在高频电路设计中,可以采用多种不同的传输线技术来进行信号的传输,如常见的同轴线、微带线、带状线和波导等。而对于PCB平面电路,微带线、带状线、共面波导(CPW),及介质集成波导(SIW)等是常用的传输线技术。但由于这几种PCB平面传输线的结构不同,导致其在信号传输时的场分布也各不相同,从而在PCB材料选择、设计和应用,特别是毫米波电路时表现出不同的电路性能。本文将以毫米波下通用的PCB平面传输线技术展开,讨论电路材料、设计等对毫米波电路性能的影响,以及如何优化。
1.常用传输线技术
微带线是最为常用且结构最简单的传输线技术而被广泛使用。它仅仅依靠上层铜箔形成的信号线路、中间层介质和下层铜箔形成接地平面即可构成。结构非常简单且易于加工,性价比高,并能够满足不同结构的表面安装要求,如图1所示。接地共面波导(GCPW)结构与微带线相似,但在上层铜箔导体的两侧有接地平面,且通过金属过孔将上层和底层地平面相连。带状线的结构与微带线或共面波导线均不同,它的信号导体位于中间层,而上、下两层是接地平面而中间填充介质,几乎可以看作是扁平的同轴线结构。
如图1中场力线分布,微带线与GCPW的信号传播方向上并不存在场分量。但由于这两种传输线的电、磁场并不完全分分布于电介质中,有少部分场力线位于空气中;导致信号在电介质中与空气中传输的TEM波的相速不同,其分界面并不能完全实现相位匹配。因此这两种传输线模式是准TEM波模式。而带状线的场力线上下对称分布于中间层介质中,因此带状线的传输模式是TEM波模式。
图1 微带线,接地共面波导及带状线结构与场分布
SIW (Substrate integrated waveguide) 是近年来讨论较多,介于微带与介质填充波导之间的一种新型传输线。SIW兼顾传统波导和微带传输线的优点,可实现高性能微波/毫米波的平面电路。其结构如图2所示,SIW由上下两层金属、左右两排金属通孔、以及中间填充的介质构成。其将传统波导结构集成在介质基片中,实际上是一种介质填充的波导结构。SIW 中的电磁波被限制在上下金属层和两排金属孔之间的区域传播。由于电流的分布情况,在SIW中只能传播TEn0波而不能传播TM 或TEmn(n≠0)波,与矩形波导相似,SIW 传输的主模是TE10模。