微波電路及其pcb設(shè)計(jì)

微波電路及其PCB設(shè)一．關(guān)于輔助設(shè)計(jì)軟件與網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)于高頻電路設(shè)計(jì)，當(dāng)前已經(jīng)有了很好的類軟件，其強(qiáng)大的功能足以克服人們?cè)谠O(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)方面的不足及繁瑣的參數(shù)檢索與計(jì)算再配合功能強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)分析儀按理應(yīng)該是稍具經(jīng)驗(yàn)者便能完成質(zhì)量較好的射頻部件是際中卻不是這回事。設(shè)計(jì)軟件依靠的是強(qiáng)大的庫函，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(biāo)不少射頻工程師錯(cuò)誤地認(rèn)為只要利用該工具軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)就不會(huì)有多大問題但實(shí)際結(jié)果卻總是與愿望相反原因是他們?cè)阱e(cuò)誤認(rèn)識(shí)下放棄高頻電路設(shè)計(jì)基本概念的靈活應(yīng)用及基本設(shè)計(jì)原則的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)積累，結(jié)果在軟件工具的應(yīng)用中常犯下基本應(yīng)用錯(cuò)誤。射頻電路設(shè)計(jì)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(duì)實(shí)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(guān)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)之元器件模型一類屬于常規(guī)設(shè)計(jì)中的局部功能模型。于是存在如下方面問題：（1元器件模型與軟件長期互動(dòng)發(fā)展，日趨完善實(shí)

際中可以基本相信模型的*真度。但元器件模型所考慮的應(yīng)用環(huán)境（尤其是元器件應(yīng)用的電環(huán)境）均為典型值。多數(shù)情況下，必須利用經(jīng)驗(yàn)確定系列應(yīng)用參數(shù)則其實(shí)際結(jié)果有時(shí)甚至比不借助軟件的設(shè)計(jì)結(jié)果相差更遠(yuǎn)。（2）件中建立的常規(guī)高頻基本組態(tài)模型，通常限于目前應(yīng)用條件下可預(yù)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(yīng)用元器件并以典型完善的工藝方式構(gòu)造（包構(gòu)造）下完成的，其性能也達(dá)到“典型”的較高水平。但在實(shí)際中，就是完全模仿，也與模型狀態(tài)相差甚遠(yuǎn)。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)字電路中種相差毫厘的情況妨礙不大在射頻電路中，往往發(fā)生致命的錯(cuò)誤。（4在利用軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)中軟件的容錯(cuò)設(shè)計(jì)并不理睬是否發(fā)生與實(shí)際情況相違背的錯(cuò)誤參數(shù)設(shè)置于是按照其軟件運(yùn)行路徑給出一理想的結(jié)果實(shí)際中卻是問題百出的結(jié)果可以知道其關(guān)鍵錯(cuò)誤環(huán)節(jié)在于沒有利用射頻電路設(shè)計(jì)的基本原則

去正確應(yīng)用件。（5）件僅僅屬于設(shè)計(jì)輔助工具，利用其具備的實(shí)時(shí)模擬功能強(qiáng)大的元器件模型庫及其函數(shù)生成功能典型應(yīng)用模型庫等等方面來簡化人們的繁瑣設(shè)計(jì)與計(jì)算工作，到目前為為止，尚遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法在具體設(shè)計(jì)方面代替人工智能。軟件在射頻輔助設(shè)計(jì)中所體現(xiàn)的強(qiáng)大功能是該件大受歡迎的一個(gè)重要方面。但實(shí)際中，許多射頻工程師會(huì)經(jīng)常“遭其暗算”。導(dǎo)致原因仍然是其對(duì)參數(shù)設(shè)置的容錯(cuò)特性。往往利用其仿真功能得出一理想的模型（包括各個(gè)功能環(huán)節(jié)），一到實(shí)際調(diào)試中才發(fā)現(xiàn)：還不如利用自己的經(jīng)驗(yàn)來設(shè)計(jì)。所以，軟件在設(shè)計(jì)中，仍然僅僅有利于擁有基本的射頻設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)與技巧的工程師助他們從事繁瑣的過程設(shè)計(jì)（非基本原則設(shè)計(jì)）。網(wǎng)絡(luò)分析儀分為標(biāo)量和矢量兩種，是射頻電路設(shè)計(jì)必不可少的儀器通常的做法是結(jié)合基本的射頻電路設(shè)計(jì)理念和原則完成電路及或利用軟件完成要求完成的樣品加工并裝配樣機(jī)后利用網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)逐個(gè)進(jìn)行網(wǎng)路分析才有可能使電路達(dá)到最佳狀態(tài)但如此工作的代價(jià)是以至少版的實(shí)際制作，而若沒有基本的

