射频电路设计大全(六)

xiaozuncai

六．微带线

    （一）微带基本概念
    在前述中，所有涉及微带线的地方均以条状PCB传输线替代，而未考虑接地板的作用。
    通常的微带线，是由层积在介质基片上的导体带条和地板构成。按基本结构可分为非对称式和对称式两种（如图所示）。














    微带线是微波集成电路的主要组成部分。在集成电路中，可以用于连接元器件及构成电容、电感、谐振器、滤波器等微波元器件。
    微带线（即非对称微带传输线）的基本结构是由双传输线的一个特定应用，或称基本的双传输线演变得到，演变的原则是：
    双传输线上电磁场分布为横电磁波（如图13-a所示），若在两线间构成的平面垂直插入一导电良好的金属板（如图13-b所示），将不会改变双传输线的电磁场分布规律，而在条状态导体与金属板之间填入介质材料，即构成常规微带。
    对于微波集成电路（MW-IC）中的微带，介质基片是利用优良的专用材料（如陶瓷、石英、聚四氟乙烯等），但通常的产品工程（尤其是RF电路）中却是利用常规（双层或多层）PCB来构造微带电路，以此作为降低成本的主要途径。
    由图13所示的演变过程及图13-d可知：微带线内的场分布仍然为横电磁波。由于介质的相对介电常数较大，所以电磁场能量大部分集中在导体带条与接地板之间的介质夹层内传输，从而比空气介质损耗减少，工作频率提高。
    ● 可见，构造微带线的PCB基板应选用相对介质常数较大的材料。
    另外，由于微带线中的介质既有空气，又有介质基片，属于非匀称介质情况，从而造成场结构的变化，微带线内电磁场将出现纵向分量。但当尺寸选择合适并保证工作频率低于5GHz时，其纵向分量很小，在产品工程实际中，可仍然按横电磁波（TEM）处理而误差较小。

    （二）微带线的特性阻抗
    根据上述传输线理论，可知微带线特性阻抗







    对图14所示的标准微带线，因其是空气和基板组成的非匀称介质系统。

    所以其特性阻抗应介于之间。可以推出为。











式中，Zc=空气微带线特性阻抗，εe =有效介电常数。
    εe表征微带线处于非匀称介质中时，空气和介质共同对微带线阻抗的影响程度。
    可以推出：
    Zc0=60ln(8h/w-w/4h) （当w/h≤1）
    Zc0=120π/[w/h+2.42-0.44h/w+(1-h/w)6] （当w/h≥1）
                εe=(εr +1)/2+[(εr -1)/2](1+10h/w)-1/2
    上列三式表明，空气微带线特性阻抗Zc只与其结构参数w、h有关。有效介电常数εe除与w、h有关外，还与介质的相对介电常数εr有关。
    当h/w很小（即导体带条很宽或距离接地板较近）时，εe≈εr，此时可认为电力线全部集中在介质内。相反，当w/h很小（即导体条带很窄或距离接地板较远）时，
    εe≈(1+εr)/2相当于空气介质和基板介质的平均值。故εe在此两种极端情形之间变化。
    ■ 利用上述公式，可以求得基板介电常数为εr时，不同w/h之微带线的特性阻抗Zc（误差小于1.2%）。
    显然，也可做相反计算，即已知Zc、，求w/h值。这也是微波电路PCB常用的设计方法。
    在实际中，常利用上列公式，采用查表法和查曲线法进行设计计算（有关方法请参考相关技术资料）。由上述可以知道有关微波电路PCB的设计原则如下：
    ● PCB带状条规格将决定其构成的微带线特性阻抗。
    ● 可通过在带状条上附加镀层方式改变微带线结构特征（同时需考虑镀层之有关趋肤效应的参数）。
    ● 工作频率越高，越需要采用尽可能薄的PCB基板。
    ● 若空间允许，应尽可能是信号走线保持一定宽度。
    （三）微带线的损耗
    微带线的损耗主要包括基板的介质损耗、导体的欧姆损耗和辐射损耗。前两种损耗是主要的。只要微带线尺寸适当，基板的介电常数较高，辐射损耗就可忽略不计。
    ■ 可见，若想降低辐射干扰，首先应考虑如何规范微带线规格及基板材料。
    损耗将导致信号在微带线中的衰减，常用衰减系数α表示这种衰减特性。微带线的衰减主要由介质衰减常数αd和欧姆衰减常数αc来决定，即
                α=αd+αc
    α表示微带线单位长度上信号（电压或电流）振幅衰减的对数值。
    两种主要损耗相比，欧姆损耗要大得多。可以知道如下PCB设计原则：
    ● 介质损耗对衰减影响不显著。尽管如此，对于高频小信号（微波级），仍然应适当考虑。
    ● 导体带条规格形式对衰减影响较大。
    ● 基板越薄，衰减越小。
    ● 基板光洁度越高，衰减越小。
    ● 设计微带线必须考虑各种因素。在要求低成本情况下获得衰减最小的微带线。
    （四）耦合微带线和微带线的不均匀性
    1．耦合微带线







