图4 电路的波长与杂散模
GCPW也是毫米波频段常用的传输线技术,具有较小的辐射损耗,其辐射损耗及电路总损耗也具有与微带线相类似的特性。电路的总损耗由于频率的升高而变大,特别是在毫米波频段电路损耗值的大小对于电路性能尤为重要。选用较薄的电路材料可以降低微带传输线在毫米波频段应用中的寄生杂散模和辐射损耗。较低的介质损耗材料,较光滑的材料铜箔可降低电路总的损耗值,进一步优化电路在毫米波频段下的性能。高介电常数会减小电路线宽,降低杂散模式的产生,但更窄的线宽使加工难度增加、一致性降低,容易增大批次间的波动。
3.信号馈入的优化
毫米波频段传输线的良好线路设计和选材可使电路的性能得到优化,但要实现更好的性能,传输线的信号馈入设计也是非常重要的一个方面。信号馈入设计属于电路匹配设计的范畴,良好的馈入设计可使信号能量无损耗和无反射的流入电路中,进一步提升的电路性能。
3.1 微带线的信号馈入
微带线和GCPW的信号导体均在电路表层,它们的信号馈入示意图如图5所示。当连接器的中心导体PIN与信号导体完全连接时,增加了信号馈入点出的电容性。由传输线理论可以知道,微带线的特性阻抗与电路的感抗成正相关,与容抗呈反相关。电路中电容性的增加会使线路的阻抗降低,而电容性的减小(电感性增加)会使线路的阻抗增加。当馈入点处呈现较大的电容性时,可以通过减小馈入点处线路面积来减小电容,使其满足50Ω的完全匹配;同样,当馈入点处呈现电感时,通过增大馈入点处的面积来增大电容。梯形线或渐变线是常用的增大或减小电容的方式,GCPW的信号馈入也可以相同方式优化。
图5 微带线/GCPW信号馈入示意图
选取了Rogers的热固性材料为例,制作电路进行性能对比的实验,如图6所示。左图是没有进行优化之前的电路,其馈入点处阻抗远大于50Ω,呈现较大的电感性而处于失配状态;此时电路的带宽窄,回波损耗在6.8GHz处已达到-15dB;电路的插入损耗值也从6.8GHz开始出现较大的波动。而右图是采用渐变线进行优化后的电路,其馈入点处的阻抗基本与50Ω相接近。此时电路的带宽拓展至30GHz附近,而且其插入损耗也基本保持稳定。因此正确处理电路馈入点电感性或电容性的设计,可以使微带电路的性能得到了优化。
图6 微带线信号馈入优化对比
3.2 GCPW的优化设计
GCPW的信号馈入的优化设计与微带线基本相同。但由于GCPW的结构与微带线结构不同,GCPW两侧地平面过孔位置对其性能也存在显著影响。选取Rogers的RO4350BTM材料设计不同GCPW传输线,如图7所示。电路均采用相同的信号馈入设计,不同之处在于接地过孔的位置与间隔。从实际电路的测试看到,三个不同电路馈入点阻抗测试基本一致,具有较好的馈入点设计。可以看到#3电路具有很好的插入损耗特性和回波特性,电路带宽能够达到40GHz以上。而对于#1号电路,由于接地过孔位置与线路相隔较远,延长了信号回路路径,使在信号回路中产生了寄生的电感或电容,从而导致性能恶化,电路带宽只有约30GHz。而#2号电路的接地过孔位置相同,但减少了过孔的数量,导致两个相邻过孔之间并没有形成良好的电壁而产生强反射;#2号电路的回波损耗和插入损耗带宽仅有约13GHz。因此GCPW的接地过孔设计也是影响其性能的关键因素。通常,过孔的位置应尽量靠近线路,过孔的间距不得大于最高工作频率的1/4波长。