微波電路及其PCB設計

微波電路及其PCB設計

?? 一．關于CAD輔助設計軟件與網(wǎng)絡分析儀

??? 對于高頻電路設計，當前已經(jīng)有了很好的CAD類軟件，其強大的功能足以克服人們在設計經(jīng)驗方面的不足及繁瑣的參數(shù)檢索與計算，再配合功能強大的網(wǎng)絡分析儀，按理應該是稍具經(jīng)驗者便能完成質(zhì)量較好的射頻部件。但是，實際中卻不是這回事。

??? CAD設計軟件依靠的是強大的庫函數(shù)，包含了世界上絕大部分無線電器件生產(chǎn)商提供的元器件參數(shù)與基本性能指標。不少射頻工程師錯誤地認為：只要利用該工具軟件進行設計，就不會有多大問題。但實際結果卻總是與愿望相反，原因是他們在錯誤認識下放棄高頻電路設計基本概念的靈活應用及基本設計原則的應用經(jīng)驗積累，結果在軟件工具的應用中常犯下基本應用錯誤。射頻電路設計CAD軟件屬于透明可視化軟件，利用其各類高頻基本組態(tài)模型庫來完成對實際電路工作狀態(tài)的模擬。至此，我們已經(jīng)可以明白其中的關鍵環(huán)節(jié)棗高頻基本組態(tài)模型有兩類，一類屬于集中參數(shù)形態(tài)之元器件模型，另一類屬于常規(guī)設計中的局部功能模型。于是存在如下方面問題：
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??? （1）元器件模型與CAD軟件長期互動發(fā)展，日趨完善，實際中可以基本相信模型的*真度。但元器件模型所考慮的應用環(huán)境（尤其是元器件應用的電環(huán)境）均為典型值。多數(shù)情況下，必須利用經(jīng)驗確定系列應用參數(shù)，否則其實際結果有時甚至比不借助CAD軟件的設計結果相差更遠。
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??? （2）CAD軟件中建立的常規(guī)高頻基本組態(tài)模型，通常限于目前應用條件下可預知的方面，而且只能局限于基本功能模型（否則產(chǎn)品研發(fā)無須用人，僅靠CAD一手包辦而誕生各類產(chǎn)品）。

??? （3）特別值得注意的是：典型功能模型的建立，是以典型方式應用元器件并以典型完善的工藝方式構造（包括PCB構造）下完成的，其性能也達到“典型”的較高水平。但在實際中，就是完全模仿，也與模型狀態(tài)相差甚遠。原因是：盡管選用的元器件及其參數(shù)一致，但它們的組合電環(huán)境卻無法一致。在低頻電路或數(shù)字電路中，這種相差毫厘的情況妨礙不大，但在射頻電路中，往往發(fā)生致命的錯誤。
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??? （4）在利用CAD軟件進行設計中，軟件的容錯設計并不理睬是否發(fā)生與實際情況相違背的錯誤參數(shù)設置，于是，按照其軟件運行路徑給出一理想的結果，實際中卻是問題百出的結果?？梢灾榔潢P鍵錯誤環(huán)節(jié)在于沒有利用射頻電路設計的基本原則去正確應用CAD軟件。
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??? （5）CAD軟件僅僅屬于設計輔助工具，利用其具備的實時模擬功能、強大的元器件模型庫及其函數(shù)生成功能、典型應用模型庫等等方面來簡化人們的繁瑣設計與計算工作，到目前為為止，尚遠遠無法在具體設計方面代替人工智能。
CAD軟件在射頻PCB輔助設計中所體現(xiàn)的強大功能是該軟件大受歡迎的一個重要方面。但實際中，許多射頻工程師會經(jīng)?！霸馄浒邓恪?。導致原因仍然是其對參數(shù)設置的容錯特性。往往利用其仿真功能得出一理想的模型（包括各個功能環(huán)節(jié)），一到實際調(diào)試中才發(fā)現(xiàn)：還不如利用自己的經(jīng)驗來設計。
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??? 所以，CAD軟件在PCB設計中，仍然僅僅有利于擁有基本的射頻設計經(jīng)驗與技巧的工程師，幫助他們從事繁瑣的過程設計（非基本原則設計）。

