微波電路及其pcb設(shè)計

1、微波電路及其 PCB 設(shè)計? 一關(guān)于 CAD 輔助設(shè)計軟件與網(wǎng)絡(luò)分析儀?對于高頻電路設(shè)計，當(dāng)前已經(jīng)有了很好的 CAC類軟件，其強 大的功能足以克服人們在設(shè)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(luò)分析儀， 按理應(yīng)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(shè)計軟件依靠的是強大的庫函數(shù)，包含了世界上絕大部就不會有分無線電器件生產(chǎn)商提供的元器件參數(shù)與基本性能指標(biāo)。 不少射 頻工程師錯誤地認(rèn)為： 只要利用該工具軟件進(jìn)行設(shè)計， 多大問題。 但實際結(jié)果卻總是與愿望相反， 原因是他們在錯誤認(rèn) 識下放棄高頻電路設(shè)計基本概念的靈活應(yīng)用及基本設(shè)計原則的

2、應(yīng)用經(jīng)驗積累，結(jié)果在軟件工具的應(yīng)用中常犯下基本應(yīng)用錯誤。射頻電路設(shè)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(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， 另一類屬于常規(guī)設(shè)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(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)驗確定系列應(yīng)用參數(shù)， 否則其實際結(jié)果有時甚至比不借 助CAD軟件的設(shè)計結(jié)果相差更遠(yuǎn)。

3、?（2）CAC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(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，僅靠CAD-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（包括PCB構(gòu)造） 下完成的，其性能也達(dá)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(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， 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(jìn)行設(shè)計中，軟件的容錯設(shè)計并

4、不理睬是否發(fā)生與實際情況相違背的錯誤參數(shù)設(shè)置， 于是， 按照其軟 件運行路徑給出一理想的結(jié)果， 實際中卻是問題百出的結(jié)果。以知道其關(guān)鍵錯誤環(huán)節(jié)在于沒有利用射頻電路設(shè)計的基本原則 去正確應(yīng)用CAD軟件。?（5）CAC軟件僅僅屬于設(shè)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(yīng)用模 型庫等等方面來簡化人們的繁瑣設(shè)計與計算工作，到目前為為 止，尚遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法在具體設(shè)計方面代替人工智能。CAD軟件在射頻PCB輔助設(shè)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(dǎo)致原因仍然是其對參數(shù)設(shè)置的容錯特性。往往利用其 仿真功能

5、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(shè)計。? ?所以，CAD軟件在PCB設(shè)計中，仍然僅僅有利于擁有基本的 射頻設(shè)計經(jīng)驗與技巧的工程師，幫助他們從事繁瑣的過程設(shè)計非基本原則設(shè)計）。? 網(wǎng)絡(luò)分析儀分為標(biāo)量和矢量兩種， 是射頻電路設(shè)計必不可少是：的儀器。 通常的做法是： 結(jié)合基本的射頻電路設(shè)計理念和原則完 成電路及PCB設(shè)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(luò)分析儀對各個環(huán)節(jié)的設(shè)計逐 個進(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 代價是以至少35版的PCB實際制作，而若沒有基本的PCB設(shè)計

6、原則與基礎(chǔ)理念，所需要的 PCB版本將更多（或者無法完成設(shè)? 由上述可見：?（ 1）在利用網(wǎng)絡(luò)分析儀對射頻電路進(jìn)行分析過程中，必須 具有完備的高頻電路PCB設(shè)計理念和原則，必須能通過分析結(jié)果 而明確知道PCB的設(shè)計缺陷棗僅此一項就要求相關(guān)工程師具備 相當(dāng)?shù)慕?jīng)驗。? ?（2）對樣機網(wǎng)路環(huán)節(jié)進(jìn)行分析過程中，必須依靠熟練的實 驗經(jīng)驗和技巧來構(gòu)造局部功能網(wǎng)絡(luò)。 因為很多時候， 通過網(wǎng)絡(luò)分 析儀所發(fā)現(xiàn)的電路缺陷， 會同時存在多方面的導(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。 這種實驗 性電路構(gòu)造必須借助清晰的高頻電路設(shè)計經(jīng)驗與熟練的電路 PCB 構(gòu)造原則。? 二本文的針對范疇

7、? 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(shè)計方面的理念及其設(shè)計原則。 之所以選擇微波級高頻 電路之PCB設(shè)計原則，是因為該方面原則具有廣泛的指導(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PCB設(shè)計理念過渡到 高速無線網(wǎng)絡(luò)（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(shè)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(shè)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

