matlab-design-pcb-txline

设计传输线

适用场景

• 设计微带线、带状线或 CPW 传输线以控制阻抗
• 对有或无干扰走线的差分对进行建模，以分析 NEXT/FEXT 串扰
• 分析 2D 横截面，快速提取单位长度 RLGC 参数
• 创建 SIW（基板集成波导）传输线
• 使用 design() 在给定频率下自动调整传输线尺寸，以达到目标阻抗

不适用场景

• 根据形状构建自定义 PCB 结构 — 使用 matlab-assemble-pcb-layout
• 设置基板或导体材料 — 使用 matlab-manage-pcb-material
• 设计完成后运行 S 参数或场分析 — 使用 matlab-analyze-em
• 将传输线与其他元件级联 — 使用 matlab-integrate-pcb-circuit

工具选择优先级

1. RF PCB Toolbox（默认）：microstripLine、pcb2D、stripLine、coplanarWaveguide 等

   • 2D 场求解器 — 对损耗、耦合和任意叠层结构的计算准确
   • 任何 RLGC、阻抗、横截面或传输线设计任务均使用此工具

2. RF Toolbox（仅作为后备）：txlineMicrostrip、txlineStripline、txlineCPW

   • 基于解析闭式解的近似，准确度较低
   • 仅在以下情况使用：用户明确指定这些函数，或表示 RF PCB Toolbox 不可用

典型工作流

1. 之前： matlab-manage-pcb-material — 设置基板和导体
2. 本技能： 设计并分析传输线
3. 检查网格/内存： memoryEstimate(obj, fc, 'RetainMesh', true) — 求解前检查自动生成的网格
4. 之后： matlab-analyze-em — 验证 S 参数 → matlab-optimize-pcb-design — 调优 → matlab-integrate-pcb-circuit — 级联

快速参考

对象	拓扑结构	关键属性
microstripLine	接地平面上的单根微带线	长度、宽度、高度、接地平面宽度
stripLine	嵌入介质中的信号线	长度、宽度、高度、接地平面宽度
coplanarWaveguide	基板上的 CPW	长度、宽度、高度、槽宽、接地平面宽度
coupledMicrostripLine	边缘耦合微带线对	长度、宽度、间距、高度
coupledStripLine	边缘耦合带状线对	长度、宽度、间距、高度
microstripLineCustom	自定义耦合/差分微带线	走线类型、走线宽度、走线间距、干扰走线
stripLineCustom	自定义耦合/差分带状线	走线类型、走线宽度、走线间距
pcbBendCustom	自定义弯折不连续结构（R2025a）	弯折形状、高度、接地平面宽度
pcb2D	2D 横截面分析	电路板宽度、电路板中心、层
SIWLine	基板集成波导	长度、宽度、过孔间距、过孔直径

微带线

基本创建与设计

ms = microstripLine;
show(ms);

% Design for target impedance at frequency
ms = design(microstripLine, 3e9);
Z0 = getZ0(ms);

属性

ms = microstripLine;
ms.Length = 20e-3;
ms.Width = 5e-3;
ms.Height = 1.6e-3;            % Substrate height
ms.GroundPlaneWidth = 30e-3;
ms.Substrate = dielectric("FR4");
ms.Conductor = metal("Copper");

分析

ms.Conductor = metal("Copper");       % Required for rlgc (finite conductivity)
Z0 = getZ0(ms);                       % Characteristic impedance (no frequency argument)
td = propagationDelay(ms, 3e9);       % Propagation delay (scalar frequency)
params = rlgc(ms, 3e9);              % RLGC per unit length (scalar frequency)

freq = linspace(1e9, 6e9, 51);
sp = sparameters(ms, freq, 'SweepOption', 'interp');  % S-parameters (frequency vector OK)
rfplot(sp);

