微帶與共面波導(dǎo)CPWG設(shè)計(jì)

2016-12-22 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

經(jīng)常有射頻同行問(wèn)到微帶線設(shè)計(jì)的時(shí)候,采用哪種微帶形式更好?或者說(shuō)普通微帶線和CPW/CPWG共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)各自有那些優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)?這個(gè)問(wèn)題看似簡(jiǎn)單,卻很少有資料給出比較肯定的答案,下面將結(jié)合Rogers的相關(guān)文獻(xiàn),對(duì)這個(gè)問(wèn)題進(jìn)行解答。

從射頻到毫米波頻段,共面波導(dǎo)(CPW)電路是普遍應(yīng)用的微帶形式。傳統(tǒng)的共面波導(dǎo)是在PCB介質(zhì)基片的表面上制作出導(dǎo)體線,底層制作接成平面GND層。被稱為接地共面波導(dǎo)(CPW或CPWG)的電路是傳統(tǒng)共面波導(dǎo)的一種改進(jìn)電路。CPWG是在CPW電路結(jié)構(gòu)的底面增加了一個(gè)接地平面,并通過(guò)過(guò)孔via連接上下地平面。

微帶與共面波導(dǎo)CPWG設(shè)計(jì)ADS電磁培訓(xùn)教程圖片1

盡管CPW和CPWG兩種電路都對(duì)鄰道信號(hào)具有超好的隔離度,從而降低在高密度電路中的串?dāng)_。但相比CPW,CPWG會(huì)使不連續(xù)處輻射量增加,其原因是CPWG中接地過(guò)孔的設(shè)計(jì)會(huì)影響阻抗,并增加損耗。但另一方面,當(dāng)工作頻率升高時(shí),相比微帶線電路, CPWG地孔的設(shè)計(jì)可以允許更大的介質(zhì)材料厚度。其次,在大功率電路應(yīng)用中,CPWG比CPW的散熱性能更佳,而且增加的接地平面也提高了電路的機(jī)械穩(wěn)定性。最后,當(dāng)工作在微波和毫米波頻率時(shí),對(duì)于相同電路材料的微帶線和CPWG,CPWG的表面波泄露和輻射損耗更小。

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在毫米波及以下頻段,CPW和CPWG的生產(chǎn)工藝相對(duì)簡(jiǎn)單且電路性能的穩(wěn)定性良好。通過(guò)傳輸線傳播的電磁波能量,特別是CPWG,其大部分能量都保留在PCB介質(zhì)材料內(nèi)部。和微帶線電路相比,雖然CPW和CPWG都具有更高的導(dǎo)體損耗,但CPW和CPWG電路的損耗特征是與頻率呈線性關(guān)系。而微帶線電路,特別是在較高頻段時(shí),損耗(因與輻射損耗有關(guān))會(huì)隨著頻率不斷變化。此外,CPW和CPWG的損耗可以通過(guò)合理設(shè)計(jì)過(guò)孔位置及電路尺寸來(lái)降低。

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在毫米波等高頻頻段,電路的尺寸變得越來(lái)越小,電路中許多關(guān)鍵元件的尺寸將接近電路所傳輸信號(hào)的波長(zhǎng)。對(duì)于微帶線和帶狀線,反射損耗和輻射損耗會(huì)隨著頻率的上升而增加,選擇合適的電路設(shè)計(jì)變得尤為關(guān)鍵。如果設(shè)計(jì)得當(dāng),CPW特別是CPWG電路在高頻段可獲得良好的性能,且可常與微帶線相結(jié)合使用。在許多高頻設(shè)計(jì)實(shí)例中,CPWG都作為微帶傳輸線接口處的高性能接口。

CPW是在介質(zhì)基片的頂層制作導(dǎo)體,并在導(dǎo)體兩側(cè)制作接地平面,呈現(xiàn)地線-信號(hào)線-地線(GSG)布局。CPW的地平面與信號(hào)線是共面的,通過(guò)調(diào)節(jié)信號(hào)線寬度及信號(hào)線與地之間的間距來(lái)控制阻抗。當(dāng)信號(hào)線的寬度漸變至連接器引腳時(shí),CPW的阻抗值可以保持為常數(shù)。

CPWG在介質(zhì)層的底面增加了接地平面,并通過(guò)過(guò)孔等方式實(shí)現(xiàn)上下接地面的連接。在CPW中電磁能量主要集中在介質(zhì)層內(nèi)部。對(duì)于CPW和CPWG,當(dāng)介質(zhì)基片的厚度為導(dǎo)線寬度2倍以上時(shí),能有效抑制電磁能量向空氣中泄露。當(dāng)大于2倍以上時(shí),特征阻抗基本由中心導(dǎo)線寬度及導(dǎo)線和接地平面的間距決定。CPW特征阻抗值通常在20~250 ?,而微帶線與帶狀線特征阻抗值通常分別在20~120 ?和35~250 ?。

CPW和CPWG中的耦合

與任何電路技術(shù)一樣,CPW和CPWG有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。針對(duì)不同的應(yīng)用需要,包括數(shù)字電路和模擬電路,必須綜合權(quán)衡其利弊。CPW和CPWG頂層接地線產(chǎn)生的奇模和偶模電流會(huì)造成電路的多種模的耦合。當(dāng)頻率升高時(shí), CPW和CPWG的GSG結(jié)構(gòu)中較近的間隔距離易于形成強(qiáng)耦合,獲得較好的寄生模抑制能力,且輻射損耗也較低。增加信號(hào)線和地之間的間距或增加信號(hào)線寬度(低導(dǎo)體損耗和插入損耗)都能有效降低損耗。當(dāng)適當(dāng)增加信號(hào)線和地之間的間距,即達(dá)到松耦合時(shí),可以降低電路的導(dǎo)體損耗和插入損耗。但其代價(jià)是帶來(lái)更為嚴(yán)重的輻射損耗和雜散失真。因此,對(duì)于CPW和CPWG,合適的耦合強(qiáng)度選取是既要有利于獲得低損耗的同時(shí)也能有效抑制寄生模。

一般情況下,電路的尺寸越薄越利于降低輻射損耗。對(duì)于工作于30GHz或者更高頻的毫米波電路,輻射損耗是電路總體損耗的一個(gè)重要部分。輻射損耗很大程度上與PCB材料的Dk值(介電常數(shù))有關(guān)。電路材料的Dk值越高,電路的輻射損耗就越小,然而高Dk值會(huì)帶來(lái)更大的導(dǎo)體損耗。因?yàn)楫?dāng)Dk值增大時(shí),為保持特征阻抗不變,信號(hào)線的寬度會(huì)變窄。因此,導(dǎo)體損耗將增大。

PCB電路中銅的表面粗糙度會(huì)影響電場(chǎng)和電流。有效介電常數(shù)會(huì)隨銅表面粗糙度的增加而增大。此外,銅表面粗糙度會(huì)影響電路的插入損耗,通常CPWG的影響比微帶線小。因?yàn)樵贑PWG電路中,電場(chǎng)和電流集中分布在PCB上GSG區(qū)的內(nèi)部。而在微帶線電路中,電場(chǎng)和電流沿著金屬導(dǎo)體底部即金屬導(dǎo)體粗糙面?zhèn)鞑?。因?CPWG的插入損耗受粗糙度的影響比微帶線更小。

仿真軟件的使用,如是德科技ADS,可以為各種CPW和CPWG電路設(shè)計(jì)提供合適的參數(shù),比如走線寬度、介質(zhì)厚度、接地面之間的間距等,這些參數(shù)都會(huì)對(duì)最終性能產(chǎn)生重大影響。

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