撮要

正在高頻通路設(shè)想中，能夠采納多種沒有同的傳輸線技能來停止信號(hào)的傳輸，如罕見的同軸線、微帶線、帶狀線和波導(dǎo)等。而關(guān)于PCB立體通路，微帶線、帶狀線、共面波導(dǎo)（CPW），及介質(zhì)集成波導(dǎo)（SIW）等是罕用的傳輸線技能。但因?yàn)檫@多少種PCB立體傳輸線的構(gòu)造沒有同，招致其正在信號(hào)傳輸時(shí)的場散布也各沒有相反，從而正在PCB資料取舍、設(shè)想和使用，尤其是毫米波通路時(shí)體現(xiàn)出沒有同的通路功能。白文將以毫米波下通用的PCB立體傳輸線技能開展，議論通路資料、設(shè)想等對(duì)于毫米波通路功能的反應(yīng)，以及如何優(yōu)化。

1. 小引

多少年前，毫米波通路還僅僅用來航天、衛(wèi)星通訊、通訊回傳等特別專部分畛域。但是，隨著無線通訊技能的飛速停滯，對(duì)于更高的數(shù)據(jù)傳輸速率、更小的傳輸提早、更寬的帶寬等需要驅(qū)使毫米波頻段逐步被用正在挪動(dòng)通訊遮蓋相似，802.11ad WiGig，5G等畛域；隨著自動(dòng)保險(xiǎn)駕御和將來無人駕御技能的停滯，公共汽車對(duì)于調(diào)焦測速的請(qǐng)求越來越高，毫米波也被運(yùn)用正在如77GHz的公共汽車警報(bào)器畛域。然而，關(guān)于設(shè)想工事師來說，毫米波通路的設(shè)想與廣播段段射頻通路設(shè)想具有著明顯的沒有同。毫米波頻段下沒有同傳輸線技能的色散輻照或者高次模、阻抗婚配、信號(hào)的饋入技能等都將間接反應(yīng)通路最終的功能。

2. 罕用傳輸線技能

如圖1中場力線散布，微帶線與GCPW的信號(hào)流傳位置上并沒有具有場重量。但因?yàn)檫@兩種傳輸線的電、電場并沒有徹底擴(kuò)散布于電解質(zhì)中，有少全體場力線坐落氣氛中；招致信號(hào)正在電解質(zhì)中與氣氛中傳輸?shù)腡EM波的相速?zèng)]有同，其界線面并沒有能徹底完成相位婚配。因而這兩種傳輸條形式是準(zhǔn)TEM波形式。而帶狀線的場力線高低對(duì)于稱散布于兩頭層介質(zhì)中，因而帶狀線的傳輸形式是TEM波形式。

圖1 微帶線，接地共面波導(dǎo)及帶狀線構(gòu)造與場散布

SIW (Substrate integrated waveguide) 是近年來議論較多，介于微帶與介質(zhì)填充波導(dǎo)之間的一種新式傳輸線。SIW統(tǒng)籌保守波導(dǎo)和微帶傳輸線的長處，可完成高功能微波/毫米波的立體通路。其構(gòu)造如圖2所示，SIW由高低兩層非金屬、內(nèi)外兩排非金屬通孔、以及兩頭填充的介質(zhì)形成。其將保守波導(dǎo)構(gòu)造集成正在介質(zhì)基片中，實(shí)踐上是一種介質(zhì)填充的波導(dǎo)構(gòu)造。SIW 中的電波被制約正在高低非金屬層和兩排非金屬孔之間的海域流傳。因?yàn)橹绷麟姷纳⒉紶顩r，正在SIW中只能流傳TEn0波而沒有能流傳TM 或者TEmn(n≠0)波，與矩形波導(dǎo)類似，SIW 傳輸?shù)闹髂Ｊ荰E10模。

圖2 SIW的構(gòu)造與場散布

多少種PCB立體傳輸線技能有各自的長處和缺欠。相似SIW傳輸線，它存正在如可使用于超高頻段、輻照低、消耗高等長處，但因?yàn)槠湓O(shè)想難度大、加工艱難、沒有易與其余部件集成等缺欠，使其絕對(duì)于于其余多少種傳輸線來說并沒有被寬泛使用。

3. 輻照消耗

關(guān)于PCB傳輸線通路，拔出消耗次要囊括介質(zhì)消耗、超導(dǎo)體消耗、輻照消耗和保守消耗多少個(gè)全體，是各族消耗因素的總數(shù)。走漏消耗一般是因?yàn)樾盘?hào)與地之間構(gòu)成了走漏直流電而招致的能量的喪失。因?yàn)楦哳lPCB資料存正在較大的體電阻，保守消耗很小，正常能夠疏忽。通路的超導(dǎo)體消耗是傳輸線上信號(hào)門路的能量喪失，是由超導(dǎo)體本身的阻抗惹起。介質(zhì)消耗則是由形成通路的通路資料的耗散因數(shù)所決議，取舍絕對(duì)于較小的消耗因數(shù)資料有益于通路總的拔出消耗的減小。