設(shè)計(jì)原則與基礎(chǔ)理念，所需要的版本將更多（或者無法完成設(shè)計(jì)）。由上述可見：（1）在利用網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)射頻電路進(jìn)行分析過程中，必須具有完備的高頻電路設(shè)計(jì)理念和原則，必須能通過分析結(jié)果而明確知道的設(shè)計(jì)缺陷棗僅此一項(xiàng)就要求相關(guān)工程師具備相當(dāng)?shù)慕?jīng)驗(yàn)。（2）對(duì)樣機(jī)網(wǎng)路環(huán)節(jié)進(jìn)行分析過程中，必須依靠熟練的實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)和技巧來構(gòu)造局部功能網(wǎng)絡(luò)因?yàn)楹芏鄷r(shí)候通過網(wǎng)絡(luò)分析儀所發(fā)現(xiàn)的電路缺陷會(huì)同時(shí)存在多方面的導(dǎo)致因素于是必須利用構(gòu)造局部功能網(wǎng)路來加以分析徹查導(dǎo)致原因這種實(shí)驗(yàn)性電路構(gòu)造必須借助清晰的高頻電路設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)與熟練的電路構(gòu)造原則。二．本文的針對(duì)范疇本文主要針對(duì)通訊產(chǎn)品的一個(gè)前沿范疇棗微波級(jí)高頻電路及其設(shè)計(jì)方面的理念及其設(shè)計(jì)原則。之所以選擇微波級(jí)高頻電路之設(shè)計(jì)原則，是因?yàn)樵摲矫嬖瓌t具有廣泛的指導(dǎo)意義且屬當(dāng)前的高科技熱門應(yīng)用技術(shù)。從微波電路設(shè)計(jì)理念過渡到高速無線網(wǎng)包括各類接入網(wǎng)工程是一脈相通的，

因?yàn)樗鼈兓谕换驹項(xiàng)楇p傳輸線理論。有經(jīng)驗(yàn)的射頻工程師設(shè)計(jì)的數(shù)字電路或相對(duì)較低頻率電路PCB一次成功率是非常高的因?yàn)樗麄兊脑O(shè)計(jì)理念是“分布”參數(shù)為核心分布參數(shù)概念在較低頻率電包括數(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(duì)通訊產(chǎn)品）設(shè)計(jì)往往題重重一方面固然與電原理設(shè)包括冗余設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)等方面）的必要環(huán)節(jié)缺乏有關(guān)，但更重要的，是許多這類問題在人們認(rèn)為已經(jīng)考慮了各項(xiàng)必要環(huán)節(jié)下而發(fā)生的針對(duì)這些問題，他們往往將精力花在對(duì)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(duì)計(jì)的審核方面，而往往正是由于計(jì)缺陷，導(dǎo)致大量的產(chǎn)品性能問題。設(shè)計(jì)原則涉及到許多方方面面包括各項(xiàng)基本原則、抗干擾、電磁兼容、安全防護(hù)，等等。對(duì)于這些方面，特別在高頻電路（尤其在微波級(jí)高頻電路）方面，相關(guān)理念的缺乏，往往導(dǎo)致整個(gè)研發(fā)項(xiàng)目的失敗許多人還停留“將電原理用導(dǎo)體連接起來發(fā)揮預(yù)定作用”基礎(chǔ)上，甚至認(rèn)為“設(shè)計(jì)屬于結(jié)構(gòu)、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(rèn)識(shí)到該環(huán)節(jié)在射頻設(shè)計(jì)中是整個(gè)設(shè)計(jì)工作的特