??? 網(wǎng)絡分析儀分為標量和矢量兩種，是射頻電路設計必不可少的儀器。通常的做法是：結合基本的射頻電路設計理念和原則完成電路及PCB設計（或利用CAD軟件完成），按要求完成PCB的樣品加工并裝配樣機，然后利用網(wǎng)絡分析儀對各個環(huán)節(jié)的設計逐個進行網(wǎng)路分析，才有可能使電路達到最佳狀態(tài)。但如此工作的代價是以至少3~5版的PCB實際制作，而若沒有基本的PCB設計原則與基礎理念，所需要的PCB版本將更多（或者無法完成設計）。

??? 由上述可見：
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??? （1）在利用網(wǎng)絡分析儀對射頻電路進行分析過程中，必須具有完備的高頻電路PCB設計理念和原則，必須能通過分析結果而明確知道PCB的設計缺陷棗僅此一項就要求相關工程師具備相當?shù)慕?jīng)驗。
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??? （2）對樣機網(wǎng)路環(huán)節(jié)進行分析過程中，必須依靠熟練的實驗經(jīng)驗和技巧來構造局部功能網(wǎng)絡。因為很多時候，通過網(wǎng)絡分析儀所發(fā)現(xiàn)的電路缺陷，會同時存在多方面的導致因素，于是必須利用構造局部功能網(wǎng)路來加以分析，徹查導致原因。這種實驗性電路構造必須借助清晰的高頻電路設計經(jīng)驗與熟練的電路PCB構造原則。

??? 二．本文的針對范疇

??? 本文主要針對通訊產(chǎn)品的一個前沿范疇棗微波級高頻電路及其PCB設計方面的理念及其設計原則。之所以選擇微波級高頻電路之PCB設計原則，是因為該方面原則具有廣泛的指導意義且屬當前的高科技熱門應用技術。從微波電路PCB設計理念過渡到高速無線網(wǎng)絡（包括各類接入網(wǎng)）工程，也是一脈相通的，因為它們基于同一基本原理棗雙傳輸線理論。

??? 有經(jīng)驗的射頻工程師設計的數(shù)字電路或相對較低頻率電路PCB，一次成功率是非常高的，因為他們的設計理念是以“分布”參數(shù)為核心，而分布參數(shù)概念在較低頻率電路（包括數(shù)字電路中）中的破壞作用，常為人們所忽略。
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??? 長期以來，許多同行完成的電子產(chǎn)品（主要針對通訊產(chǎn)品）設計，往往問題重重。一方面固然與電原理設計（包括冗余設計、可靠性設計等方面）的必要環(huán)節(jié)缺乏有關，但更重要的，是許多這類問題在人們認為已經(jīng)考慮了各項必要環(huán)節(jié)下而發(fā)生的。針對這些問題，他們往往將精力花在對程序、電原理、參數(shù)冗余等方面的核查上，卻極少將精力花在對PCB設計的審核方面，而往往正是由于PCB設計缺陷，導致大量的產(chǎn)品性能問題。
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??? PCB設計原則涉及到許多方方面面，包括各項基本原則、抗干擾、電磁兼容、安全防護，等等。對于這些方面，特別在高頻電路（尤其在微波級高頻電路）方面，相關理念的缺乏，往往導致整個研發(fā)項目的失敗。許多人還停留在“將電原理用導體連接起來發(fā)揮預定作用”基礎上，甚至認為“PCB設計屬于結構、工藝和提高生產(chǎn)效率等方面的考慮范疇”。許多專業(yè)射頻工程師也沒有充分認識到該環(huán)節(jié)在射頻設計中，應是整個設計工作的特別重點，而錯誤地將精力花費在選擇高性能的元器件，結果是成本大幅上升，性能的提高卻微乎其微。
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??? 應特別在此提出的是，數(shù)字電路依靠其強的抗干擾、檢糾錯以及可任意構造各個智能環(huán)節(jié)來確保電路的正常功能。一個普通的數(shù)字應用電路而高附加地配置各類“確保正?！钡沫h(huán)節(jié)，顯然屬于沒有產(chǎn)品概念的舉措。但往往在認為“不值得”的環(huán)節(jié)，卻導致產(chǎn)品的系列問題。原因是這類在產(chǎn)品工程角度看不值得構造可靠性保證的功能環(huán)節(jié)，應該建立在數(shù)字電路本身的工作機理上，只是在電路設計（包括PCB設計）中的錯誤構造，導致電路處于一種不穩(wěn)定狀態(tài)。這種不穩(wěn)定狀態(tài)的導致，與高頻電路的類似問題屬于同一概念下的基本應用。

