微波電路及其PCB設一．關于輔助設計軟件與網絡分析儀對于高頻電路設計，當前已經有了很好的類軟件，其強大的功能足以克服人們在設計經驗方面的不足及繁瑣的參數檢索與計算再配合功能強大的網絡分析儀按理應該是稍具經驗者便能完成質量較好的射頻部件是際中卻不是這回事。設計軟件依靠的是強大的庫函，包含了世界上絕大部分無線電器件生產商提供的元器件參數與基本性能指標不少射頻工程師錯誤地認為只要利用該工具軟件進行設計就不會有多大問題但實際結果卻總是與愿望相反原因是他們在錯誤認識下放棄高頻電路設計基本概念的靈活應用及基本設計原則的應用經驗積累，結果在軟件工具的應用中常犯下基本應用錯誤。射頻電路設計軟件屬于透明可視化軟件，利用其各類高頻基本組態模型庫來完成對實際電路工作狀態的模擬。至此，我們已經可以明白其中的關鍵環節棗高頻基本組態模型有兩類，一類屬于集中參數形態之元器件模型一類屬于常規設計中的局部功能模型。于是存在如下方面問題：（1元器件模型與軟件長期互動發展，日趨完善實

際中可以基本相信模型的*真度。但元器件模型所考慮的應用環境（尤其是元器件應用的電環境）均為典型值。多數情況下，必須利用經驗確定系列應用參數則其實際結果有時甚至比不借助軟件的設計結果相差更遠。（2）件中建立的常規高頻基本組態模型，通常限于目前應用條件下可預知的方面，而且只能局限于基本功能模型（否則產品研發無須用人一手包辦而誕生各類產品（3）特別值得注意的是：典型功能模型的建立，是以典型方式應用元器件并以典型完善的工藝方式構造（包構造）下完成的，其性能也達到“典型”的較高水平。但在實際中，就是完全模仿，也與模型狀態相差甚遠。原因是：盡管選用的元器件及其參數一致但它們的組合電環境卻無法一致在低頻電路或數字電路中種相差毫厘的情況妨礙不大在射頻電路中，往往發生致命的錯誤。（4在利用軟件進行設計中軟件的容錯設計并不理睬是否發生與實際情況相違背的錯誤參數設置于是按照其軟件運行路徑給出一理想的結果實際中卻是問題百出的結果可以知道其關鍵錯誤環節在于沒有利用射頻電路設計的基本原則

去正確應用件。（5）件僅僅屬于設計輔助工具，利用其具備的實時模擬功能強大的元器件模型庫及其函數生成功能典型應用模型庫等等方面來簡化人們的繁瑣設計與計算工作，到目前為為止，尚遠遠無法在具體設計方面代替人工智能。軟件在射頻輔助設計中所體現的強大功能是該件大受歡迎的一個重要方面。但實際中，許多射頻工程師會經常“遭其暗算”。導致原因仍然是其對參數設置的容錯特性。往往利用其仿真功能得出一理想的模型（包括各個功能環節），一到實際調試中才發現：還不如利用自己的經驗來設計。所以，軟件在設計中，仍然僅僅有利于擁有基本的射頻設計經驗與技巧的工程師助他們從事繁瑣的過程設計（非基本原則設計）。網絡分析儀分為標量和矢量兩種，是射頻電路設計必不可少的儀器通常的做法是結合基本的射頻電路設計理念和原則完成電路及或利用軟件完成要求完成的樣品加工并裝配樣機后利用網絡分析儀對各個環節的設計逐個進行網路分析才有可能使電路達到最佳狀態但如此工作的代價是以至少版的實際制作，而若沒有基本的

