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(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(shè)計，就不會有多大問題。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。
（2）CAD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（包括PCB構(gòu)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(shè)計中，軟件的容錯設(shè)計并不理睬是否發(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。可以知道其關(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）CAD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，尚遠遠無法在具體設(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)分析儀分為標量和矢量兩種，是射頻電路設(shè)計必不可少的儀器。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)計逐個進行網(wǎng)路分析，才有可能使電路達到理想狀態(tài)。但如此工作的代價是以至少3~5版的PCB實際制作，而若沒有基本的PCB設(shè)計原則與基礎(chǔ)理念，所需要的PCB版本將更多（或者無法完成設(shè)計）。

由上述可見：
（1）在利用網(wǎng)絡(luò)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(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?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(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

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）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，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)定作用”基礎(chǔ)上，甚至認為“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。
應(yīng)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(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(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)，不能將采用常規(guī)設(shè)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未有過的發(fā)展速度邁向高頻（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(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(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。

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(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(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。

在雙線傳輸分析上，常將介質(zhì)損耗忽略（即R1<<ωL1，G1<<ωC1），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≈ (μ/π)ln(2D/d)    (H)
C1≈πε/ln(2D/d) (F)
式中，μ=線間介質(zhì)磁導(dǎo)率（H/cm）。當介質(zhì)為空氣時，μ=μ0=4×E-5（H/cm）；ε=線間介電常數(shù)。當介質(zhì)為空氣時，ε=ε0=8.85×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(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(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式為：

i(t , z) = Acos(ωt-βz)-cos(ωt+βz)

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(guān)的常數(shù)（入射波與反射波幅度）；ω=相角；β=相移常數(shù)。

由瞬時電流波表達式可知，在簡諧波激勵下，PCB傳輸線上電流為兩個簡諧波電流的代數(shù)和。分別對式中兩項作函數(shù)圖，可知：第一項電流為隨時間沿+Z方向（由電源到負載）的電流波；第二項為隨時間沿-Z方向（由負載到電源）傳輸?shù)碾娏鞑?。前者稱為入射電流波，后者稱為反射電流波。

■ 即：穩(wěn)態(tài)過程中，PCB傳輸線上的電流是線上向相反方向傳播的兩個波疊加之結(jié)果。

2．關(guān)系常數(shù)簡介

■ α=衰減常數(shù)。若考慮PCB傳輸線損耗，則α≠0。

■ β=相移常數(shù)。其為電磁波沿PCB傳輸線傳播單位長度的相移，與波長有關(guān)系：β=2π/λ。參照圖2，又有關(guān)系：

■ γ=傳播常數(shù)?？紤]PCB傳輸線損耗時，波的衰減常數(shù)α與相移常數(shù)β的變量和，即：γ=α+jβ

■ Vp=相速，行波等相位點的傳播速度。相速與β、ω間存在關(guān)系：vp=ω/β。

當電磁波傳播方向是與Z方向平行，則有Vp=Vc(Vc表示光速)。可以推出：

在空氣介質(zhì)中則有

綜上所述，可以推知高頻電路及其PCB設(shè)計原則如下：

● 分布參數(shù)電路不僅僅體現(xiàn)在集中參數(shù)向分布參數(shù)的轉(zhuǎn)化，更重要的是PCB電路的信號處理與傳輸，都開始部分地遵循電磁波的固有特性。工作頻率越高，這種特性越突出。

● 反射波概念是提高電路輸出功率或效率的根本概念，否則將導(dǎo)致與設(shè)計不符的一系列問題。

● 分布參數(shù)的考察，涉及電磁波理論中的一些基本物理定義，認真掌握這些物理定義在電路中的體現(xiàn)及計算方式，是解決設(shè)計實際的根本手段之一。

● 微波級高頻電路PCB帶裝線的分布參數(shù)特性，可以通過一些關(guān)系常數(shù)所體現(xiàn)的表達式表征，并通過這些常數(shù)達到PCB設(shè)計目的。