

微带线起源于 20 世纪 50 年代，由 D.D. Grieg 和 H.F. Engelmann 在巴雷特带状线基础上改进而来。其基本结构为：介质基片（如 FR4、罗杰斯材料）上铺设金属带（信号导体），基片另一侧为完整接地平面。这种 “单面板” 设计使其成为最早实现平面集成的传输线之一。

2. 传输特性

模式特点：工作在准 TEM（Quasi-TEM）模式，因介质与空气的边界效应，电场和磁场存在纵向分量，导致频率相关的色散特性。

关键参数：

有效介电常数（ε_eff）：综合空气和介质的影响，公式为

其中 h 为基片厚度，W 为线宽。

特性阻抗（Z₀）：当

 ；

损耗机制：包含导体损耗（铜箔电阻与趋肤效应）、介质损耗（基片 tanδ）和辐射损耗（开放结构导致边缘场辐射）。

3. 优缺点

优势：工艺简单、成本低，便于集成有源器件，适合高频电路小型化设计。

不足：辐射损耗随频率和基片厚度增加而增大，需通过金属屏蔽或高介电常数基片（如 ε_r >5）抑制。

二、带状线（Stripline）

1. 结构与原理

带状线由巴雷特在 20 世纪 50 年代提出，采用三层对称结构：中心导体带被夹在上下两层接地平面之间，整个区域填充单一介质（空气或 dielectric）。这种 “三明治” 设计使其成为同轴电缆的平面化变体。

2. 传输特性

模式特点：理想 TEM 模式，电场和磁场完全垂直于传播方向，无截止频率，非色散特性。

关键参数：

特性阻抗（Z₀）：近似公式为 

其中 We 为有效线宽，(We/W>0.35) 时取 (We=W)。

传播延迟：

仅与介质介电常数相关。

损耗机制：主要为导体损耗（铜箔电阻）和介质损耗，无辐射损耗（场完全约束在接地平面内）。

3. 优缺点

优势：电磁兼容性好，辐射极低，适合高速数字电路和高隔离度射频系统。

不足：三层结构增加工艺复杂度，阻抗对介质厚度公差敏感，不适合超高频段（毫米波）小型化。

三、共面波导（CPW）

1. 结构与创新

CPW 由 Cheng P. Wen 于 1969 年发明，特点是信号导体与两侧接地平面位于同一层，中间以窄缝隔离。这种 “同层三导体” 结构打破了微带线和带状线的分层限制，为平面集成开辟新路径。

2. 传输特性

模式特点：准 TEM 模式，磁场呈椭圆极化，高阶模式抑制能力优于微带线。

关键参数：

有效介电常数（ε_eff）：约为介质介电常数的平均值，色散特性弱，公式为

特性阻抗（Z₀）：由中心带宽度 W 和缝隙宽度 s 决定，阻抗范围宽（20Ω-250Ω），适合高阻抗设计。

损耗机制：导体损耗（边缘电流密度高）、介质损耗，辐射损耗低于微带线（场集中于介质）。

3. 优缺点

优势：同层接地便于跨层互联，适合毫米波电路和三维集成，串扰低（接地平面隔离相邻线）。

不足：缝隙工艺精度要求高，导体粗糙度对损耗影响显著，需通过金属化过孔（Via）抑制寄生槽线模式。

四、三大传输线性能对比表

五、应用场景与选型建议

1. 微带线：低成本与集成的平衡

适用场景：消费电子（WiFi、蓝牙模块）、业余无线电设备、低频段（<10GHz）射频电路。

选型要点：选择高 εr 基片降低辐射，控制基片厚度 h<λ/10 以减少边缘场效应。

2. 带状线：高隔离与低损耗的首选

适用场景：军事通信设备、医疗设备（需电磁兼容）、多层 PCB 中的高速差分走线。

选型要点：优先采用空气介质或低损耗 dielectric（tanδ<0.001），通过金属化过孔抑制平行板模式。

3. 共面波导：高频与三维集成的突破

适用场景：5G 毫米波天线、射频 MEMS 开关、片上系统（SoC）射频前端。

选型要点：采用窄缝（s<10μm）和高电导率金属（如银），配合接地过孔阵列（间距 <λ/8）抑制寄生模式。