看看任何受人尊敬的開(kāi)發(fā)板，高頻模擬板，雷達(dá)板或其他RF系統(tǒng)，您都會(huì)看到直接嵌入到PCB布局中的獨(dú)特波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。在用于高頻布局和布線的各種RF波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中，共面波導(dǎo)設(shè)計(jì)可能是最常見(jiàn)的。這樣做有一些特殊原因，其中許多原因是由于其易于放置在PCB表面層上。

共面波導(dǎo)設(shè)計(jì)易于在RF PCB布局中進(jìn)行布線，并且通常用于受控阻抗布線。這對(duì)于RF應(yīng)用非常重要，因?yàn)?/span>RF應(yīng)用通常需要將信號(hào)路由到放大器，混頻器，天線或其他RF組件。在本簡(jiǎn)要指南中，我編譯了在PCB布局中設(shè)計(jì)受控阻抗時(shí)所需的重要共面波導(dǎo)方程。

共面波導(dǎo)設(shè)計(jì)入門

所有共面波導(dǎo)都有兩種類型：標(biāo)準(zhǔn)共面波導(dǎo)和接地共面波導(dǎo)。標(biāo)準(zhǔn)共面波導(dǎo)可以放置在接地平面上方，也可以不接地放置（即，在沒(méi)有內(nèi)部接地的PCB的2層頂部）。盡管您都可以創(chuàng)建在內(nèi)部層中運(yùn)行的變體，但兩者都是為在表面層上布線而設(shè)計(jì)的。

與標(biāo)準(zhǔn)微帶或帶狀線設(shè)計(jì)相比，使用共面波導(dǎo)設(shè)計(jì)具有一些優(yōu)勢(shì)：

l高隔離度。這可能是使用共面波導(dǎo)設(shè)計(jì)的最常見(jiàn)原因。盡管波導(dǎo)在表面層上布線，但由于周圍的接地層，它將具有一定的橫向隔離。這與使用倒灌液填充低速走線布線的表面層的原因相同：它提供了額外的EMI屏蔽并終止了走線產(chǎn)生的磁場(chǎng)線。

l損耗比帶狀線低。帶狀線和一些其他波導(dǎo)（例如，集成了襯底的波導(dǎo)）將磁場(chǎng)完全限制在襯底上，因此，波完全看到了有損的PCB襯底。在共面波導(dǎo)中，許多場(chǎng)線穿過(guò)電介質(zhì)上方的區(qū)域，因此它們不會(huì)遭受那么多的損耗。

l可調(diào)帶寬。可以通過(guò)調(diào)整幾何形狀來(lái)調(diào)整結(jié)構(gòu)的帶寬。在?5 GHz處使用的共面波導(dǎo)可能會(huì)很大，但是帶寬可以限制在單模傳播所需的頻率范圍內(nèi)。

l單模傳播。帶寬是可調(diào)的，這意味著我們可以將帶寬限制為僅單模（在柵形波導(dǎo)中通常為TE模式）所需的值。

l與現(xiàn)有的PCB制造工藝兼容。這些結(jié)構(gòu)不需要特殊的制造過(guò)程即可生產(chǎn)。當(dāng)前的制造工藝可用于制造載波頻率高達(dá)?100 GHz或更高的共面波導(dǎo)設(shè)計(jì)。

作為共面波導(dǎo)設(shè)計(jì)的一部分，需要計(jì)算兩個(gè)主要量：阻抗和有效介電常數(shù)（這與微帶走線的含義基本相同）。用于這些計(jì)算的主要數(shù)學(xué)工具是第一類橢圓積分，這是由于使用保形映射來(lái)導(dǎo)出這些結(jié)構(gòu)中的波阻抗而產(chǎn)生的。讓我們更仔細(xì)地查看每種類型的結(jié)構(gòu)，以了解如何執(zhí)行這些計(jì)算。

標(biāo)準(zhǔn)共面波導(dǎo)

這里需要涉及橢圓積分的一整套方程。有興趣的讀者應(yīng)該閱讀Brian C. Waddel的《傳輸線設(shè)計(jì)手冊(cè)》，第73-74頁(yè)，而不是在此處重復(fù)列出等式。這一出色的資源為各種射頻結(jié)構(gòu)提供了封閉形式的設(shè)計(jì)方程式，任何射頻設(shè)計(jì)人員均應(yīng)閱讀。