別重點(diǎn)而錯(cuò)誤地將精力花費(fèi)在選擇高性能的元器件結(jié)果是成本大幅上升，性能的提高卻微乎其微。應(yīng)特別在此提出的是，數(shù)字電路依靠其強(qiáng)的抗干擾、檢糾錯(cuò)以及可任意構(gòu)造各個(gè)智能環(huán)節(jié)來確保電路的正常功能一個(gè)普通的數(shù)字應(yīng)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(rèn)為“不值得”的環(huán)節(jié)，卻導(dǎo)致產(chǎn)品的系列問題因是這類在產(chǎn)品工程角度看不值得構(gòu)造可靠性保證的功能環(huán)節(jié)該建立在數(shù)字電路本身的工作機(jī)理上，只是在電路設(shè)計(jì)（包括設(shè)計(jì)）中的錯(cuò)誤構(gòu)造，導(dǎo)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(dǎo)致與高頻電路的類似問題屬于同一概念下的基本應(yīng)用。在數(shù)字電路中，有三個(gè)方面值得認(rèn)真對(duì)待：（1）數(shù)字信號(hào)本身屬于廣譜信號(hào)。根據(jù)傅里葉函數(shù)結(jié)果，其包含的高頻成份非常豐富，所以數(shù)字在設(shè)計(jì)中，均充分考慮了數(shù)字信號(hào)的高頻分量。但除了數(shù)字外，各功能環(huán)節(jié)內(nèi)部及之間的信號(hào)過渡區(qū)域，若任意而為，將會(huì)導(dǎo)致系列問題。尤其在數(shù)字與模擬和高頻電路混合應(yīng)用的電路場合。（2）數(shù)字電路應(yīng)用中的各類可靠性設(shè)計(jì)，與電路在實(shí)際應(yīng)

用中的可靠性要求及產(chǎn)品工程要求相關(guān)能將采用常規(guī)設(shè)計(jì)完全能達(dá)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)展邁向高頻（例如目前的主頻已經(jīng)達(dá)棗遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過微波頻段下限）。盡管相關(guān)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(hào)特征基礎(chǔ)上。三．雙傳輸線理論對(duì)微波電路設(shè)計(jì)及其布線原則指導(dǎo)意義綜述（一）雙線理論下的概念對(duì)于微波級(jí)高頻電路上每根相應(yīng)帶狀線都與接地板形成微帶線（非對(duì)稱式），對(duì)于兩層以上PCB，即可形成微帶線，又可形成帶狀（對(duì)稱式微帶傳輸線各不同微帶（面）或帶狀線（多層相互之間，又形成耦合微帶線，由此又形成各類復(fù)雜的四端口網(wǎng)絡(luò)，從而構(gòu)成微波級(jí)電路的各種特性規(guī)律?？梢姡鬏斁€理論，是微波級(jí)高頻電路的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)?！鰧?duì)以上的設(shè)計(jì)，天線附近的網(wǎng)路設(shè)計(jì)應(yīng)完全遵循微帶理論基（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(dǎo)意義便越顯著?！鰧?duì)于電的集中參數(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(duì)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(duì)于數(shù)字電路與相對(duì)中頻電路計(jì)，同樣是重要的。■微帶理論的基礎(chǔ)與概念和微波級(jí)電路及設(shè)計(jì)概念，實(shí)際上是微波雙傳輸線理論的一個(gè)應(yīng)用方面，對(duì)RF-PCB布線，每相鄰信號(hào)線（包括異面相鄰）間均形成遵循雙線基礎(chǔ)原理的特征（對(duì)此，后續(xù)將有明確的闡述）。■雖然通的微波RF電路均在其一面配置接地板使得其上的微波信號(hào)傳輸線趨向復(fù)雜的四端口網(wǎng)路從而直接遵循耦合微帶理論，但其基礎(chǔ)卻仍是雙線理論。所以在設(shè)計(jì)實(shí)際中，雙線理論所具有的指導(dǎo)意義更為廣泛?！鐾ǔ６鴮?duì)于微波電路，微帶理論具有定量指導(dǎo)意義，屬于雙線理論的特定應(yīng)用雙線理論具有更廣泛的定性指導(dǎo)意義。

