微波電路及其PCB技術設計知識

1、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

2、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：（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。（2）CAD 軟件

3、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。（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

4、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。（ 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)常“遭其暗算”。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

5、（包括各個功能環(huán)節(jié)），一到實際調試中才發(fā)現(xiàn)：還不如利用自 己的經(jīng)驗來設計。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 35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

6、多（或 者無法完成設計）。由上述可見：（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。（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

7、 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, 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。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

8、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。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

9、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。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“確保正常”的環(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)

10、。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：（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。（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。（ 3）數(shù)字電路的工作速率正在以前所未有的發(fā)展邁向

11、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?？梢姡鬏斁€理論，是微

12、波級高頻電路 PCB 的設計基礎。 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。 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。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

13、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）。 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。 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。 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

14、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

15、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?？傊?，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

16、 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。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

17、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

18、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。（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。11 LI LI 11 U LI LI嚴 iTirr0 apCl =ULmLlUJiupHTL嚴LjJlUipMTLpM豐口

19、=r丄恵丄11吐丄i山丄川:丄丄IYUC嚴訕丿在雙線傳輸分析上，常將介質損耗忽略（即R1vv宀L1 ,G1v宀C1）,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 (卩 / n )ln(2D/d)(H)C1 n /ln(2D/d)(F)式中，a =線間介質磁導率（H/cm ）。當介質為空氣時，卩=卩0=4X E-5 （H/cm ） ; =線間介電常數(shù)。當介質為空氣時， = 0=8.85x E-10 ; D=雙線間距；d=PCB線厚度或寬度（具體定義詳見后續(xù)說明）c綜合上述的設計概念如下: PCB中，可分別近似認

20、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。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

21、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（s t- B z）-cos（ s t+ B z）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）； s =相角； B = 相移常