微波電路及其PCB設計

一．關於(yú)CAD輔(fǔ)助設計軟件與網絡分析儀

對於(yú)高頻電路設計，當前已經有瞭(le)很好的CAD類軟件，其強大的功能足以克服人們在設計經驗方面的不足及繁瑣的參數檢索與計算，再配合功能強大的網絡分析儀，按理應該是稍具經驗者便能完成質量較好的射頻部件。但是，實際中卻不是這回事。

CAD設計軟件依靠的是強大的庫函數，包含瞭世界上絕大部分無線電器件生産商提供的元器件參數與基本性能指标。不少射頻工程師錯誤地認爲：隻要利用該工具軟件進行設計，就不會有多大問題。但實際結果卻總是與願望相反，原因是他們在錯誤認識下放棄高頻電路設計基本概念的靈活應用及基本設計原則的應用經驗積累，結果在軟件工具的應用中常犯下基本應用錯誤。射頻電路設計CAD軟件屬於透明可視化軟件，利用其各類高頻基本組态模型庫來完成對實際電路工作狀态的模拟。至此，我們已經可以明白其中的關鍵環節棗高頻基本組态模型有兩類，一類屬於集中參數形态之元器件模型，另一類屬於常規設計中的局部功能模型。於是存在如下方面問題：
（1）元器件模型與CAD軟件長期互動發展，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用環境（尤其是元器件應用的電環境）均爲典型值。多數情況下，必須利用經驗確定系列應用參數，否則其實際結果有時甚至比不借助CAD軟件的設計結果相差更遠。
（2）CAD軟件中建立的常規高頻基本組态模型，通常限於目前應用條件下可預知的方面，而且隻能局限於基本功能模型（否則産品研發無須用人，僅靠CAD一手包辦而誕生各類産品）。

（3）特别值得注意的是：典型功能模型的建立，是以典型方式應用元器件並以典型完善的工藝方式構造（包括PCB構造）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，也與模型狀态相差甚遠。原因是：盡管選用的元器件及其參數一緻，但它們的組合電環境卻無法一緻。在低頻電路或數字電路中，這種相差毫厘的情況妨礙不大，但在射頻電路中，往往發生緻命的錯誤。
（4）在利用CAD軟件進行設計中，軟件的容錯設計並不理睬是否發生與實際情況相違背的錯誤參數設置，於是，按照其軟件運行路徑給出一理想的結果，實際中卻是問題百出的結果。可以知道其關鍵錯誤環節在於沒有利用射頻電路設計的基本原則去正確應用CAD軟件。
（5）CAD軟件僅僅屬於設計輔助工具，利用其具備的實時模拟功能、強大的元器件模型庫及其函數生成功能、典型應用模型庫等等方面來簡化人們的繁瑣設計與計算工作，到目前爲爲止，尚遠遠無法在具體設計方面代替人工智能。
CAD軟件在射頻PCB輔助設計中所體現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常“遭其暗算”。導緻原因仍然是其對參數設置的容錯特性。往往利用其仿真功能得出一理想的模型（包括各個功能環節），一到實際調試中才發現：還不如利用自己的經驗來設計。
所以，CAD軟件在PCB設計中，仍然僅僅有利於擁有基本的射頻設計經驗與技巧的工程師，幫助他們從事繁瑣的過程設計（非基本原則設計）。

網絡分析儀分爲标量和矢量兩種，是射頻電路設計必不可少的儀器。通常的做法是：結合基本的射頻電路設計理念和原則完成電路及PCB設計（或利用CAD軟件完成），按要求完成PCB的樣品加工並裝配樣機，然後利用網絡分析儀對各個環節的設計逐個進行網路分析，才有可能使電路達到理想狀态。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設計原則與基礎理念，所需要的PCB版本将更多（或者無法完成設計）。

由上述可見：
（1）在利用網絡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設計理念和原則，必須能通過分析結果而明確知道PCB的設計缺陷棗僅此一項就要求相關工程師具備相當的經驗。
（2）對樣機網路環節進行分析過程中，必須依靠熟練的實驗經驗和技巧來構造局部功能網絡。因爲很多時候，通過網絡分析儀所發現的電路缺陷，會同時存在多方面的導緻因素，於是必須利用構造局部功能網路來加以分析，徹查導緻原因。這種實驗性電路構造必須借助清晰的高頻電路設計經驗與熟練的電路PCB構造原則。