倒置/悬空微带线

使用多层基板（含空气隙）对倒置或悬空结构进行建模：

% Inverted: air below trace, substrate above ground
ms = microstripLine;
ms.Substrate = dielectric(Name={"Air","FR4"}, EpsilonR=[1 4.4], ...
    LossTangent=[0 0.02], Thickness=[0.5e-3 1.6e-3]);
ms.Height = 0.5e-3 + 1.6e-3;

% Suspended: air / substrate / air
ms.Substrate = dielectric(Name={"Air","FR4","Air"}, EpsilonR=[1 4.4 1], ...
    LossTangent=[0 0.02 0], Thickness=[0.3e-3 0.8e-3 0.3e-3]);
ms.Height = sum([0.3e-3 0.8e-3 0.3e-3]);

带状线

带状线的信号走线嵌入在两个接地平面之间。

对称带状线

sl = stripLine;
sl.Length = 20e-3;
sl.Width = 3e-3;
sl.Height = 3.2e-3;            % Total dielectric height (top + bottom)
sl.GroundPlaneWidth = 30e-3;
sl.Substrate = dielectric("Teflon");
sl.Conductor = metal("Copper");
show(sl);

非对称带状线

使用上下厚度不同的多层介质。Height = 信号线下方各层的累计厚度（即层边界，而非总厚度）：

sl = stripLine;
sl.Substrate = dielectric(Name={"FR4","FR4"}, EpsilonR=[4.4 4.4], ...
    LossTangent=[0.02 0.02], Thickness=[0.8e-3 1.6e-3]);
sl.Height = 0.8e-3;    % Signal at the boundary between the two layers

悬空带状线

sl = stripLine;
sl.Substrate = dielectric(Name={"Air","FR4","Air"}, ...
    EpsilonR=[1 4.4 1], LossTangent=[0 0.02 0], ...
    Thickness=[0.5e-3 0.8e-3 0.5e-3]);
sl.Height = 0.5e-3;    % Signal at Air/FR4 boundary (0.5mm from ground)
sl = design(stripLine, 3e9);  % Or design for 50-ohm at target freq

共面波导

基本 CPW

cpw = coplanarWaveguide;
cpw.Length = 20e-3;
cpw.Width = 2e-3;          % Center conductor width
cpw.SlotWidth = 0.5e-3;    % Gap between center and ground
cpw.Height = 1.6e-3;
cpw.GroundPlaneWidth = 10e-3;
show(cpw);

设计与分析

cpw = design(coplanarWaveguide, 5e9);
Z0 = getZ0(cpw);
sp = sparameters(cpw, linspace(1e9, 10e9, 51), 'SweepOption', 'interp');
rfplot(sp);

耦合传输线

边缘耦合微带线

cms = coupledMicrostripLine;
cms.Length = 20e-3;
cms.Width = 2e-3;
cms.Spacing = 0.5e-3;      % Gap between traces
cms.Height = 1.6e-3;
cms.Substrate = dielectric("FR4");
show(cms);

偶模/奇模阻抗

freq = 3e9;
Zeven = getZEven(cms, freq);   % Even-mode impedance
Zodd = getZOdd(cms, freq);     % Odd-mode impedance
Zdiff = 2 * Zodd;             % Differential impedance

边缘耦合带状线

csl = coupledStripLine;
csl.Length = 20e-3;
csl.Width = 2e-3;
csl.Spacing = 0.3e-3;
csl.Height = 3.2e-3;
csl.Substrate = dielectric("Teflon");

多层耦合线

cms = coupledMicrostripLine;
sub = dielectric("FR4", "Teflon");
sub.Thickness = [1.0e-3 0.5e-3];       % Set Thickness BEFORE assigning to component
cms.Substrate = sub;
cms.Height = 1.5e-3;

