微帶與共面波導CPWG設計

2016-12-22 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網

經常有射頻同行問到微帶線設計的時候,采用哪種微帶形式更好?或者說普通微帶線和CPW/CPWG共面波導結構各自有那些優(yōu)點缺點?這個問題看似簡單,卻很少有資料給出比較肯定的答案,下面將結合Rogers的相關文獻,對這個問題進行解答。

從射頻到毫米波頻段,共面波導(CPW)電路是普遍應用的微帶形式。傳統(tǒng)的共面波導是在PCB介質基片的表面上制作出導體線,底層制作接成平面GND層。被稱為接地共面波導(CPW或CPWG)的電路是傳統(tǒng)共面波導的一種改進電路。CPWG是在CPW電路結構的底面增加了一個接地平面,并通過過孔via連接上下地平面。

盡管CPW和CPWG兩種電路都對鄰道信號具有超好的隔離度,從而降低在高密度電路中的串擾。但相比CPW,CPWG會使不連續(xù)處輻射量增加,其原因是CPWG中接地過孔的設計會影響阻抗,并增加損耗。但另一方面,當工作頻率升高時,相比微帶線電路, CPWG地孔的設計可以允許更大的介質材料厚度。其次,在大功率電路應用中,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械穩(wěn)定性。最后,當工作在微波和毫米波頻率時,對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。

在毫米波及以下頻段,CPW和CPWG的生產工藝相對簡單且電路性能的穩(wěn)定性良好。通過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介質材料內部。和微帶線電路相比,雖然CPW和CPWG都具有更高的導體損耗,但CPW和CPWG電路的損耗特征是與頻率呈線性關系。而微帶線電路,特別是在較高頻段時,損耗(因與輻射損耗有關)會隨著頻率不斷變化。此外,CPW和CPWG的損耗可以通過合理設計過孔位置及電路尺寸來降低。

在毫米波等高頻頻段,電路的尺寸變得越來越小,電路中許多關鍵元件的尺寸將接近電路所傳輸信號的波長。對于微帶線和帶狀線,反射損耗和輻射損耗會隨著頻率的上升而增加,選擇合適的電路設計變得尤為關鍵。如果設計得當,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合使用。在許多高頻設計實例中,CPWG都作為微帶傳輸線接口處的高性能接口。

CPW是在介質基片的頂層制作導體,并在導體兩側制作接地平面,呈現(xiàn)地線-信號線-地線(GSG)布局。CPW的地平面與信號線是共面的,通過調節(jié)信號線寬度及信號線與地之間的間距來控制阻抗。當信號線的寬度漸變至連接器引腳時,CPW的阻抗值可以保持為常數(shù)。

CPWG在介質層的底面增加了接地平面,并通過過孔等方式實現(xiàn)上下接地面的連接。在CPW中電磁能量主要集中在介質層內部。對于CPW和CPWG,當介質基片的厚度為導線寬度2倍以上時,能有效抑制電磁能量向空氣中泄露。當大于2倍以上時,特征阻抗基本由中心導線寬度及導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

與任何電路技術一樣,CPW和CPWG有各自的優(yōu)缺點。針對不同的應用需要,包括數(shù)字電路和模擬電路,必須綜合權衡其利弊。CPW和CPWG頂層接地線產生的奇模和偶模電流會造成電路的多種模的耦合。當頻率升高時, CPW和CPWG的GSG結構中較近的間隔距離易于形成強耦合,獲得較好的寄生模抑制能力,且輻射損耗也較低。增加信號線和地之間的間距或增加信號線寬度(低導體損耗和插入損耗)都能有效降低損耗。當適當增加信號線和地之間的間距,即達到松耦合時,可以降低電路的導體損耗和插入損耗。但其代價是帶來更為嚴重的輻射損耗和雜散失真。因此,對于CPW和CPWG,合適的耦合強度選取是既要有利于獲得低損耗的同時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。電路材料的Dk值越高,電路的輻射損耗就越小,然而高Dk值會帶來更大的導體損耗。因為當Dk值增大時,為保持特征阻抗不變,信號線的寬度會變窄。因此,導體損耗將增大。

PCB電路中銅的表面粗糙度會影響電場和電流。有效介電常數(shù)會隨銅表面粗糙度的增加而增大。此外,銅表面粗糙度會影響電路的插入損耗,通常CPWG的影響比微帶線小。因為在CPWG電路中,電場和電流集中分布在PCB上GSG區(qū)的內部。而在微帶線電路中,電場和電流沿著金屬導體底部即金屬導體粗糙面?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電路設計提供合適的參數(shù),比如走線寬度、介質厚度、接地面之間的間距等,這些參數(shù)都會對最終性能產生重大影響。

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