二．本文的針對範疇

本文主要針對通訊産品的一個前沿範疇棗微波級高頻電路及其PCB設計方面的理念及其設計原則。之所以選擇微波級高頻電路之PCB設計原則，是因爲該方面原則具有廣泛的指導意義且屬當前的高科技熱門應用技術。從微波電路PCB設計理念過渡到高速無線網絡（包括各類接入網）工程，也是一脈相通的，因爲它們基於同一基本原理棗雙傳輸線理論。

有經驗的射頻工程師設計的數字電路或相對較低頻率電路PCB，一次成功率是非常高的，因爲他們的設計理念是以“分布”參數爲核心，而分布參數概念在較低頻率電路（包括數字電路中）中的破壞作用，常爲人們所忽略。
長期以來，許多同行完成的電子産品（主要針對通訊産品）設計，往往問題重重。一方面固然與電原理設計（包括冗餘設計、可靠性設計等方面）的必要環節缺乏有關，但更重要的，是許多這類問題在人們認爲已經考慮瞭各項必要環節下而發生的。針對這些問題，他們往往将精力花在對程序、電原理、參數冗餘等方面的核查上，卻極少将精力花在對PCB設計的審核方面，而往往正是由於PCB設計缺陷，導緻大量的産品性能問題。
PCB設計原則涉及到許多方方面面，包括各項基本原則、抗幹擾、電磁兼容、安全防護，等等。對於這些方面，特别在高頻電路（尤其在微波級高頻電路）方面，相關理念的缺乏，往往導緻整個研發項目的失敗。許多人還停留在“将電原理用導體連接起來發揮預定作用”基礎上，甚至認爲“PCB設計屬於結構、工藝和提高生産效率等方面的考慮範疇”。許多專業射頻工程師也沒有充分認識到該環節在射頻設計中，應是整個設計工作的特别重點，而錯誤地将精力花費在選擇高性能的元器件，結果是成本大幅上升，性能的提高卻微乎其微。
應特别在此提出的是，數字電路依靠其強的抗幹擾、檢糾錯以及可任意構造各個智能環節來確保電路的正常功能。一個普通的數字應用電路而高附加地配置各類“確保正常”的環節，顯然屬於沒有産品概念的舉措。但往往在認爲“不值得”的環節，卻導緻産品的系列問題。原因是這類在産品工程角度看不值得構造可靠性保證的功能環節，應該建立在數字電路本身的工作機理上，隻是在電路設計（包括PCB設計）中的錯誤構造，導緻電路處於一種不穩定狀态。這種不穩定狀态的導緻，與高頻電路的類似問題屬於同一概念下的基本應用。

在數字電路中，有三個方面值得認真對待：
（1）數字信号本身屬於廣譜信号。根據傅裏葉函數結果，其包含的高頻成份非常豐富，所以數字IC在設計中，均充分考慮瞭數字信号的高頻分量。但除瞭數字IC外，各功能環節内部及之間的信号過渡區域，若任意而爲，将會導緻系列問題。尤其在數字與模拟和高頻電路混合應用的電路場合。
（2）數字電路應用中的各類可靠性設計，與電路在實際應用中的可靠性要求及産品工程要求相關，不能将採用常規設計完全能達到要求的電路附加各類高成本的“保障”部分。
（3）數字電路的工作速率正在以未有過的發展速度邁向高頻（例如目前的CPU，其主頻已經達到1.7GHz棗遠遠超過微波頻段下限）。盡管相關器件的可靠性保障功能也同步配套，但其建立在器件内部和典型外部信号特征基礎上。

三．雙傳輸線理論對微波電路設計及其PCB布線原則指導意義綜述

（一）雙線理論下的PCB概念

對於微波級高頻電路，PCB上每根相應帶狀線都與接地闆形成微帶線（非對稱式），對於兩層以上的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，由此又形成各類複雜的四端口網絡，從而構成微波級電路PCB的各種特性規律。