??? 在數(shù)字電路中，有三個方面值得認真對待：
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??? （1）數(shù)字信號本身屬于廣譜信號。根據(jù)傅里葉函數(shù)結果，其包含的高頻成份非常豐富，所以數(shù)字IC在設計中，均充分考慮了數(shù)字信號的高頻分量。但除了數(shù)字IC外，各功能環(huán)節(jié)內(nèi)部及之間的信號過渡區(qū)域，若任意而為，將會導致系列問題。尤其在數(shù)字與模擬和高頻電路混合應用的電路場合。
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??? （2）數(shù)字電路應用中的各類可靠性設計，與電路在實際應用中的可靠性要求及產(chǎn)品工程要求相關，不能將采用常規(guī)設計完全能達到要求的電路附加各類高成本的“保障”部分。
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??? （3）數(shù)字電路的工作速率正在以前所未有的發(fā)展邁向高頻（例如目前的CPU，其主頻已經(jīng)達到1.7GHz棗遠遠超過微波頻段下限）。盡管相關器件的可靠性保障功能也同步配套，但其建立在器件內(nèi)部和典型外部信號特征基礎上。

??? 三．雙傳輸線理論對微波電路設計及其PCB布線原則指導意義綜述

??? （一）雙線理論下的PCB概念
對于微波級高頻電路，PCB上每根相應帶狀線都與接地板形成微帶線（非對稱式），對于兩層以上的PCB，即可形成微帶線，又可形成帶狀線（對稱式微帶傳輸線）。各不同微帶線（雙面PCB）或帶狀線（多層PCB）相互之間，又形成耦合微帶線，由此又形成各類復雜的四端口網(wǎng)絡，從而構成微波級電路PCB的各種特性規(guī)律。

??? 可見，微帶傳輸線理論，是微波級高頻電路PCB的設計基礎。
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??? ■ 對于800MHz以上的RF-PCB設計，天線附近的PCB網(wǎng)路設計，應完全遵循微帶理論基礎（而不是僅僅將微帶概念用于改善集中參數(shù)器件性能的工具）。頻率越高，微帶理論的指導意義便越顯著。
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??? ■ 對于電路的集中參數(shù)與分布參數(shù)，雖然工作頻率越低，分布參數(shù)的作用特性越弱，但分布參數(shù)卻始終是存在的。是否考慮分布參數(shù)對電路特性的影響，并沒有明確的分界線。所以，微帶概念的建立，對于數(shù)字電路與相對中頻電路PCB設計，同樣是重要的。
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??? ■微帶理論的基礎與概念和微波級RF電路及PCB設計概念，實際上是微波雙傳輸線理論的一個應用方面，對于RF-PCB布線，每相鄰信號線（包括異面相鄰）間均形成遵循雙線基礎原理的特征（對此，后續(xù)將有明確的闡述）。
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??? ■ 雖然通常的微波 RF 電路均在其一面配置接地板，使得其上的微波信號傳輸線趨向復雜的四端口網(wǎng)路，從而直接遵循耦合微帶理論，但其基礎卻仍是雙線理論。所以在設計實際中，雙線理論所具有的指導意義更為廣泛。
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??? ■ 通常而言對于微波電路，微帶理論具有定量指導意義，屬于雙線理論的特定應用，而雙線理論具有更廣泛的定性指導意義。
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??? ■ 值得一提的是：雙線理論給出的所有概念，從表面上看，似乎有些概念與實際設計工作并無聯(lián)系（尤其是數(shù)字電路及低頻電路），其實是一種錯覺。雙線理論可以指導一切電子電路設計中的概念問題，特別是PCB線路設計概念方面的意義更為突出。

??? 雖然雙線理論是在微波高頻電路前提下建立的，但這僅僅因為高頻電路中分布參數(shù)的影響變得顯著，使得指導意義特別突出。在數(shù)字或中低頻電路中，分布參數(shù)與集中參數(shù)元器件相比，達到可以忽略的地步，雙線理論概念變得相應模糊。

??? 然而，如何分清高頻與低頻電路，在設計實際中卻是經(jīng)常容易忽略的方面。通常的數(shù)字邏輯或脈沖電路屬于哪一類？最明顯的具非線性元器件之低頻電路及中低頻電路，一旦某些敏感條件改變，很容易體現(xiàn)出某些高頻特征。高檔CPU的主頻已經(jīng)到1.7GHz，遠超過微波頻率下限，但仍然屬于數(shù)字電路。正因為這些不確定性，使的PCB設計異常重要。