■值得一的是線理論給出的所有概念表面上看，似乎有些概念與實(shí)際設(shè)計(jì)工作并無聯(lián)尤其是數(shù)字電路及低頻電路），其實(shí)是一種錯(cuò)覺。雙線理論可以指導(dǎo)一切電子電路設(shè)計(jì)中的概念問題，特別線路設(shè)計(jì)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?yàn)楦哳l電路中分布參數(shù)的影響變得顯著得指導(dǎo)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(dá)到可以忽略的地步，雙線理論概念變得相應(yīng)模糊。然而，如何分清高頻與低頻電路，在設(shè)計(jì)實(shí)際中卻是經(jīng)常容易忽略的方面常的數(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。高檔主頻已經(jīng)到1.7GHz，遠(yuǎn)超過微波頻率下限，但仍然屬于數(shù)字電路。正因?yàn)檫@些不確定性，使的設(shè)計(jì)異常重要。■在許多況下，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可用雙傳輸線理論及其相關(guān)參量去描述。總之，可以認(rèn)為雙傳輸線理論是在綜合所有電子電路特征基礎(chǔ)上誕生的。因此，從嚴(yán)格意義上說，如果設(shè)計(jì)實(shí)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(yīng)的電路所面臨的問題就會(huì)很無論該電路是在什么工作條件下應(yīng)用）。二雙傳輸線與微帶線構(gòu)造簡介1·微波雙線的形式微帶線是由微波雙線在特定條件下的具體應(yīng)用。圖即為微波雙線及其場分布示意圖。在微波級(jí)工作頻率的基板上，可以構(gòu)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(dāng)其中一條狀線與另一條狀線相比可等效為無窮大時(shí)構(gòu)成典型的微帶如圖1-d.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(dǎo)體構(gòu)成的雙傳輸線，對(duì)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）。圖為具有相對(duì)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(lì)耦合微帶線場分布示意。圖為典型奇模激勵(lì)耦合微帶線場分布示意。從圖1圖、圖所示場分布狀態(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．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(duì)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(yīng)減少，如圖4示的振蕩回路。當(dāng)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(dāng)電容量小到一定程度，將由導(dǎo)線間分布電容所替代（圖）。

由上述定性描述得如下高頻電路設(shè)計(jì)原則：●當(dāng)工作率較高時(shí)，集中參數(shù)將轉(zhuǎn)化為分布參數(shù)，并起主導(dǎo)作用。這是微波電路的主要形式?！裨诜植紨?shù)電路中沿導(dǎo)線處處分布電感導(dǎo)線間處處分布電容。●在高頻電路設(shè)計(jì)中意元器件標(biāo)稱值與實(shí)際值的離散性差別是相對(duì)于工作頻率而定的?！裼蓤D可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）條狀雙線分布參數(shù)的等效方式通常將一段雙線導(dǎo)線分成許多小段（例如每段長度1cm），然后將每段雙導(dǎo)線所具有的分布電感與電容量表示為集中參數(shù)形式，如圖所示。圖中b線，以是上與a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。在雙線傳輸分析上，常將介質(zhì)損耗忽略（即ωL1，G1<<ωC1），然后等效為圖5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，可知每條狀雙傳輸線電感量與電容量分別為：≈μπ)ln(2D/d)(H)≈πε/ln(2D/d)(F)式中，μ=線間介質(zhì)磁導(dǎo)率（）。當(dāng)介質(zhì)為空氣時(shí)，μ=μ0=4×（H/cm=線間介電常數(shù)當(dāng)介質(zhì)為空氣時(shí)，ε=ε0=8.85×E-10D=雙線間距厚度或?qū)挾龋ň唧w定義詳見后續(xù)說明）。綜合上述的設(shè)計(jì)概念如下：●中，可分別近似認(rèn)為d銅皮寬度（對(duì)電感）或銅

皮厚度（對(duì)電容），前提是對(duì)無接地板的同面雙線。對(duì)于異面平行雙線時(shí)，D厚度，d線寬。●工作于頻狀態(tài)兩層以上設(shè)計(jì)中僅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)而且更為重具接地板的電路則屬于另外的分析方式棗參見后續(xù)）。（三）電磁波在條狀雙線上的傳輸特點(diǎn)圖3示的狀雙線等效電路中，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(jí)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(shí)間位置均有關(guān)這種電壓行波在工作波長與所考察傳輸線長度可比擬時(shí)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(jí)高頻電路之征如下：●當(dāng)走線與工作波長可相比擬時(shí)壓和電流從一端傳到另一端的形式已不是電動(dòng)勢(shì)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。●行波的量形式，體現(xiàn)為電磁波形式，而且在導(dǎo)體引導(dǎo)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?！癖仨毭鳎寒?dāng)頻率足夠高時(shí)走線開始脫離經(jīng)典的歐姆規(guī)律，而以“行波”或電磁波導(dǎo)向條形式體現(xiàn)其在電路中的功能。（四）行波的傳播特性．入射波與反射波對(duì)于理想的“無耗傳輸線”（忽略損耗），在簡諧波作用下，可推出輸線上瞬時(shí)電流波表達(dá)式為：i(t,z)=t-βz)-cos(ωt+βz)式中，傳播時(shí)刻；傳輸線上位置（距起端距離）；、B=與激勵(lì)信號(hào)幅度及終端負(fù)載有關(guān)的常數(shù)（入射波與反射波