自定义传输线与串扰分析

microstripLineCustom 和 stripLineCustom 可对差分对进行建模，并可选用干扰走线分析 NEXT/FEXT 串扰。

属性（microstripLineCustom；stripLineCustom 具有相同接口，默认使用 Teflon，嵌入在接地平面之间）

属性	默认值	描述
TraceType	'Single'	'Single' 或 'Differential'（不是 'Single-ended'）
TraceLength	0.05	走线长度（m）
TraceWidth	0.002	信号走线宽度（m）
TraceSpacing	0.002	差分对走线之间的间距（m）
Height	0.0016	基板高度（m）
GroundPlaneWidth	（只读）	接地平面宽度 — 自动计算，无法设置
LeftCoupledTraceGap	0	与左侧侵扰走线的间隙（m）；0 = 无左侧侵扰走线
RightCoupledTraceGap	0	与右侧侵扰走线的间隙（m）；0 = 无右侧侵扰走线
Substrate	FR4	介电材料对象
Conductor	PEC	金属对象

差分微带线

ms_diff = microstripLineCustom(TraceType='Differential', ...
    TraceWidth=0.002, TraceSpacing=0.0005);
show(ms_diff);

带侵扰走线的差分线

ms_diff = microstripLineCustom(TraceType='Differential', ...
    TraceWidth=0.002, TraceSpacing=0.0005, ...
    RightCoupledTraceGap=[0.003, 0.003], ...
    LeftCoupledTraceGap=0);
show(ms_diff);

NEXT/FEXT 提取

添加侵扰走线后，S 参数矩阵为 6 端口。端口映射如下：

端口	走线
1, 2	差分对（近端、远端）
3, 4	左侧侵扰走线（近端 = NEXT，远端 = FEXT）
5, 6	右侧侵扰走线（近端 = NEXT，远端 = FEXT）

ms = microstripLineCustom(TraceType='Differential', ...
    TraceWidth=0.002, TraceSpacing=0.0005, ...
    LeftCoupledTraceGap=0.003, RightCoupledTraceGap=0.003);
ms.Conductor = metal("Copper");

freq = linspace(0.1e9, 10e9, 101);
sp = sparameters(ms, freq, 'SweepOption', 'interp');

% Extract crosstalk from S-parameters
S31_dB = 20*log10(abs(squeeze(sp.Parameters(3,1,:))));  % Left NEXT
S41_dB = 20*log10(abs(squeeze(sp.Parameters(4,1,:))));  % Left FEXT
S51_dB = 20*log10(abs(squeeze(sp.Parameters(5,1,:))));  % Right NEXT
S61_dB = 20*log10(abs(squeeze(sp.Parameters(6,1,:))));  % Right FEXT

RLGC 耦合矩阵

对于耦合线/差分线，rlgc 返回 N×N 矩阵（非对角元素 = 互感/互容）：

ms = microstripLineCustom(TraceType='Differential', ...
    TraceWidth=0.002, TraceSpacing=0.0005, RightCoupledTraceGap=0.003);
ms.Conductor = metal("Copper");
params = rlgc(ms, 5e9);

自定义弯折和走线（R2025a）

pcbBendCustom 和 pcbTraceCustom 用于建模弯折不连续性和阶跃阻抗转换。有关属性和示例，请参阅 references/custom-bends-and-traces.md。

SIW 传输线

基板集成波导通过过孔围栏在 PCB 中构建波导。

siw = SIWLine;
siw.Length = 15.3e-3;
siw.Width = 7.4e-3;
siw.ViaSpacing = [1.2e-3 5e-3];   % [along-length, across-width]
siw.ViaDiameter = 0.51e-3;
siw.Height = 0.254e-3;
siw.Substrate = dielectric(Name="RO4003C", EpsilonR=3.38, LossTangent=0.0027, Thickness=0.254e-3);
siw.Conductor = metal("Copper");
show(siw);

sp = sparameters(siw, linspace(20e9, 40e9, 51), 'SweepOption', 'interp');
rfplot(sp);

SIW 具有 FeedLine 属性（一个 traceTapered 对象），用于微带线到 SIW 的转换。

2D 截面分析

pcb2D

创建 2D 截面模型，用于快速进行单位长度分析。对于均匀传输线特性分析，其速度远快于完整 3D sparameters。

p = pcb2D;
p = pcb2D(Name=Value);

