射頻PCB布局中的波導腔設計

使用RF信號需要仔細路由并限制波到互連的范圍。這些布局的目標是確保在可能的情況下實現(xiàn)低損耗/低色散傳播，以及RF互連與系統(tǒng)其他部分之間的隔離。波導腔是提供靈敏的隔離和模式選擇的一種很好的方式，可以在電路板上路由敏感的RF信號。

實際上，許多結構都可以用來形成波導腔，我們通常不將PCB中的典型傳輸線結構稱為波導。甚至傳統(tǒng)的帶狀線和微帶結構在高頻下也表現(xiàn)出波導特性，包括由于系統(tǒng)的幾何形狀而引起的高階模態(tài)的激發(fā)和色散。如果要在RF PCB布局中使用波導腔，則在設計波導時要考慮以下幾點，并確?？梢钥煽康匕幢壤圃煸O計。

PCB中的波導腔幾何形狀

波導具有各種形狀和尺寸，但是只有某些類型的波導才能使用標準制造工藝可靠地制造在PCB上。DFM要求限制了PCB的幾何形狀，進而限制了您可以放置在PCB布局中的可用互連幾何形狀。3D打印是一個例外，它使您能夠制作出幾乎可以想象到的任何波導腔幾何形狀。

如果您像大多數(shù)設計師一樣，則需要在傳統(tǒng)的制造過程中工作。

使這些波導腔幾何結構與微帶線和帶狀線有很大不同的原因是，與在線路上傳輸?shù)?a href="http://ttokpm.com/analog/" target="_blank">模擬信號的波長相比，它們的尺寸較大。對于數(shù)字信號，我們喜歡使用微帶線和帶狀線，因為它們允許TEM波沿線傳播，并且直到非常高的頻率都看不到泄漏的波導效應。這樣，在實際的PCB和IC中使用的微帶和帶狀線具有非常高的帶寬。隨著PCB變得越來越密集，越來越先進，將TEM截止頻率推至非常高的水平，這一點尤其如此。

所有這些波導具有一些特殊的特性，這些特性使它們在典型的微帶線和帶狀線跡線上具有獨特性：

l模式選擇。根據(jù)正式定義，電磁波導管不允許TEM模式。TEM模式是波動方程的簡單解決方案，因此振幅為零。與帶狀線和微帶線相反，波導具有截止頻率，超過該截止頻率，第一模式便可以開始在結構中傳播。

l可調帶寬。單模波導的帶寬由其最低階模式和下一階高模式之間的頻率差定義。通過調整波導的幾何形狀，可以調整結構的帶寬。

l工程現(xiàn)場分配。盡管這通常不用于構建用于信號傳播的波導，但是可以通過激發(fā)波導中的特定模式來選擇波導內的電磁場分布。大多數(shù)波導僅僅由于頻率和波導尺寸之間的匹配而以TE10模式工作，但是可以選擇其他模式。諸如太赫茲感測和成像以及波導耦合之類的應用可以受益于在波導中選擇特定的場分布。

盡管具有這些獨特的特性，但與標準平面互連上的信號一樣，注入波導中的信號也會遭受損耗和色散。另外，就像在典型的傳輸線中一樣，波導中的色散取決于幾何形狀。設計波導腔的重點是調整幾何形狀以提供所需的截止頻率和帶寬。

分析波導腔設計

所有的波導都是典型的傳輸線和諧振結構之間的交叉點。它們的作用類似于傳輸線，因為它們可以用寄生電路元件的語言來描述，但是它們的作用也類似于諧振器，因為它們具有具有特定截止頻率的模式結構。如上所述，僅允許某些模式形成電場和磁場的特定空間分布。

模態(tài)頻率

閉合波導（例如，襯底集成波導（SIW））的模態(tài)頻率是腔幾何形狀（寬度W和高度H）的函數(shù)，可以通過一個簡單的方程找到，如下所示：

對于上面顯示的波導，您需要沿波導使用有效寬度來確定截止頻率和模態(tài)頻率。這些波導的有效寬度各不相同，但是您可以在Brian C. Wadell的《傳輸線設計手冊》中找到許多閉式方程式。處理色散系統(tǒng)和有損系統(tǒng)使用的標準技術可以在任何偏微分方程教科書中找到。

輸入阻抗

可以使用傳輸線的標準輸入阻抗公式來描述波導的輸入阻抗。只要知道波導的波阻抗，就可以計算輸入阻抗，該阻抗通常使用短路負載。均勻矩形波導腔的波阻抗定義如下：

對于均質矩形波導，您可以在標準輸入阻抗方程中將其用于傳輸線。與模態(tài)頻率一起，您可以檢查不同的激發(fā)波導腔模式中的場的行為。需要考慮的另一點是將結構耦合到其他波導或傳輸線，我將在下一篇文章中對其進行更深入的討論。