微帶線與帶狀線——RF PCB 技術的骨幹

作者： Connor Paine

翻譯： AmiNext

傳輸線理論 (The Theory of Transmission Lines)

如果你在射頻（RF）產業待得夠久，肯定聽過工程師在討論 RF 印刷電路板（PCB）時，隨口拋出「微帶線 (Microstrip)」或「帶狀線 (Stripline)」這兩個詞。從高層次的視角來看，微帶線與帶狀線是 RF PCB 的骨幹，它們決定了 RF 訊號在電路中流動的路徑。

如果沒有這些幾何結構，RF 訊號將無法從 A 點傳輸到 B 點，訊號會嚴重失真——這意味著你的手機、汽車雷達和電視絕大部分功能都將失效。在我們探討這些結構是什麼、它們之間的差異，以及如何選擇之前，我們必須先討論幾個基礎概念：導波 (Guided Waves)、邊界條件 (Boundary Conditions) 和 模態 (Modes)。

在自由空間或均勻介質中，電磁波會擴散、填充空間，並遵循馬克士威方程組 (Maxwell’s equations) 的完整向量形式。這在描述自然界中的電磁波行為時很有用，但用來描述真實的 RF 硬體卻遠遠不足。

RF 硬體（如 PCB）不允許電磁波在空間中隨意漂浮。相反地，波是被「引導」的，更具體地說，是透過傳輸線來引導。當引入兩個導體時，電磁場就不再自由。金屬表面施加了「邊界條件」，將電磁場以特定的方式困住。此時，電磁波被迫沿著由導體幾何形狀定義的路徑前進。

另一方面，「模態 (Modes)」是滿足馬克士威方程組和該結構邊界條件的特定場型分佈。你可以將模態想像成電磁場在該結構中的「自然振動形狀」。

帶狀線結構 (Stripline Structures)

在帶狀線的幾何結構中，中心導體被介電質 (Dielectric) 全面包裹，上下兩側則被接地層 (Ground Planes) 夾擊。讓我們來看看一個對稱的帶狀線結構。

這種對稱的配置讓電場完全保持在介電質內部，並侷限在中心導體周圍的區域。由於訊號走線被埋在均勻的介電質中（在基本情況下），其導波傳播模態是純粹的橫電磁波 (Transverse Electromagnetic, TEM)。

這種純 TEM 傳播模態簡化了帶狀線的設計。由於電場被完全包覆，介質的介電常數 (Permittivity) 不會改變。諸如相速度 (Phase Velocity)、波數、導波波長、寬高比、特性阻抗、介電衰減和導體衰減等參數，皆是介電常數的函數。因為線路沒有暴露在任何其他介質中，所以不需要計算「有效介電常數 (Effective Permittivity)」。這點與微帶線截然不同。

微帶線結構 (Microstrip Structures)

在微帶線配置中，中心導體/走線位於介電質的「頂部」。這意味著電場同時暴露在空氣中與介電質內部——兩者並存。

這種雙重介質的暴露產生了準橫電磁波 (Quasi-TEM) 的傳播模態。其主模態非常接近 TEM 行為。這在設計較低微波頻率（大約 10GHz 以下）的電路時非常有用。如前所述，這種結構會產生一個「有效介電常數」，我們必須使用它來計算設計微帶線電路所需的所有參數。

帶狀線與微帶線的權衡 (Tradeoffs)

那麼，帶狀線與微帶線各自的優缺點是什麼？

帶狀線 (Stripline) 的優點：

帶狀線結構提供極佳的隔離度 (Isolation)。由於電磁場完全被限制在介電質內，輻射和串擾 (Crosstalk) 極小，非常適合高密度、高性能的佈線。得益於介電質的封裝，它的阻抗非常穩定，對設備所處的外部環境敏感度低，且從 DC 到毫米波 (mmWave) 的表現都相當可預測。在帶狀線中，線寬通常比微帶線更細，這使得它成為高密度電路的理想選擇。隨著頻率升高，它擁有更好的相位線性度、眼圖 (Eye Diagrams) 和 S 參數表現。從 EMI 合規的角度來看，它更容易通過輻射測試——這使其成為醫療和航太等高可靠性設計的首選。

帶狀線 (Stripline) 的缺點：

由於被介電質包覆，損耗角正切 (Loss Tangent) 在高頻時會主導訊號損耗。此外，由於 PCB 層數增加，製造成本通常高出許多。還有一個痛點：因為帶狀線埋在板子內部，一旦走線有問題，幾乎不可能維修 (Rework)。

在我擔任 RF 測試工程師期間，我們偶爾會遇到 RF 測試失敗的單元。我們會執行時域反射 (TDR) 測量來確認阻抗不連續點的位置。有些結果顯示在可重工的區域，但有些則直指內層的帶狀線。如果該類型的失效不被允許，整塊板子就只能報廢，必須從頭重新製造——這意味著客戶時程的延遲和公司營收的損失。

微帶線 (Microstrip) 的優點：

首先，層數較少——這意味著 PCB 的製造成本會便宜得多。由於線路暴露在空氣中（通常位於 PCB 的頂層或底層），這些電路非常容易進行重工與除錯。微帶線配置非常適合原型製作 (Prototyping) 和 RF 實驗室工作。