可見，微帶傳輸線理論，是微波級高頻電路PCB的設計基礎。
■ 對於800MHz以上的RF-PCB設計，天線附近的PCB網路設計，應完全遵循微帶理論基礎（而不是僅僅将微帶概念用於改善集中參數器件性能的工具）。頻率越高，微帶理論的指導意義便越顯著。
■ 對於電路的集中參數與分布參數，雖然工作頻率越低，分布參數的作用特性越弱，但分布參數卻始終是存在的。是否考慮分布參數對電路特性的影響，並沒有明確的分界線。所以，微帶概念的建立，對於數字電路與相對中頻電路PCB設計，同樣是重要的。
■微帶理論的基礎與概念和微波級RF電路及PCB設計概念，實際上是微波雙傳輸線理論的一個應用方面，對於RF-PCB布線，每相鄰信号線（包括異面相鄰）間均形成遵循雙線基礎原理的特征（對此，後續将有明確的闡述）。
■ 雖然通常的微波 RF 電路均在其一面配置接地闆，使得其上的微波信号傳輸線趨向複雜的四端口網路，從而直接遵循耦合微帶理論，但其基礎卻仍是雙線理論。所以在設計實際中，雙線理論所具有的指導意義更爲廣泛。
■ 通常而言對於微波電路，微帶理論具有定量指導意義，屬於雙線理論的特定應用，而雙線理論具有更廣泛的定性指導意義。
■ 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計工作並無聯系（尤其是數字電路及低頻電路），其實是一種錯覺。雙線理論可以指導一切電子電路設計中的概念問題，特别是PCB線路設計概念方面的意義更爲突出。

雖然雙線理論是在微波高頻電路前提下建立的，但這僅僅因爲高頻電路中分布參數的影響變得顯著，使得指導意義特别突出。在數字或中低頻電路中，分布參數與集中參數元器件相比，達到可以忽略的地步，雙線理論概念變得相應模糊。

然而，如何分清高頻與低頻電路，在設計實際中卻是經常容易忽略的方面。通常的數字邏輯或脈沖電路屬於哪一類？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，很容易體現出某些高頻特征。高檔CPU的主頻已經到1.7GHz，遠超過微波頻率下限，但仍然屬於數字電路。正因爲這些不確定性，使的PCB設計異常重要。

■ 在許多情況下，電路中的無源元器件，均可等效爲特定規格的傳輸線或微帶線，並可用雙傳輸線理論及其相關參量去描述。

總之，可以認爲雙傳輸線理論是在綜合所有電子電路特征基礎上誕生的。因此，從嚴格意義上說，如果設計實際中的每一環節，首先以雙傳輸線理論所體現的概念爲原則，那末相應的PCB電路所面臨的問題就會很少（無論該電路是在什麽工作條件下應用）。

(二)雙傳輸線與微帶線構造簡介

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用。圖1-a. 即爲微波雙線及其場分布示意圖。在微波級工作頻率的PCB 基闆上，可以構成常規的異面平行雙線（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爲無窮大時，便構成典型的微帶線（如圖1-d.所示）。從雙傳輸線到微帶，僅邊緣特性改變，定性特征基本一緻。

注：在許多微波專業論述中，均僅僅描述由常規均勻圓柱形導體構成的雙傳輸線，對PCB 電路的雙線描述則以矩形條狀線爲常規雙傳輸線。

2、微帶線的雙線特征

圖2-a.爲常規微波雙線的場分布示意圖。圖2-b.爲PCB 條狀線場分布示意圖。圖2-c.爲帶有有限接地闆的

微波雙線場分布示意（注：圖中雙線之一和接地闆連通）。圖2-d 爲具有相對無窮大接地闆之雙線場分布示意（注：

圖中雙線之一和接地闆連通）。

圖3-a.爲典型偶模激勵耦合微帶線場分布示意。圖3-b. 爲典型奇模激勵耦合微帶線場分布示意。

從圖1 、圖2 、圖3 所示場分布狀态看，雙線與微帶線（包括耦合微帶線）特性僅僅爲邊緣特性的不同。

四．PCB平行雙線中的電磁波傳輸特性

（一）分布參數概念與雙傳輸線

對於集中參數電路，随著工作頻率的提高，電路中的電感量和電容量都将相應減少，如圖4所示的振蕩回路。

當電路中電感量小到一定程度，将使線圈等效爲直線（圖4-b.）；當電容量小到一定程度，将由導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計原則：