地面共面波導(dǎo)

這種結(jié)構(gòu)是從微帶到真正的共面波導(dǎo)的過(guò)渡。在大約等于b的基板高度h的極限下，我們現(xiàn)在具有大約微帶行為。否則，我們可以以合理的精度使用上述共面波導(dǎo)方程。

在這里，盡管場(chǎng)線現(xiàn)在可以終止于下層地面，但場(chǎng)線被限制在表層的中心導(dǎo)體和附近的地面之間。有效介電常數(shù)大約與波導(dǎo)的幾何形狀無(wú)關(guān)，并且大約是空氣和基底介電常數(shù)的平均值。對(duì)于阻抗，我們需要使用如下所示的橢圓積分K（k）。

在此等式中，a是中央走線的寬度，b是接地平面邊緣之間的距離。在線上有很多計(jì)算器，還有一些開(kāi)源工具可以為您處理上述計(jì)算。

接地共面波導(dǎo)方程

在這里，我們有一個(gè)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)添加了用于模式選擇的通孔和更大程度的輻射抑制（即更高的隔離度）。此結(jié)構(gòu)可在PCB上用作微帶線的替代品。條帶與地面之間的間隙必須小于信號(hào)的載波頻率，但必須大于基板的厚度，因此，磁場(chǎng)包含在條帶與下部接地平面之間。最后，當(dāng)通孔間隙小于信號(hào)載波波長(zhǎng)的一半時(shí)，可以確保TEM傳播。

到目前為止，我還沒(méi)有看到接地共面波導(dǎo)設(shè)計(jì)阻抗的閉合形式方程。您會(huì)在網(wǎng)上找到的計(jì)算器使用的曲線擬合結(jié)果僅在特定參數(shù)范圍內(nèi)有效。超出此范圍，這些曲線擬合近似將失敗。使用矩量法的場(chǎng)求解器將為阻抗，傳播常數(shù)和有效介電常數(shù)提供高精度解決方案。

帶有波導(dǎo)的更高級(jí)的射頻設(shè)計(jì)

還有其他波導(dǎo)幾何形狀可用于高頻路由。由于附近的接地屏蔽，這些波導(dǎo)可以提供TE模式傳播并可以提供隔離。這些其他波導(dǎo)布線樣式可以在我們博客的另一篇文章中找到。這些其他布線方式也可以采用標(biāo)準(zhǔn)工藝制造，使其易于包含在您的下一個(gè)RF PCB中。

就像共面波導(dǎo)設(shè)計(jì)一樣，這些其他布線樣式也不提供TEM模式傳播。它們還具有高隔離度，可調(diào)帶寬和單模傳播的相同優(yōu)勢(shì)。此外，通過(guò)選擇合適的端接，可以在結(jié)構(gòu)中形成直立模式，這對(duì)于耦合到PCB上的天線或其他無(wú)源RF組件很有用。如果您可以訪問(wèn)Mathematica之類的程序，則可以高精度計(jì)算上面列出的橢圓積分，并確定共面波導(dǎo)設(shè)計(jì)的電磁性能。更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)可能需要場(chǎng)求解器才能準(zhǔn)確描述設(shè)備中的波傳播。

當(dāng)前，最先進(jìn)的高速和高頻路由標(biāo)準(zhǔn)涉及寬帶設(shè)計(jì)，其中在整個(gè)信號(hào)帶寬中都考慮了網(wǎng)絡(luò)參數(shù)和系統(tǒng)中的色散。要了解有關(guān)RF設(shè)計(jì)這一重要領(lǐng)域的更多信息，請(qǐng)看我最近在2020 IEEE EPEPS會(huì)議上發(fā)表的技術(shù)演講之一。通過(guò)查看波導(dǎo)中的波阻抗，可以在整個(gè)信號(hào)帶寬內(nèi)設(shè)計(jì)具有所需阻抗的結(jié)構(gòu)。即將到來(lái)的高速數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)（例如USB 4.0）正在采用這種方法進(jìn)行互連設(shè)計(jì)，RF設(shè)計(jì)人員也可以這樣做，以消除其波導(dǎo)設(shè)計(jì)中的信號(hào)失真。