PCB材料對微帶線和接地共面波導(dǎo)電路有著怎樣的影響

在為某一電路設(shè)計選擇最優(yōu)PCB材料時，高頻電路設(shè)計者通常需考慮電路的性能變化、物理尺寸和功率高低。不同傳輸線技術(shù)的選擇會影響電路設(shè)計的最終性能，如使用微帶線或是接地共面波導(dǎo)（GCPW）。大部分設(shè)計者都了解高頻微帶線和帶狀線的明顯區(qū)別，但接地共面波導(dǎo)與傳統(tǒng)微帶線有很多的不同。接地共面波導(dǎo)能為高頻電路設(shè)計者的設(shè)計帶來了許多好處和便利。選擇不同電路時，了解不同PCB材料對微帶線和接地共面波導(dǎo)電路的影響對設(shè)計是非常有幫助的。下圖中可以看到兩種電路的不同結(jié)構(gòu)。

圖1：同種結(jié)構(gòu)對比圖

我們可以看到：微帶線電路的結(jié)構(gòu)是信號導(dǎo)體線加工在介質(zhì)層的頂部，接地導(dǎo)體面在介質(zhì)層的底部。而接地共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中，除了介質(zhì)層底部有的接地平面外，在介質(zhì)層頂部，增加了額外的兩個地平面并使信號導(dǎo)體處于這兩個地平面中，且相互間隔。通過金屬填充過孔使頂部和底部的接地平面相連接實(shí)現(xiàn)了一致的接地性能。此外，為保證如接合處等電路不連續(xù)處的一致性，許多接地共面波導(dǎo)電路通過接地母線來實(shí)現(xiàn)兩頂層接地導(dǎo)體間的電氣連接。

兩種傳輸線技術(shù)的不同之處在于：接地共面波導(dǎo)中，頂層接地導(dǎo)體和信號導(dǎo)體之間的小間距可以實(shí)現(xiàn)電路的低阻抗，且通過調(diào)節(jié)該間距可以改變電路的阻抗。接地導(dǎo)體和信號導(dǎo)體的間距增大，阻抗也會增大。當(dāng)接地共面波導(dǎo)的頂層接地導(dǎo)體和信號導(dǎo)體的間距增大時，接地導(dǎo)體對電路的影響會降低。當(dāng)間距足夠大時，接地共面波導(dǎo)電路就類似于微帶線電路了。

為什么某種傳輸線比其他傳輸線技術(shù)有優(yōu)勢呢？很明顯，相比于接地共面波導(dǎo)，微帶線結(jié)構(gòu)簡單，這更加便于加工和電腦建模。微帶線和帶狀線是微波波段最常用的傳輸線技術(shù)，但在毫米波頻段時，微帶線和帶狀線電路的損耗將增加。這使得這兩種傳輸線技術(shù)在30GHz及以上頻段的工作效率降低。但接地共面波導(dǎo)則具有牢固的接地結(jié)構(gòu)，在高頻頻段具備更低的損耗。這為毫米波頻段甚至100GHz及以上頻段的設(shè)計提供了潛在的優(yōu)勢和穩(wěn)定性能。

在選擇使用微帶線或接地共面波導(dǎo)傳輸線技術(shù)時，PCB材料在其中扮演怎樣的角色呢？介電常數(shù)（Dk）和介電常數(shù)一致性等材料參數(shù)會影響傳輸線的電氣性能。因電磁場在介電常數(shù)Dk的材料內(nèi)部和外部都可以傳播，其在電路結(jié)構(gòu)中的傳播方式不同從而影響電路材料的有效介電常數(shù)。對于頂層傳輸線和底層接地面的微帶線電路結(jié)構(gòu)，它的電磁場主要分布在兩金屬平面之間的介電材料內(nèi)部，且集中分布在信號導(dǎo)體邊緣。因此微帶線電路的有效介電常數(shù)和PCB材料的介電常數(shù)值是密切相關(guān)的，如羅杰斯公司的RO4350B碳?xì)浠衔锾沾?PCB材料， 10GHz時其z（厚度）方向的介電常數(shù)工藝標(biāo)準(zhǔn)值為3.48，整個材料上的介電常數(shù)偏差保持在±0.05。

PCB材料的有效介電常數(shù)將決定的電路結(jié)構(gòu)的尺寸，如50歐姆特征阻抗。例如，基于RO4350B碳?xì)浠衔锾沾呻娐凡牧系奈鬏斁€，50歐姆特征阻抗條件下的電路寬度將基于該材料的介電常數(shù)值3.48。但對于使用該材料的接地共面波導(dǎo)，其有效介電常數(shù)會降低。因?yàn)殡姶艌鰧⒏嗟胤植加陔娐飞戏降目諝庵卸皇荘CB介電材料中，相比于微帶線，接地共面波導(dǎo)的有效介電常數(shù)將減小。接地共面波導(dǎo)和微帶線有效介電常數(shù)的差異還依賴于接地共面波導(dǎo)介質(zhì)厚度和頂層地信號線-地之間的間距。

PCB加工因素對微帶線電路造成的影響小于對接地共面波導(dǎo)電路造成的影響。例如，PCB鍍銅厚度差異對微帶線電路性能的影響很小，但會影響接地共面波導(dǎo)電路的性能。對于微帶線電路，較厚的PCB銅層厚度僅略微減小插入損耗和降低電路的有效介電常數(shù)。而對于接地共面波導(dǎo)電路，較厚的PCB銅層厚度將導(dǎo)致頂層地—信號線—地間電磁場的增加，這使得接地共面波導(dǎo)電路上方空氣中的電磁場分布增加?？諝庵须姶艌龇植嫉脑黾訉?dǎo)致使用較厚的PCB銅層厚度的接地共面波導(dǎo)電路的電路損耗和PCB的有效介電常數(shù)均明顯降低。

可以發(fā)現(xiàn)：盡管微帶線在高頻頻段及毫米波頻段有高的輻射損耗且難以實(shí)現(xiàn)高階模抑制，微帶線仍可適用于微波頻段帶寬相對較窄的電路。且微帶線電路對PCB加工工藝和銅層厚度及厚度差異較不敏感。與此不同，接地共面波導(dǎo)在毫米波頻段具有相對較低輻射損耗且能實(shí)現(xiàn)良好的高階模抑制，這使得接地共面波導(dǎo)成為適用于30GHz及以上頻段的候選傳輸線技術(shù)。此外，接地共面波導(dǎo)電路對PCB加工工藝和偏差要求相對不十分苛刻，這使得接地共面波導(dǎo)適合于高頻頻段的量產(chǎn)與應(yīng)用。