● 當工作頻率較高時，集中參數将轉化爲分布參數，並起主導作用。這是微波電路的主要形式。

● 在分布參數PCB電路中，沿導線處處分布電感，導線間處處分布電容。

● 在高頻PCB電路設計中，注意元器件标稱值與實際值的離散性差别是相對於工作頻率而定的。

● 由圖可知，PCB條狀雙線就是具有分布參數之電路的簡單形式，除瞭可以傳輸電磁能外，還可作爲諧振回路使用。

（二）PCB條狀雙線分布參數的等效方式

通常将一段雙線導線分成許多小段（例如每段長度1cm），然後将每段雙導線所具有的分布電感與電容量表示爲集中參數形式，如圖5所示。圖中b線，可以是PCB上與a同面並行之走線或地線，也可以是異面並行之走線，爲便於解釋，這裏指空氣中兩並行線。

在雙線傳輸分析上，常将介質損耗忽略（即R1<<ωL1，G1<<ωC1），然後等效爲圖5所示的“無耗傳輸線”形式（即忽略電磁波衰耗）。根據電磁場理論，可知每1cm的條狀雙傳輸線電感量與電容量分别爲：
L1≈ (μ/π)ln(2D/d)    (H)
C1≈πε/ln(2D/d) (F)
式中，μ=線間介質磁導率（H/cm）。當介質爲空氣時，μ=μ0=4×E-5（H/cm）；ε=線間介電常數。當介質爲空氣時，ε=ε0=8.85×E-10；D=雙線間距；d=PCB線厚度或寬度（具體定義詳見後續說明）。

綜合上述的設計概念如下：

● PCB中，可分别近似認爲d爲銅皮寬度（對電感）或銅皮厚度（對電容），前提是對無接地闆的同面雙線。對於異面平行雙線時，D爲PCB厚度，d爲線寬。

● 工作於高頻狀态兩層以上PCB設計中，不僅要考慮同面走線間的分布參數，也需考慮異面走線間的分布參數，而且更爲重要（具接地闆的RF-PCB電路則屬於另外的分析方式棗參見後續）。

（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，然後向次級電容放電的過程形式傳播的，稱爲電流行波。

若将圖6中電源換爲簡諧規律的交流源，可以推知，将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。這種電壓行波，在工作波長與所考察傳輸線長度可比拟時，是較爲明顯的。

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拟時，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，體現爲電磁波形式，而且在導體引導下沿線傳播。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走線開始脫離經典的歐姆規律，而以“行波”或電磁波導向條形式體現其在電路中的功能。

（四）行波的傳播特性

1．入射波與反射波

對於理想的“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爲：

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=與激勵信号幅度及終端負載有關的常數（入射波與反射波幅度）；ω=相角；β=相移常數。

由瞬時電流波表達式可知，在簡諧波激勵下，PCB傳輸線上電流爲兩個簡諧波電流的代數和。分别對式中兩項作函數圖，可知：第一項電流爲随時間沿+Z方向（由電源到負載）的電流波；第二項爲随時間沿-Z方向（由負載到電源）傳輸的電流波。前者稱爲入射電流波，後者稱爲反射電流波。

■ 即：穩态過程中，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果。

2．關系常數簡介

■ α=衰減常數。若考慮PCB傳輸線損耗，則α≠0。

■ β=相移常數。其爲電磁波沿PCB傳輸線傳播單位長度的相移，與波長有關系：β=2π/λ。參照圖2，又有關系：

■ γ=傳播常數。考慮PCB傳輸線損耗時，波的衰減常數α與相移常數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：

在空氣介質中則有

綜上所述，可以推知高頻電路及其PCB設計原則如下：

● 分布參數電路不僅僅體現在集中參數向分布參數的轉化，更重要的是PCB電路的信号處理與傳輸，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，否則将導緻與設計不符的一系列問題。

● 分布參數的考察，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及計算方式，是解決設計實際的根本手段之一。

● 微波級高頻電路PCB帶裝線的分布參數特性，可以通過一些關系常數所體現的表達式表征，並通過這些常數達到PCB設計目的。