關(guān)于中廣播段段通路，通路的拔出消耗次要由超導(dǎo)體消耗和介質(zhì)消耗有決議。而隨著通路所使用的頻次的一直降低，信號(hào)跨度變短，尤其是正在毫米波頻段，傳輸線的非閉合構(gòu)造，以及傳輸線的橫截面積與線寬等維持沒有變而使通路的輻照消耗就變得沒有可疏忽。微帶傳輸線雖然絕對(duì)于于上述其余三種正在毫米波頻段更簡單發(fā)生輻照消耗和雜散模，但因?yàn)槲Ь€存正在的加工簡單、設(shè)想容易、情理分寸小、易于集成等諸多長處使得其依然用來毫米波通路。那樣正在毫米波頻段運(yùn)用微帶線時(shí)需求如何停止優(yōu)化設(shè)想呢？

圖3 同種資料沒有同薄厚下微帶線的消耗

通路資料薄厚的升高對(duì)于輻照消耗的減小，也能夠看作是減小了通路中寄生雜散形式的發(fā)生。通路中所傳輸?shù)男盘?hào)常常蘊(yùn)含多個(gè)頻次重量。由微波通路實(shí)踐曉得，當(dāng)通路的薄厚或者幅度大于傳輸信號(hào)的1/8跨度時(shí)，通路將發(fā)生雜散模。如圖4所示，當(dāng)運(yùn)用的通路資料較厚，設(shè)想同一阻抗如50Ω路線也會(huì)較寬，假如這一薄厚或者幅度與所傳輸信號(hào)中的跨度相比較時(shí)，通路的功能就將被好轉(zhuǎn)。以16.6mil RO4350BTM資料設(shè)想的50Ω微帶線為例，這時(shí)微帶線的幅度是36mil。這一幅度對(duì)于應(yīng)的1/4跨度的頻次是46.5GHz，而對(duì)于應(yīng)的1/8跨度的頻次是23.8GHz。因而這一通路正在高頻段如46.5GHz時(shí)功能較差，而正在小于23.8GHz時(shí)的穩(wěn)定較小、功能較好。

圖4 通路的跨度與雜散模

4. 信號(hào)饋入的優(yōu)化

毫米波頻段傳輸線的優(yōu)良路線設(shè)想和甄拔可使通路的功能失去優(yōu)化，但要完成更好的功能，傳輸線的信號(hào)饋入設(shè)想也是無比主要的一度范圍。信號(hào)饋入設(shè)想歸于通路婚配設(shè)想的范圍，優(yōu)良的饋入設(shè)想可使信號(hào)能量無消耗和無反照的流入通路中，進(jìn)一步晉升的通路功能。

4.1 微帶線的信號(hào)饋入

微帶線和GCPW的信號(hào)超導(dǎo)體均正在通路表層，它們的信號(hào)饋入示企圖如圖5所示。當(dāng)聯(lián)接器的核心超導(dǎo)體PIN與信號(hào)超導(dǎo)體徹底聯(lián)接時(shí)，增多了信號(hào)饋入點(diǎn)出的庫容性。由傳輸線實(shí)踐能夠曉得，微帶線的特點(diǎn)阻抗與通路的感抗成正有關(guān)，與容抗呈反有關(guān)。通路中庫容性的增多會(huì)使路線的阻抗升高，而庫容性的減小（電理性增多）會(huì)使路線的阻抗增多。當(dāng)饋入點(diǎn)處出現(xiàn)較大的庫容性時(shí)，能夠經(jīng)過減小饋入點(diǎn)處路線面積來減小庫容，使其滿意50Ω的徹底婚配；異樣，當(dāng)饋入點(diǎn)處出現(xiàn)電感時(shí)，經(jīng)過增大饋入點(diǎn)處的面積來增大庫容。梯形線或者突變線是罕用的增大或者減小庫容的形式，GCPW的信號(hào)饋入也能夠相反形式優(yōu)化。

圖5 微帶線/GCPW信號(hào)饋入示企圖

選取了Rogers的熱固性資料為例，制造通路停止功能比照的試驗(yàn)，如圖6所示。左圖是沒有停止優(yōu)化事先的通路，其饋入點(diǎn)處阻抗遠(yuǎn)大于50Ω，出現(xiàn)較大的電理性而在于失配形態(tài)；這時(shí)通路的帶寬窄，回波消耗正在6.8GHz處已到達(dá)-15dB；通路的拔出消耗值也從6.8GHz開端涌現(xiàn)較大的穩(wěn)定。而右圖是采納突變線停止優(yōu)化后的通路，其饋入點(diǎn)處的阻抗根本與50Ω相瀕臨。這時(shí)通路的帶寬拓展至30GHz左近，并且其拔出消耗也根本維持穩(wěn)固。因而準(zhǔn)確解決通路饋入點(diǎn)電理性或者庫容性的設(shè)想，能夠使微帶通路的功能失去了優(yōu)化。

