看看任何受人尊敬的開發(fā)板，高頻模擬板，雷達板或其他RF系統(tǒng)，您都會看到直接嵌入到PCB布局中的獨特波導(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)計可能是最常見的。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)計易于在RF PCB布局中進行布線，并且通常用于受控阻抗布線。這對于RF應(yīng)用非常重要，因為RF應(yīng)用通常需要將信號路由到放大器，混頻器，天線或其他RF組件。在本簡要指南中，我編譯了在PCB布局中設(shè)計受控阻抗時所需的重要共面波導(dǎo)方程。

共面波導(dǎo)設(shè)計入門

所有共面波導(dǎo)都有兩種類型：標準共面波導(dǎo)和接地共面波導(dǎo)。標準共面波導(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)部層中運行的變體，但兩者都是為在表面層上布線而設(shè)計的。

與標準微帶或帶狀線設(shè)計相比，使用共面波導(dǎo)設(shè)計具有一些優(yōu)勢：

l高隔離度。這可能是使用共面波導(dǎo)設(shè)計的最常見原因。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，許多場線穿過電介質(zhì)上方的區(qū)域，因此它們不會遭受那么多的損耗。

l可調(diào)帶寬。可以通過調(diào)整幾何形狀來調(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程即可生產(chǎn)。當前的制造工藝可用于制造載波頻率高達?100 GHz或更高的共面波導(dǎo)設(shè)計。

作為共面波導(dǎo)設(shè)計的一部分，需要計算兩個主要量：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。讓我們更仔細地查看每種類型的結(jié)構(gòu)，以了解如何執(zhí)行這些計算。

標準共面波導(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)計手冊》，第73-74頁，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)計方程式，任何射頻設(shè)計人員均應(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，盡管場線現(xiàn)在可以終止于下層地面，但場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)的幾何形狀無關(guān)，并且大約是空氣和基底介電常數(shù)的平均值。對于阻抗，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。在線上有很多計算器，還有一些開源工具可以為您處理上述計算。

接地共面波導(dǎo)方程

在這里，我們有一個簡單的結(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的載波頻率，但必須大于基板的厚度，因此，磁場包含在條帶與下部接地平面之間。最后，當通孔間隙小于信號載波波長的一半時，可以確保TEM傳播。

到目前為止，我還沒有看到接地共面波導(dǎo)設(shè)計阻抗的閉合形式方程。您會在網(wǎng)上找到的計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)的更高級的射頻設(shè)計

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準工藝制造，使其易于包含在您的下一個RF PCB中。

就像共面波導(dǎo)設(shè)計一樣，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。此外，通過選擇合適的端接，可以在結(jié)構(gòu)中形成直立模式，這對于耦合到PCB上的天線或其他無源RF組件很有用。如果您可以訪問Mathematica之類的程序，則可以高精度計算上面列出的橢圓積分，并確定共面波導(dǎo)設(shè)計的電磁性能。更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)可能需要場求解器才能準確描述設(shè)備中的波傳播。

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