主要属性：

• Name — 截面的描述性名称
• BoardWidth — 电路板总宽度（m）
• BoardCenter — 电路板截面的中心位置
• Layers — 用于定义叠层的 trace2D 和 dielectric 对象元胞数组

方法： show(p)、sparameters(p, freq)、rlgc(p, scalarFreq)、propagationDelay(p, scalarFreq)

trace2D

表示用于 pcb2D 对象 Layers 元胞数组中的走线截面。

t = trace2D;
t.Type = 'Signal';                                  % 'Signal' (default) or 'Ground'
t.Shape = shape.Rectangle(Length=0.3e-3, Width=35e-6);  % Length=trace width, Width=trace thickness
t.Conductor = metal("Copper");

主要属性： Type（'Signal'/'Ground'）、Shape（shape.Rectangle — Length = 走线宽度，Width = 金属厚度）、Conductor、TrapezoidalEtchAngle

构建 2D 模型 — 单条走线

sub = dielectric("FR4");
sub.Thickness = 0.2e-3;

sig = trace2D;
sig.Type = 'Signal';
sig.Shape = shape.Rectangle(Length=0.3e-3, Width=35e-6);
sig.Conductor = metal("Copper");

gnd = trace2D;
gnd.Type = 'Ground';
gnd.Shape = shape.Rectangle(Length=5e-3, Width=35e-6);

p = pcb2D(BoardWidth=5e-3, Layers={sig, sub, gnd});
show(p);
params = rlgc(p, 10e9);
fprintf('L = %.2f nH/m, C = %.2f pF/m\n', params.L*1e9, params.C*1e12);

构建 2D 模型 — 差分对（耦合走线）

同一金属层上的多条走线必须作为 trace2D 数组 [sig1, sig2] 传入，而不能放在单独的元胞中：

sub = dielectric("FR4");
sub.Thickness = 0.2e-3;

sig1 = trace2D;
sig1.Type = 'Signal';
sig1.Shape = shape.Rectangle(Length=0.15e-3, Width=35e-6);
sig1.Shape.Center = [-0.2e-3 0];
sig1.Conductor = metal("Copper");

sig2 = trace2D;
sig2.Type = 'Signal';
sig2.Shape = shape.Rectangle(Length=0.15e-3, Width=35e-6);
sig2.Shape.Center = [0.2e-3 0];
sig2.Conductor = metal("Copper");

gnd = trace2D;
gnd.Type = 'Ground';
gnd.Shape = shape.Rectangle(Length=5e-3, Width=35e-6);

p = pcb2D(BoardWidth=5e-3, Layers={[sig1, sig2], sub, gnd});
show(p);
params = rlgc(p, 10e9);  % Returns 2x2 L and C matrices for coupled pair

何时使用 pcb2D，何时使用 3D

场景	方法
均匀截面的阻抗/RLGC	pcb2D — 毫秒级
不连续结构（弯折、阶跃、支节）	3D sparameters — 分钟级
差分对耦合	使用 [sig1, sig2] 数组的 pcb2D

将 3D 元件切片为 2D

slice 从 pcbComponent 中提取 2D 截面（先转换目录对象）：

cms = design(coupledMicrostripLine, 3e9);
cms.Conductor = metal("Copper");
pcb2d = slice(pcbComponent(cms));
params = rlgc(pcb2d, 3e9);

用于阻抗目标设定的 design()

design 函数会根据目标频率（以及可选的目标阻抗）确定传输线尺寸：

ms = design(microstripLine, 3e9);           % Default 50-ohm at 3 GHz
sl = design(stripLine, 5e9);                % Default 50-ohm at 5 GHz
cpw = design(coplanarWaveguide, 10e9);      % Default 50-ohm at 10 GHz