設計原則與基礎理念，所需要的版本將更多（或者無法完成設計）。由上述可見：（1）在利用網絡分析儀對射頻電路進行分析過程中，必須具有完備的高頻電路設計理念和原則，必須能通過分析結果而明確知道的設計缺陷棗僅此一項就要求相關工程師具備相當的經驗。（2）對樣機網路環節進行分析過程中，必須依靠熟練的實驗經驗和技巧來構造局部功能網絡因為很多時候通過網絡分析儀所發現的電路缺陷會同時存在多方面的導致因素于是必須利用構造局部功能網路來加以分析徹查導致原因這種實驗性電路構造必須借助清晰的高頻電路設計經驗與熟練的電路構造原則。二．本文的針對范疇本文主要針對通訊產品的一個前沿范疇棗微波級高頻電路及其設計方面的理念及其設計原則。之所以選擇微波級高頻電路之設計原則，是因為該方面原則具有廣泛的指導意義且屬當前的高科技熱門應用技術。從微波電路設計理念過渡到高速無線網包括各類接入網工程是一脈相通的，

因為它們基于同一基本原理棗雙傳輸線理論。有經驗的射頻工程師設計的數字電路或相對較低頻率電路PCB一次成功率是非常高的因為他們的設計理念是“分布”參數為核心分布參數概念在較低頻率電包括數字電路中）中的破壞作用，常為人們所忽略。長期以來，許多同行完成的電子產品（主要針對通訊產品）設計往往題重重一方面固然與電原理設包括冗余設計、可靠性設計等方面）的必要環節缺乏有關，但更重要的，是許多這類問題在人們認為已經考慮了各項必要環節下而發生的針對這些問題，他們往往將精力花在對程序、電原理、參數冗余等方面的核查上，卻極少將精力花在對計的審核方面，而往往正是由于計缺陷，導致大量的產品性能問題。設計原則涉及到許多方方面面包括各項基本原則、抗干擾、電磁兼容、安全防護，等等。對于這些方面，特別在高頻電路（尤其在微波級高頻電路）方面，相關理念的缺乏，往往導致整個研發項目的失敗許多人還停留“將電原理用導體連接起來發揮預定作用”基礎上，甚至認為“設計屬于結構、工藝和提高生產效率等方面的考慮范疇許多專業射頻工程師也沒有充分認識到該環節在射頻設計中是整個設計工作的特

別重點而錯誤地將精力花費在選擇高性能的元器件結果是成本大幅上升，性能的提高卻微乎其微。應特別在此提出的是，數字電路依靠其強的抗干擾、檢糾錯以及可任意構造各個智能環節來確保電路的正常功能一個普通的數字應用電路而高附加地配置各類“確保正?！钡沫h節，顯然屬于沒有產品概念的舉措。但往往在認為“不值得”的環節，卻導致產品的系列問題因是這類在產品工程角度看不值得構造可靠性保證的功能環節該建立在數字電路本身的工作機理上，只是在電路設計（包括設計）中的錯誤構造，導致電路處于一種不穩定狀態這種不穩定狀態的導致與高頻電路的類似問題屬于同一概念下的基本應用。在數字電路中，有三個方面值得認真對待：（1）數字信號本身屬于廣譜信號。根據傅里葉函數結果，其包含的高頻成份非常豐富，所以數字在設計中，均充分考慮了數字信號的高頻分量。但除了數字外，各功能環節內部及之間的信號過渡區域，若任意而為，將會導致系列問題。尤其在數字與模擬和高頻電路混合應用的電路場合。（2）數字電路應用中的各類可靠性設計，與電路在實際應

用中的可靠性要求及產品工程要求相關能將采用常規設計完全能達到要求的電路附加各類高成本的“保障”部分。（3）數字電路的工作速率正在以前所未有的發展邁向高頻（例如目前的主頻已經達棗遠遠超過微波頻段下限）。盡管相關器件的可靠性保障功能也同步配套，但其建立在器件內部和典型外部信號特征基礎上。三．雙傳輸線理論對微波電路設計及其布線原則指導意義綜述（一）雙線理論下的概念對于微波級高頻電路上每根相應帶狀線都與接地板形成微帶線（非對稱式），對于兩層以上PCB，即可形成微帶線，又可形成帶狀（對稱式微帶傳輸線各不同微帶（面）或帶狀線（多層相互之間，又形成耦合微帶線，由此又形成各類復雜的四端口網絡，從而構成微波級電路的各種特性規律?？梢?，微帶傳輸線理論，是微波級高頻電路的設計基礎?！鰧σ陨系脑O計，天線附近的網路設計應完全遵循微帶理論基（而不是僅僅將微帶概念用