圖6 微帶線信號(hào)饋入優(yōu)化比照

4.2 GCPW的優(yōu)化設(shè)想

GCPW的信號(hào)饋入的優(yōu)化設(shè)想與微帶線根本相反。但因?yàn)镚CPW的構(gòu)造與微帶線構(gòu)造沒有同，GCPW兩側(cè)地立體過孔地位對(duì)于其功能也具有明顯反應(yīng)。選取Rogers的RO4350BTM資料設(shè)想沒有同GCPW傳輸線，如圖7所示。通路均采納相反的信號(hào)饋入設(shè)想，沒有同之處正在于接地過孔的地位與距離。從實(shí)踐通路的測試看到，三個(gè)沒有同通路饋入點(diǎn)阻抗測試根本分歧，存正在較好的饋入點(diǎn)設(shè)想。

圖7沒有同接地過孔地位的GCPW功能比擬

4.3 帶狀線的信號(hào)饋入和優(yōu)化

帶狀線的信號(hào)饋入設(shè)想與微帶線和GCPW有所沒有同。因路線沒有正在通路的表層，因?yàn)椴]有能運(yùn)用表貼式而需求運(yùn)用PIN針式聯(lián)接器停止聯(lián)接。如圖8所示，信號(hào)的饋入需求經(jīng)過PTH過孔來實(shí)現(xiàn)。其過孔的設(shè)想需求思忖過孔大小、孔內(nèi)銅厚、焊盤大小，孔與接天空之間的距離、以及過孔長短等參數(shù)的帶來的反應(yīng)。實(shí)考證實(shí)，增多過孔的大小、銅厚、焊盤大小以及過孔長短均使過孔的庫容性增多；而過孔與接天空之間距離增多將會(huì)減小過孔的庫容性，增多電理性。帶狀線的信號(hào)饋入聯(lián)接器經(jīng)過PIN針聯(lián)接過孔的內(nèi)壁，能夠看著是過孔超導(dǎo)體薄厚增多，招致了過孔的庫容性變大。正在設(shè)想和加工中，能夠經(jīng)過背鉆來移除全體過孔外部超導(dǎo)體孔壁或者增多接地距離的形式，到達(dá)減小庫容性的手段。

圖8 帶狀線信號(hào)饋入示企圖

選取7.3mil RO4350B LoproTM資料與8mil RO4450FTM半固化片制造了50Ω帶狀線通路，并設(shè)想沒有同的信號(hào)饋入過孔來評(píng)價(jià)沒有同設(shè)想對(duì)于通路功能的反應(yīng)。比擬兩個(gè)測試通路，它們存正在相反的孔壁銅厚和孔與地接地距離，而通路2比通路1有更大的過孔直徑和焊盤。為減小過孔的庫容性，經(jīng)過背鉆，移除非通路2中必要過孔長短，使通路2比通路1能更好的與50Ω構(gòu)成優(yōu)良婚配，如圖9所示。對(duì)于兩個(gè)通路停止回波和拔出消耗的測試失去，通路2就存正在更寬帶的回波消耗和穩(wěn)固的拔出消耗值。內(nèi)中，通路1的帶寬僅有約12GHz，而通路2的帶寬能到達(dá)22GHz。按此思緒，進(jìn)一步對(duì)于信號(hào)饋入過孔完美，可進(jìn)步通路的任務(wù)帶寬而使用于更高頻次的毫米波通路中。

圖9 沒有同饋入信號(hào)過孔設(shè)想的帶狀線功能比擬

5. 小結(jié)

綜上所述，為使使用于高頻毫米波頻段PCB立體傳輸線技能到達(dá)最優(yōu)的通路功能，需求思忖PCB甄拔和設(shè)想等多個(gè)反應(yīng)要素。正在通路設(shè)想前的甄拔時(shí)，為掌握通路色散或者高次模的發(fā)生需求思忖較薄的PCB資料；為升高介質(zhì)消耗，應(yīng)選取較低的資料介質(zhì)消耗；為升高超導(dǎo)體消耗，應(yīng)運(yùn)用較潤滑的銅箔等資料從而失去較好的通路傳輸功能。較窄的超導(dǎo)體線寬大易增大加工難度、升高分歧性，而沒有應(yīng)選用高介電常數(shù)資料。正在通路設(shè)想進(jìn)程中，正當(dāng)取舍沒有同的傳輸線技能，以及優(yōu)良的信號(hào)饋入設(shè)想可升高信號(hào)能量喪失，減小信號(hào)反照，到達(dá)優(yōu)良的饋入點(diǎn)婚配，從而進(jìn)一步晉升傳輸線通路正在毫米波頻段下的功能。