2. 微带线插入损耗随频率变化的仿真分析

案例目标与物理背景

本案例对一条固定几何尺寸的微带线进行宽频带扫频，提取 S21 幅度曲线（即插入损耗），并区分介质损耗与导体损耗随频率的变化趋势。微带线的总插入损耗可近似分解为三部分：

• 导体损耗：由导带与接地板的有限电导率引起，随频率升高按 √f 增长（趋肤深度 δ ∝ 1/√f，表面电阻 Rs ∝ √f）。
• 介质损耗：由基板材料的损耗角正切 tanδ 引起，近似与频率 f 成正比（α_d ∝ f·tanδ·√εr）。
• 辐射损耗：在低频段通常可忽略，高频段才逐渐显现。

因此，在双对数坐标下，导体损耗曲线斜率约为 0.5，介质损耗曲线斜率约为 1.0，总损耗曲线在低频段由导体损耗主导，高频段由介质损耗主导，两条分量的交点即为损耗主导机制的转换频率。

仿真模型与参数设置

采用与例1相同的 50Ω 微带线几何，基板为 Rogers RO4003C（εr=3.55，tanδ=0.0027，厚度 h=0.813mm），导带宽度 W=1.8mm，线长 L=30mm，铜导体电导率 σ=5.8×10⁷ S/m，导体厚度 t=35μm。端口采用波端口（Wave Port），参考阻抗 50Ω。

HFSS 操作要点

1. 在 Analysis → Setup 中新建求解设置，Solution Type 选 Driven Modal，Frequency 设为 5GHz（中心频率），Maximum Number of Passes 设为 20，Maximum Delta S 设为 0.01。
2. 在 Analysis → Setup → Add Frequency Sweep 中添加扫频：Type 选 Interpolating 或 Fast，Range 设为 0.1–10GHz，Points 设为 201。
3. 求解完成后，在 Results → Create Modal Solution Data Report → Rectangular Plot 中，Category 选 S Parameter，Quantity 选 S(2,1)，Function 选 dB，即可得到插入损耗曲线。
4. 为分离介质损耗与导体损耗，可分别设置两组材料参数：一组 tanδ=0（仅导体损耗），一组 σ 极大（仅介质损耗），分别求解后对比。

损耗分量分离与趋势判读

下图展示了微带线插入损耗随频率变化的典型趋势，以及导体损耗、介质损耗两条分量的相对关系。图中横轴为频率（对数刻度），纵轴为插入损耗（dB）。

结果判读与验证

从曲线可以读出以下关键信息：

• 低频段（0.1–1GHz）：总损耗约 0.1–0.3dB，导体损耗略大于介质损耗，两者数值接近。
• 转换点（约 2GHz）：导体损耗与介质损耗曲线相交，此后介质损耗增长更快，逐渐成为主导。
• 高频段（5–10GHz）：总损耗约 1.0–2.2dB，介质损耗贡献超过 60%。

验证方法：将仿真得到的 S21(dB) 与理论公式对比。微带线总衰减常数 α ≈ α_c + α_d，其中 α_c 可由 Hammerstad 公式估算，α_d = (π·f·tanδ·√εeff)/c（单位 Np/m）。若仿真曲线在双对数坐标下低频段斜率接近 0.5、高频段斜率接近 1.0，则说明损耗机理与理论一致。

可复用检查清单