??? ■ 在許多情況下，電路中的無源元器件，均可等效為特定規(guī)格的傳輸線或微帶線，并可用雙傳輸線理論及其相關參量去描述。

??? 總之，可以認為雙傳輸線理論是在綜合所有電子電路特征基礎上誕生的。因此，從嚴格意義上說，如果設計實際中的每一環(huán)節(jié)，首先以雙傳輸線理論所體現(xiàn)的概念為原則，那末相應的PCB電路所面臨的問題就會很少（無論該電路是在什么工作條件下應用）。

??? (二)雙傳輸線與微帶線構造簡介

??? 1 ?微波雙線的PCB 形式

??? 微帶線是由微波雙線在特定條件下的具體應用。圖1-a. 即為微波雙線及其場分布示意圖。在微波級工作頻率的PCB 基板上，可以構成常規(guī)的異面平行雙線（圖1-b.所示）或變異的異面平行雙線（圖1-c.所示）。當其中一條狀線與另一條狀線相比可等效為無窮大時，便構成典型的微帶線（如圖1-d.所示）。從雙傳輸線到微帶，僅邊緣特性改變，定性特征基本一致。

??? 注：在許多微波專業(yè)論述中，均僅僅描述由常規(guī)均勻圓柱形導體構成的雙傳輸線，對PCB 電路的雙線描述則以矩形條狀線為常規(guī)雙傳輸線。
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??? 2 ?微帶線的雙線特征

??? 圖2-a.為常規(guī)微波雙線的場分布示意圖。圖2-b.為PCB 條狀線場分布示意圖。圖2-c.為帶有有限接地板的

??? 微波雙線場分布示意（注：圖中雙線之一和接地板連通）。圖2-d 為具有相對無窮大接地板之雙線場分布示意（注：

??? 圖中雙線之一和接地板連通）。

??? 圖3-a.為典型偶模激勵耦合微帶線場分布示意。圖3-b. 為典型奇模激勵耦合微帶線場分布示意。

??? 從圖1 、圖2 、圖3 所示場分布狀態(tài)看，雙線與微帶線（包括耦合微帶線）特性僅僅為邊緣特性的不同。
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??? 四．PCB平行雙線中的電磁波傳輸特性

??? （一）分布參數(shù)概念與雙傳輸線
對于集中參數(shù)電路，隨著工作頻率的提高，電路中的電感量和電容量都將相應減少，如圖4所示的振蕩回路。

??? 當電路中電感量小到一定程度，將使線圈等效為直線（圖4-b.）；當電容量小到一定程度，將由導線間分布電容所替代（圖4-c.）。
由上述定性描述得如下高頻電路設計原則：

??? ● 當工作頻率較高時，集中參數(shù)將轉化為分布參數(shù)，并起主導作用。這是微波電路的主要形式。

??? ● 在分布參數(shù)PCB電路中，沿導線處處分布電感，導線間處處分布電容。

??? ● 在高頻PCB電路設計中，注意元器件標稱值與實際值的離散性差別是相對于工作頻率而定的。

??? ● 由圖可知，PCB條狀雙線就是具有分布參數(shù)之電路的簡單形式，除了可以傳輸電磁能外，還可作為諧振回路使用。

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??? （二）PCB條狀雙線分布參數(shù)的等效方式

??? 通常將一段雙線導線分成許多小段（例如每段長度1cm），然后將每段雙導線所具有的分布電感與電容量表示為集中參數(shù)形式，如圖5所示。圖中b線，可以是PCB上與a同面并行之走線或地線，也可以是異面并行之走線，為便于解釋，這里指空氣中兩并行線。

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??? 在雙線傳輸分析上，常將介質(zhì)損耗忽略（即R1<<ωL1，G1<<ωC1），然后等效為圖5所示的“無耗傳輸線”形式（即忽略電磁波衰耗）。根據(jù)電磁場理論，可知每1cm的條狀雙傳輸線電感量與電容量分別為：

??? L1≈ (μ/π)ln(2D/d)　　　　(H)
??? C1≈πε/ln(2D/d)????????? (F)
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??? 式中，μ=線間介質(zhì)磁導率（H/cm）。當介質(zhì)為空氣時，μ=μ0=4×E-5（H/cm）；ε=線間介電常數(shù)。當介質(zhì)為空氣時，ε=ε0=8.85×E-10；D=雙線間距；d=PCB線厚度或?qū)挾龋ň唧w定義詳見后續(xù)說明）。