8、） 設(shè)計，往往問題重重。 一方面固然與電原理設(shè)計 （包括冗余設(shè)計、 可靠性設(shè)計等方面）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(shè)計的審核方面，而往往正是由于PCB設(shè)計缺陷，導(dǎo)致大量的產(chǎn)品性能問題。? ? PCB設(shè)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(hù)，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(guān)理念的缺乏，往往導(dǎo) 致整個研發(fā)項目的失敗。 許多人還停留在 “將電原理用導(dǎo)體連接起來發(fā)揮預(yù)

9、定作用”基礎(chǔ)上，甚至認(rèn)為“PCB設(shè)計屬于結(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)識到該環(huán)節(jié)在射頻設(shè)計中， 應(yīng)是整個設(shè)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(jié)果是成本 大幅上升，性能的提高卻微乎其微。檢糾錯? 應(yīng)特別在此提出的是， 數(shù)字電路依靠其強的抗干擾、 以及可任意構(gòu)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(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。 原因是這類在產(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)，應(yīng)該建立在數(shù)字電路

10、本身的工作機理 上，只是在電路設(shè)計（包括 PCB設(shè)計）中的錯誤構(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，有三個方面值得認(rèn)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(jié)果，其包含的高頻成份非常豐富，所以數(shù)字 IC 在設(shè)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(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，與電路在實際應(yīng) 用中的可靠性要求及產(chǎn)品工程要求相關(guān)， 不能將采用

11、常規(guī)設(shè)計完 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CPU其主頻已經(jīng)達(dá)到棗遠(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) 部和典型外部信號特征基礎(chǔ)上。?三.雙傳輸線理論對微波電路設(shè)計及其PCB布線原則指導(dǎo)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(yīng)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

12、 成各類復(fù)雜的四端口網(wǎng)絡(luò)， 從而構(gòu)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(shè)計基礎(chǔ)。? 對于800MHZ以上的RF-PCB設(shè)計，天線附近的 PCB網(wǎng)路 設(shè)計， 應(yīng)完全遵循微帶理論基礎(chǔ) （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。? 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(shè)計，同樣是 重要的。? ? 微帶理論的基礎(chǔ)與概

13、念和微波級 RF電路及PCB設(shè)計概念，實際上是微波雙傳輸線理論的一個應(yīng)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(chǔ)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(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)計實際中，雙 線理論所具有的指導(dǎo)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(dǎo)意義， 屬于雙線理論的特定應(yīng)用， 而雙線理論具有更廣泛的定性指導(dǎo)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

14、設(shè)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(dǎo)一切電子電路設(shè)計 中的概念問題，特別是 PCB線路設(shè)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(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

15、主頻已經(jīng)到，遠(yuǎn)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(shè)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(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(yīng)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(yīng) 用）。? （ 二） 雙傳輸線與微帶線構(gòu)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(yīng)用。圖 1-a. 即為微

16、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(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，便構(gòu)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(dǎo)體構(gòu)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

17、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。尸 ：一 :|wyraVJVM療丿 / / * f / f *"/ f i ab.布?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(yīng)減少，如圖 4 所示的振蕩回路。? 當(dāng)

18、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 4-c. ）。由上述定性描述得如下高頻電路設(shè)計原則： ? 當(dāng)工作頻率較高時，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。? 在分布參數(shù)PCB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PCB電路設(shè)計中，注意元器件標(biāo)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。hc?（二） PCB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

19、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1JMTTLfnm中兩并行線。LI 11 L1 11 L1皿m.j'IOI*CI *匚1 二:匚1W.'?在雙線傳輸分析上，常將介質(zhì)損耗忽略（即R1VV3 L1, G1<< 3 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 (u / n )ln(2D/d)(H)? C1

20、n/ln(2D/d)? (F)? 式中，u =線間介質(zhì)磁導(dǎo)率（H/cm）。當(dāng)介質(zhì)為空氣時，uu 0=4X E-5 （H/cm）；£ =線間介電常數(shù)。當(dāng)介質(zhì)為空氣時，££ 0=x 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(shè)計概念如下： ? PCB 中，可分別近似認(rèn)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(shè)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

21、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PCE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(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，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(dāng)PCB走線與工作波長可相比擬

22、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(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。? 必須明確：當(dāng)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(dǎo)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(dá)式為:? i(t , z) = Acos(A、31- (3 z)-cos( 3 t+ j3 z)?式中，t=傳播時刻；z=傳輸線上位置（距起端距離）；B=與激勵信號幅度及終端負(fù)載有關(guān)