于改善集中參數器件性能的工具）。頻率越高，微帶理論的指導意義便越顯著?！鰧τ陔姷募袇蹬c分布參數，雖然工作頻率越低，分布參數的作用特性越弱但分布參數卻始終是存在的是否考慮分布參數對電路特性的影響，并沒有明確的分界線。所以，微帶概念的建立，對于數字電路與相對中頻電路計，同樣是重要的?！鑫Ю碚摰幕A與概念和微波級電路及設計概念，實際上是微波雙傳輸線理論的一個應用方面，對RF-PCB布線，每相鄰信號線（包括異面相鄰）間均形成遵循雙線基礎原理的特征（對此，后續將有明確的闡述）?！鲭m然通的微波RF電路均在其一面配置接地板使得其上的微波信號傳輸線趨向復雜的四端口網路從而直接遵循耦合微帶理論，但其基礎卻仍是雙線理論。所以在設計實際中，雙線理論所具有的指導意義更為廣泛?！鐾ǔ６鴮τ谖⒉娐?，微帶理論具有定量指導意義，屬于雙線理論的特定應用雙線理論具有更廣泛的定性指導意義。

■值得一的是線理論給出的所有概念表面上看，似乎有些概念與實際設計工作并無聯尤其是數字電路及低頻電路），其實是一種錯覺。雙線理論可以指導一切電子電路設計中的概念問題，特別線路設計概念方面的意義更為突出。雖然雙線理論是在微波高頻電路前提下建立的，但這僅僅因為高頻電路中分布參數的影響變得顯著得指導意義特別突出。在數字或中低頻電路中，分布參數與集中參數元器件相比，達到可以忽略的地步，雙線理論概念變得相應模糊。然而，如何分清高頻與低頻電路，在設計實際中卻是經常容易忽略的方面常的數字邏輯或脈沖電路屬于哪一類？最明顯的具非線性元器件之低頻電路及中低頻電路一旦某些敏感條件改變，很容易體現出某些高頻特征。高檔主頻已經到1.7GHz，遠超過微波頻率下限，但仍然屬于數字電路。正因為這些不確定性，使的設計異常重要?！鲈谠S多況下，電路中的無源元器件，均可等效為特定規格的傳輸線或微帶線可用雙傳輸線理論及其相關參量去描述。總之，可以認為雙傳輸線理論是在綜合所有電子電路特征基礎上誕生的。因此，從嚴格意義上說，如果設計實際中的每一

環節，首先以雙傳輸線理論所體現的概念為原則，那末相應的電路所面臨的問題就會很無論該電路是在什么工作條件下應用）。二雙傳輸線與微帶線構造簡介1·微波雙線的形式微帶線是由微波雙線在特定條件下的具體應用。圖即為微波雙線及其場分布示意圖。在微波級工作頻率的基板上，可以構成常規的異面平行雙線（圖1-b.所示）或變異的異面平行雙線（圖1-c.所示）。當其中一條狀線與另一條狀線相比可等效為無窮大時構成典型的微帶如圖1-d.示從雙傳輸線到微帶，僅邊緣特性改變，定性特征基本一致。注：在許多微波專業論述中，均僅僅描述由常規均勻圓柱形導體構成的雙傳輸線，對PCB電路的雙線描述則以矩形條狀線為常規雙傳輸線。2·微帶線的雙線特征圖2-a.為常規微波雙線的場分布示意圖。圖為PCB條狀線場分布示意圖。圖2-c.為帶有有限接地板的

微波雙線場分布示意（注：圖中雙線之一和接地板連通）。圖為具有相對無窮大接地板之雙線場分布示意（注：圖中雙線之一和接地板連通）。圖3-a.為典型偶模激勵耦合微帶線場分布示意。圖為典型奇模激勵耦合微帶線場分布示意。從圖1圖、圖所示場分布狀態看，雙線與微帶線（包括耦合微帶線）特性僅僅為邊緣特性的不同。

