我曾寫過一篇電長度(Electrical length)與物理長度的意義,裡面提到電磁波於真空與波導中的波長是不同的,不可直接用光速/頻率來計算波長與電長度。
由於每種波導的波長計算方式都不太一樣,加上現在模擬軟體都很方便,所以我只說明最常見的微帶線(Microstrip)波長與電長度計算方式,根據參考資料[1],光速與電磁波在微帶線裡的相速度關係如下
其中c是光速,vp是相速度,,εeff則是有效介電常數,因為微帶線位於空氣與介電質(基板)之間,所以轉換為相當於被包裹在一個介電常數為εeff的材料中,以利計算。εeff的近似公式可由資料[1]得知
h是板厚,w是微帶線寬度,εr是電路板介電質的介電常數,最常見的FR4大約為4.3
將光速與相速度除以頻率,可得參考資料[2][3][4]所寫的波導波長與真空電磁波之波長的關係式
λg是電磁波在微帶線的波長,λ0是真空中的波長
最後設L為物理長度,E為電長度,f為頻率,整理以上算式可得出微帶線物理長度與電長度的關係式
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example:
設頻率1 GHz,板厚1.6 mm,線寬0.5 mm,光速299792458 m/s,εr = 4.3,求微帶線1λg的物理長度。
光速除以頻率可得λ0 = 0.2998 m
利用上述公式可算出εeff = 2.9129,由此可算出λg = 175.7 mm
我利用ADS的LineCalc模擬結果為174.749 mm,由此可知這個公式可以算是很準確
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參考資料
[1] David M. Pozar. 《微波工程》. ISBN 9789863780809
[2]陳彥甫 . 使用二個U型耦合步階式阻抗平行三線式多頻帶通濾波器之設計