我最早的 RF 設計之一就是一個嵌入式饋電 (Inset-fed) 的微帶貼片天線。在製造電路板時，既簡單又便宜。微帶線的另一個好處是介電損耗較低。由於部分電場在空氣中傳播，有效介電常數低於基材的介電常數，從而導致略低的損耗。最後，微帶線幾何結構天生容易輻射——這對於天線饋電、耦合器 (Couplers) 和發射結構來說是優點。此外，它也更容易透過過孔 (Via) 轉換連接到連接器（如 SMA、邊緣發射連接器等）。

微帶線 (Microstrip) 的缺點：

微帶線會輻射——有時是在你不希望它輻射的時候。EMI 和串擾是真正的隱憂，且它非常容易受到外部雜訊和耦合的影響。由於電場延伸到空氣中，對阻抗的控制力較弱。隔離度也是一個問題，容易受鄰近線路干擾。色散 (Dispersion) 現象也會較早出現，頻率依賴的相速度變化會更早發生。此外，微帶線通常需要較寬的線寬，這在設計高密度互連 (HDI) 板時可能會是個問題。

簡而言之： 選擇微帶線還是帶狀線，完全取決於你的應用。這裡有一些經驗法則：

• 選擇微帶線： 如果你在做原型開發 (~6-10GHz)、設計天線/饋線/耦合器、預算有限、密度不高，且希望便於重工調試。

• 選擇帶狀線： 如果高隔離度是強制要求、需要高密度 RF 走線、高速訊號、嚴格的 EMI 控制，或是用於任務關鍵型 (Mission-critical) 應用。

帶狀線與微帶線的製造工藝 (Fabricating Stripline and Microstrip)

另一個常被忽視的重點是：如何在不產生粗糙結果的情況下製造這些結構？如果每條線都需要嚴格的阻抗控制公差，那麼線寬、間距和疊構 (Stackup) 高度都需要極其精確。一般來說，有四種 PCB 製造工藝決定（也限制）了這些幾何結構的精度：光刻 (Photolithography)、微縮限制 (Miniaturization limits)、蝕刻 (Etching) 和 層對位/疊構精度 (Layer registration/Stack accuracy)。

• 光刻 (Photolithography)： 透過將圖案掩膜轉移到塗有光阻劑的層上，定義了銅特徵的橫向精度。本質上，就是用光阻劑將「照片」印在材料上，鍍銅，然後移除光阻——留下的就是被印出的銅電路圖像。

  
  

• 微縮限制 (Miniaturization limits)： 這是一個製程能力問題。隨著特徵尺寸縮小，固定的製造公差佔電路幾何尺寸的比例就會變大。在低於某些尺寸時，良率、重複性和電氣一致性會迅速下降。例如，許多板廠對線寬有極限要求。如果你設計了 2 mil 的線寬，卻沒有調整疊構的其他部分來達成阻抗匹配，板廠很可能會拒絕報價 (No-bid)。或者，即使他們願意做，成本也會極高，因為客戶必須為低良率和工程時間買單。如果你對電路是否符合製造能力有疑問，強烈建議直接諮詢板廠。
  

• 蝕刻 (Etching)： 透過化學過程去除銅，作用於橫向和垂直方向。這會產生梯形側壁 (Tapered Sidewall) 和底切 (Undercut) 特徵，而非理想的矩形輪廓。為什麼要蝕刻？電路鍍銅後會有殘留物，蝕刻是用來清除這些殘留的，但代價就是這些不完美的幾何形狀。我強烈建議使用如 Altium Designer 等軟體，來精確考慮這些蝕刻效應對帶狀線/微帶線的影響。
  

• 層對位與疊構精度 (Layer registration and stack accuracy)： 描述了在層壓和製造過程中，各個層對齊的精確度。對位偏差和介電厚度的變化會在整個疊構中累積，引入系統性的尺寸和對稱誤差，進而影響整體電路性能。如前所述，務必諮詢製造商以了解對位和疊構風險。他們會告知預浸材 (Prepreg) 在層壓後會收縮多少，並提供替代材料以達到預期的電路響應。

結論 (Conclusion)

微帶線和帶狀線是 RF PCB 中最常見的傳輸線，也是全球數十億人每分每秒都在使用的 RF 技術基石。

這一切歸結於電磁波如何在傳輸線中傳播——是完全封裝在介電介質中，還是部分封裝並暴露於空氣中。取決於主導的傳播模態（TEM 或 Quasi-TEM），設計參數將會改變，進而影響你選擇哪種幾何結構的決策。

就像生活中的許多事情一樣，這充滿了權衡 (Trade-offs)。歸根結底，這些結構的實現離不開精確控制的製造工藝，如光刻、微縮限制、蝕刻和層對位精度。在投入設計帶狀線或微帶線結構之前，請永遠問自己這個問題：「這個設計的最終目標是什麼？製造商能否生產出來？」

一旦你想清楚了這點，剩下的問題就會迎刃而解。

關於作者 

Connor Paine 是一位專精於射頻（RF）系統、測量與應用電磁學的電機工程師，他擁有西新英格蘭大學電機工程學士學位，致力於填補電磁波理論與實際 RF 系統設計之間的鴻溝，將艱澀的物理轉化為工程實戰直覺。

延伸閱讀推薦： 喜歡這篇專欄文章嗎？透過 Connor 的著作 《Understanding RF: From Theory to Practice》 深入掌握更多細節。

這本書拒絕死背公式，而是帶領讀者從第一性原理 (First Principles) 出發——從馬克士威方程組一路貫通至阻抗匹配與 S 參數測量，是工程師重塑物理直覺的必備指南。

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