四．行雙線中的電磁波傳輸特性（一）分布參數概念與雙傳輸線對于集中參數電路隨著工作頻率的提高電路中的電感量和電容量都將相應減少，如圖4示的振蕩回路。當電路中電感量小到一定程度，將使線圈等效為直線（圖4-b.）；當電容量小到一定程度，將由導線間分布電容所替代（圖）。

由上述定性描述得如下高頻電路設計原則：●當工作率較高時，集中參數將轉化為分布參數，并起主導作用。這是微波電路的主要形式?！裨诜植紨惦娐分醒貙Ь€處處分布電感導線間處處分布電容?！裨诟哳l電路設計中意元器件標稱值與實際值的離散性差別是相對于工作頻率而定的?！裼蓤D可條狀雙線就是具有分布參數之電路的簡單形式，除了可以傳輸電磁能外，還可作為諧振回路使用。（二）條狀雙線分布參數的等效方式通常將一段雙線導線分成許多小段（例如每段長度1cm），然后將每段雙導線所具有的分布電感與電容量表示為集中參數形式，如圖所示。圖中b線，以是上與a面并行之

走線或地線，也可以是異面并行之走線，為便于解釋，這里指空氣中兩并行線。在雙線傳輸分析上，常將介質損耗忽略（即ωL1，G1<<ωC1），然后等效為圖5示的“無耗傳輸線”形式（即忽略電磁波衰耗）。根據電磁場理論，可知每條狀雙傳輸線電感量與電容量分別為：≈μπ)ln(2D/d)(H)≈πε/ln(2D/d)(F)式中，μ=線間介質磁導率（）。當介質為空氣時，μ=μ0=4×（H/cm=線間介電常數當介質為空氣時，ε=ε0=8.85×E-10D=雙線間距厚度或寬度（具體定義詳見后續說明）。綜合上述的設計概念如下：●中，可分別近似認為d銅皮寬度（對電感）或銅

皮厚度（對電容），前提是對無接地板的同面雙線。對于異面平行雙線時，D厚度，d線寬?！窆ぷ饔陬l狀態兩層以上設計中僅考慮同面走線間的分布參數也需考慮異面走線間的分布參數而且更為重具接地板的電路則屬于另外的分析方式棗參見后續）。（三）電磁波在條狀雙線上的傳輸特點圖3示的狀雙線等效電路中，在直流電源接入瞬間，從左到右，電壓和電流是以依次向相鄰電容充電，然后向次級電容放電的過程形式傳播的，稱為電流行波。若將圖6中電源換為簡諧規律的交流源，可以推知，將有一電壓行波從左至右傳播沿線電壓值與時間位置均有關這種電壓行波在工作波長與所考察傳輸線長度可比擬時是較為明顯的。有電壓必有電場，有電流必有磁場，所以沿線電場與磁場

是以簡諧規律沿傳輸線傳播的。綜上所述，可知道微波級高頻電路之征如下：●當走線與工作波長可相比擬時壓和電流從一端傳到另一端的形式已不是電動勢作用下的電流規律而是以行波形式傳播，但不是向周圍輻射。●行波的量形式，體現為電磁波形式，而且在導體引導下沿線傳播。工作頻率越高，電磁波能量形式越明顯，通常意義下的集中參數器件之處理功能越弱?！癖仨毭鳎寒旑l率足夠高時走線開始脫離經典的歐姆規律，而以“行波”或電磁波導向條形式體現其在電路中的功能。（四）行波的傳播特性．入射波與反射波對于理想的“無耗傳輸線”（忽略損耗），在簡諧波作用下，可推出輸線上瞬時電流波表達式為：i(t,z)=t-βz)-cos(ωt+βz)式中，傳播時刻；傳輸線上位置（距起端距離）；、B=與激勵信號幅度及終端負載有關的常數（入射波與反射波