调用 design 后，使用 getZ0 验证：

Z0 = getZ0(ms);   % Should be ~50 ohm

transmissionLineDesigner 应用

用于设计和分析传输线的交互式应用：

transmissionLineDesigner

选择线型，以交互方式设置尺寸/材料，分析阻抗/S 参数/RLGC，并将设计导出到工作区。

设计调整

问题	调整项	方向
Z0 过高	宽度	增大
Z0 过低	宽度	减小
损耗过大	导体厚度	增大
电长度不正确	长度	调整

注意事项

1. 对 S 参数使用插值扫描：始终使用 sparameters(obj, freq, 'SweepOption', 'interp') — 直接扫描会慢很多。

2. 求解前检查网格密度：在运行 sparameters() 之前，先运行 memoryEstimate(obj, fc, 'RetainMesh', true)。如果网格过密，则调粗网格：mesh(obj, 'MaxEdgeLength', lambda/6)。参见 matlab-analyze-em。

3. Height 的含义因拓扑结构而异：对于微带线，Height = 电介质厚度。对于具有多层基板的带状线，Height 必须等于累计层边界 — 它定义信号在叠层中的位置。

4. 宽度控制阻抗：走线越宽 → 阻抗越低。使用 design() 自动确定尺寸，然后根据需要手动调整。

5. 导体默认为 PEC：如果不指定 metal("Copper")，损耗将为零。务必设置 Conductor，以获得真实的插入损耗。

6. 倒置／悬空微带线的 Height 规则：对于倒置微带线，创建 Name={"Substrate","Air"} 的多层电介质，并将 Height 设置为空气层厚度。对于悬空微带线，Height = 空气厚度 + 基板厚度。

7. 多层带状线的 Height 是层边界，而非总厚度：Height 必须等于 Thickness 向量中的某个累计层边界。将 Height 设置为总厚度会导致错误："Expected Height must be among the substrate layers."

8. SIW 截止频率：SIW 存在截止频率，低于该频率时信号无法传播。应将宽度设计为使工作频率远高于截止频率。

9. getZ0 不接受频率参数：getZ0(obj) 会直接返回特性阻抗。不要传入频率参数。

10. rlgc 需要有限电导率：调用 rlgc 之前，请指定 metal("Copper")。默认的 PEC 会导致错误："Conductivity value must be finite with 2D field solver."

11. 多层 Name 必须使用元胞数组：使用 Name={"Air","FR4"}（元胞数组），而不是 Name=["Air","FR4"]（字符串数组）。

12. trace2D 使用 Shape，而非 Width/Thickness：设置 t.Shape = shape.Rectangle(Length=traceWidth, Width=metalThickness)。注意：shape.Rectangle.Length = 走线宽度，.Width = 金属厚度。pcb2D 至少需要一条 'Ground' 类型的走线。

13. pcb2D 的 rlgc 接受标量频率：rlgc(p, freq) 需要标量，而非向量。请循环调用，或仅在关注的频率处调用一次。

14. pcb2D trace2D 的 Center 仅表示 x 位置：trace2D.Shape.Center 控制水平位置。垂直位置由层叠顺序决定。设置 Center = [x_offset 0]。

15. 同层走线需要使用数组，而非分开的元胞：对于同一金属层上的耦合／差分走线，使用 Layers={[sig1, sig2], sub, gnd}。分开的元胞 {sig1, sig2, sub, gnd} 会将它们视为不同的金属层，并报错："dielectric layer must be between metal layers."

16. 串扰端口数量取决于干扰源配置：两个干扰源 → 6 端口；一个 → 4 端口；无 → 2 端口。RightCoupledTraceGap=Inf 会移除相应的干扰源。

17. TraceGap 表示边到边间距，而非中心到中心间距：它测量最近边缘之间的间距，而非走线中心之间的距离。

18. 使用 TraceWidth，不要使用 Width：microstripLineCustom 和 stripLineCustom 使用 TraceWidth。设置 Width 不会生效，且不会提示错误。

相关技能

• matlab-manage-pcb-material — 基板与导体设置
• matlab-analyze-em — S 参数提取与场分析
• matlab-integrate-pcb-circuit — Touchstone 导出、电路级联
• matlab-assemble-pcb-layout — 自定义走线几何形状

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