    耦合微带线（相临两根带条之间存在电磁耦合），是某些微带电路的基本组成部分。与具有孤立分布参数系统的单根微带线相比，耦合微带线在激励源作用下存在相互作用（类似于电源变压器初次级线圈之间的相互影响）。
    通常的耦合微带线，包括两个条带和四个端口，属于四端口网络。目前最常用的分析方法为奇模激励法与偶模激励法，简称“奇偶模参量法” ，其电磁场的分布如图16所示。
    ■ 由于四端口网络及其分析方法较复杂，常常易出现网络实际与分析结果不相符合的情况（微带规格与工艺精度是主要导致原因），故通常在微波集成电路（MW-IC）中应用。可以知道：
    ● RF电路中应避免形成耦合微带电路（不包括特意设计的微带电路），即：在两根带条之间应保持足够距离，通常对于800MHz以上工作频率，应不小于1mm（尽可能增大），并且随着频率增加而增加相互间距。如此，相互间的耦合效应方可忽略。
    ● 耦合微带线的各类参数与单根微带线一样，与其规格参数w、s、h有关。







    2．微带线的不均匀性
    在实际PCB设计及加工中，由于设计经验及加工工艺等问题（有些则是特意而为），常常出现如下图所示的不均匀微带线。







    在具有不均匀性的区域，场的结构将发生很大变化，使得沿线传输的电磁波除在不均匀处发生反射外，还有部分电磁能被存储。因此，当微带线损耗较低时，这种不均匀性可等效为串联或并联在电路中的电抗元件（如电容、电感、无耗损传输线段等）。
    ● 可见，若能充分有意识地利用微带的不均匀特性，可在PCB设计中构造各类特定参数的电抗元件。

七．结束语
    文本是在结合微波级射频无线通讯技术研发经验及相关理论基础上给予论述的。
    在PCB设计原则中，有关信号串扰、噪声、电源与地系统的设计等，均可通过上述理论与设计实际得出定性原则。其它未尽之处，请参考相关专业资料。
    无数事实证明，当PCB设计原则遵循上述理论与设计实际所体现的概念与原则，则基本上可以成功。所以，上述有关微波PCB设计方面的基本概念，对目前广泛开展的高频通讯RF电路（尤其是微波级），应是必须彻底理解并牢记于心的。当然，RF电路（尤其是微波级RF电路），涉及必要的分析计算与精心构造，在此没有多作介绍。
    特别值得指出的是：上述有关微波级PCB的设计原则及理论基础，均建立在“微波双传输线”基础上。
    通常人们以为微带线是为特定信号处理环节而专门构造，尽管如此，但本文的强调重点却不仅如此，而是希望大家注意：在RF电路上的任何走线，都构成特定规格的微带，都会发挥其特定作用，专门设计的微带，发挥出希望的特性，而没有意识地微带，则发挥出对性能的破坏作用。
    总之，应特别重视违反传输线理论原则方面对PCB设计所造成的困难。它们往往定性地体现在数字电路与相对中低频电路（由于非线性元器件而导致高次谐波产生，从而具备一定的高频电路特征），定性定量地体现在高频或微波电路上。