??? 綜合上述的設計概念如下：

??? ● PCB中，可分別近似認為d為銅皮寬度（對電感）或銅皮厚度（對電容），前提是對無接地板的同面雙線。對于異面平行雙線時，D為PCB厚度，d為線寬。

??? ● 工作于高頻狀態(tài)兩層以上PCB設計中，不僅要考慮同面走線間的分布參數(shù)，也需考慮異面走線間的分布參數(shù)，而且更為重要（具接地板的RF-PCB電路則屬于另外的分析方式棗參見后續(xù)）。

??? （三）電磁波在PCB條狀雙線上的傳輸特點

??? 圖3所示的PCB條狀雙線等效電路中，在直流電源接入瞬間，從左到右，電壓和電流是以依次向相鄰電容充電，然后向次級電容放電的過程形式傳播的，稱為電流行波。
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??? 若將圖6中電源換為簡諧規(guī)律的交流源，可以推知，將有一電壓行波從左至右傳播。沿線電壓值與時間位置均有關。這種電壓行波，在工作波長與所考察傳輸線長度可比擬時，是較為明顯的。

??? 有電壓必有電場，有電流必有磁場，所以沿線電場與磁場是以簡諧規(guī)律沿傳輸線傳播的。
綜上所述，可知道微波級高頻電路之PCB特征如下：

??? ● 當PCB走線與工作波長可相比擬時，電壓和電流從一端傳到另一端的形式已不是電動勢作用下的電流規(guī)律，而是以行波形式傳播，但不是向周圍輻射。

??? ● 行波的能量形式，體現(xiàn)為電磁波形式，而且在導體引導下沿線傳播。工作頻率越高，電磁波能量形式越明顯，通常意義下的集中參數(shù)器件之處理功能越弱。

??? ● 必須明確：當頻率足夠高時，PCB走線開始脫離經(jīng)典的歐姆規(guī)律，而以“行波”或電磁波導向條形式體現(xiàn)其在電路中的功能。

??? （四）行波的傳播特性

??? 1．入射波與反射波

??? 對于理想的“無耗傳輸線”（忽略損耗），在簡諧波作用下，可推出PCB傳輸線上瞬時電流波表達式為：

??? i(t , z) = Acos(ωt-βz)-cos(ωt+βz)

??? 式中，t=傳播時刻；z=傳輸線上位置（距起端距離）；A、B=與激勵信號幅度及終端負載有關的常數(shù)（入射波與反射波幅度）；ω=相角；β=相移常數(shù)。

??? 由瞬時電流波表達式可知，在簡諧波激勵下，PCB傳輸線上電流為兩個簡諧波電流的代數(shù)和。分別對式中兩項作函數(shù)圖，可知：第一項電流為隨時間沿+Z方向（由電源到負載）的電流波；第二項為隨時間沿-Z方向（由負載到電源）傳輸?shù)碾娏鞑?。前者稱為入射電流波，后者稱為反射電流波。

??? ■ 即：穩(wěn)態(tài)過程中，PCB傳輸線上的電流是線上向相反方向傳播的兩個波疊加之結果。

??? 2．關系常數(shù)簡介

??? ■ α=衰減常數(shù)。若考慮PCB傳輸線損耗，則α≠0。

??? ■ β=相移常數(shù)。其為電磁波沿PCB傳輸線傳播單位長度的相移，與波長有關系：β=2π/λ。參照圖2，又有關系：
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??? ■ γ=傳播常數(shù)?？紤]PCB傳輸線損耗時，波的衰減常數(shù)α與相移常數(shù)β的變量和，即：γ=α+jβ

??? ■ Vp=相速，行波等相位點的傳播速度。相速與β、ω間存在關系：vp=ω/β。

??? 當電磁波傳播方向是與Z方向平行，則有Vp=Vc(Vc表示光速)。可以推出：
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??? 在空氣介質(zhì)中則有

??? 綜上所述，可以推知高頻電路及其PCB設計原則如下：

??? ● 分布參數(shù)電路不僅僅體現(xiàn)在集中參數(shù)向分布參數(shù)的轉化，更重要的是PCB電路的信號處理與傳輸，都開始部分地遵循電磁波的固有特性。工作頻率越高，這種特性越突出。

??? ● 反射波概念是提高電路輸出功率或效率的根本概念，否則將導致與設計不符的一系列問題。

??? ● 分布參數(shù)的考察，涉及電磁波理論中的一些基本物理定義，認真掌握這些物理定義在電路中的體現(xiàn)及計算方式，是解決設計實際的根本手段之一。

??? ● 微波級高頻電路PCB帶裝線的分布參數(shù)特性，可以通過一些關系常數(shù)所體現(xiàn)的表達式表征，并通過這些常數(shù)達到PCB設計目的。