微波及射频电路设计

本文主要针对通讯产品的一个前沿范畴棗 微波级高频电路 及其 PCB 设计方面的理念及其设计原则。之所以选 择微波级高频电路之 PCB 设计 原则，是因为该方面原则具有广泛的指导意义且属当前的高科技热门应用技术。 从微波电路 PCB 设计理念过渡到高速无线网络（包括各类接入网）工程，也是一脉相通的，因为它们基于同一 基本原理棗双传输线理论。有经验的射频工程师设计的数字电路或相对较低频率电路 PCB ，一次成功率是非常高的，因为他们的设计理 念是以 “分布 ”参数为核心， 而分布参数概念在较低频率电路 （包括数字电路中） 中的破坏作用， 常为人们所忽略。 长期以来，许多同行完成的电子产品（主要针对通讯产品）设计，往往问题重重。一方面固然与电原理设计 （包括冗余设计、可靠性设计等方面）的必要环节缺乏有关，但更重要的，是许多这类问题在人们认为已经考虑 了各项必要环节下而发生的。针对这些问题，他们往往将精力花在对程序、电原理、参数冗余等方面的核查上， 却极少将精力花在对 PCB 设计的审核方面，而往往正是由于 PCB 电路板设计 缺陷，导致大量的产品性能问题。PCB 板设计 原则涉及到许多方方面面，包括各项基本原则、抗干扰、电磁兼容、安全防护等等。对于这些方面， 特别在高频电路（尤其在微波级高频电路）方面，相关理念的缺乏，往往导致整个研发项目的失败。许多人还停 留在将电原理用导体连接起来发挥预定作用”基础上，甚至认为 “PCB设计属于结构、工艺和提高生产效率等方面的考虑范畴 ”。许多专业射频工程师也没有充分认识到该环节在射频设计中，应是整个设计工作的特别重点， 而错误地将精力花费在选择高性能的元器件，结果是成本大幅上升，性能的提高却微乎其微。 应特别在此提出的是，数字电路依靠其强的抗干扰、检纠错以及可任意构造各个智能环节来确保电路的正常 功能。一个普通的数字应用电路而高附加地配置各类 “确保正常 ”的环节，显然属于没有产品概念的举措。但往往 在认为 “不值得 ”的环节，却导致产品的系列问题。原因是这类在产品工程角度看不值得构造可靠性保证的功能环 节，应该建立在数字电路本身的工作机理上，只是在电路设计（包括PCB 设计）中的错误构造，导致电路处于一种不稳定状态。这种不稳定状态的导致，与高频电路的类似问题属于同一概念下的基本应用。 在数字电路中，有三个方面值得认真对待：（1 ）数字信号本身属于广谱信号。根据傅里叶函数结果，其包含的高频成份非常丰富，所以数字 IC 在设计中，均充分考虑了数字信号的高频分量。但除了数字 IC 外，各功能环节内部及之间的信号过渡区域，若任意而 为，将会导致系列问题。尤其在数字与模拟和高频电路混合应用的电路场合。（2）数字电路应用中的各类 可靠性设计 ，与电路在实际应用中的可靠性要求及产品工程要求相关，不能将 采用常规设计完全能达到要求的电路附加各类高成本的 “保障 ”部分。（3）数字电路的工作速率正在以前所未有的发展迈向高频（例如目前的CPU，其主频已经达到1.7GHz棗远远超过微波频段下限）。尽管相关器件的可靠性保障功能也同步配套，但其建立在器件内部和典型外部信号特征 基础上。微波电路及其 PCB 设计一关于 CAD 辅助设计软件与网络分析仪 对于高频电路设计，当前已经有了很好的 CAD 类软件，其强大的功能足以克服人们在设计经验方面的不足及 繁琐的参数检索与计算，再配合功能强大的网络分析仪，按理应该是稍具经验者便能完成质量较好的射频部件。 但是，实际中却不是这回事。CAD 设计软件依靠的是强大的库函数，包含了世界上绝大部分无线电器件生产商提供的元器件参数与基本性 能指标。不少射频工程师错误地认为：只要利用该工具软件进行设计，就不会有多大问题。但实际结果却总是与 愿望相反，原因是他们在错误认识下放弃高频电路设计基本概念的灵活应用及基本设计原则的应用经验积累，结 果在软件工具的应用中常犯下基本应用错误。射频电路设计 CAD 软件属于透明可视化软件，利用其各类高频基 本组态模型库来完成对实际电路工作状态的模拟。至此，我们已经可以明白其中的关键环节:高频基本组态模型有两类，一类属于集中参数形态之元器件模型，另一类属于常规设计中的局部功能模型。于是存在如下方面问题：（1 ）元器件模型与 CAD 软件长期互动发展，日趋完善，实际中可以基本相信模型的逼真度。但元器件模型 所考虑的应用环境（尤其是元器件应用的电环境）均为典型值。多数情况下，必须利用经验确定系列应用参数， 否则其实际结果有时甚至比不借助 CAD 软件的设计结果相差更远。（2） CAD 软件中建立的常规高频基本组态模型，通常限于目前应用条件下可预知的方面，而且只能局限于 基本功能模型（否则产品研发无须用人，仅靠 CAD 一手包办而诞生各类产品） 。（3）特别值得注意的是：典型功能模型的建立，是以典型方式应用元器件并以典型完善的工艺方式构造（包 括 PCB 构造）下完成的，其性能也达到 “典型 ”的较高水平。但在实际中，就是完全模仿，也与模型状态相差甚 远。原因是：尽管选用的元器件及其参数一致，但它们的组合电环境却无法一致。在低频电路或数字电路中，这 种相差毫厘的情况妨碍不大，但在射频电路中，往往发生致命的错误。（4 ）在利用 CAD 软件进行设计中，软件的容错设计并不理睬是否发生与实际情况相违背的错误参数设置， 于是，按照其软件运行路径给出一理想的结果，实际中却是问题百出的结果。可以知道其关键错误环节在于没有 利用射频电路设计的基本原则去正确应用 CAD 软件。（5） CAD 软件仅仅属于设计辅助工具，利用其具备的实时模拟功能、强大的元器件模型库及其函数生成功 能、典型应用模型库等等方面来简化人们的繁琐设计与计算工作，到目前为为止，尚远远无法在具体设计方面代 替人工智能。CAD 软件在射频 PCB 辅助设计中所体现的强大功能是该软件大受欢迎的一个重要方面。但实际中，许多射频 工程师会经常 “遭其暗算 ”。导致原因仍然是其对参数设置的容错特性。往往利用其仿真功能得出一理想的模型 （包括各个功能环节） ，一到实际调试中才发现：还不如利用自己的经验来设计。所以， CAD 软件在 PCB 设计中，仍然仅仅有利于拥有基本的射频设计经验与技巧的工程师，帮助他们从事繁 琐的过程设计（非基本原则设计） 。网络分析仪分为标量和矢量两种，是射频电路设计必不可少的仪器。通常的做法是：结合基本的射频电路设2计理念和原则完成电路及 PCB 设计（或利用 CAD 软件完成） ，按要求完成 PCB 的样品加工并装配样机，然后 利用网络分析仪对各个环节的设计逐个进行网路分析，才有可能使电路达到最佳状态。但如此工作的代价是以至少35 版的 PCB 实际制作，而若没有基本的 PCB 设计原则与基础理念，所需要的 PCB 版本将更多（或者无法完 成设计）。由上述可见：（1 ）在利用网络分析仪对射频电路进行分析过程中，必须具有完备的高频电路PCB 设计理念和原则，必须能通过分析结果而明确知道 PCB 的设计缺陷棗仅此一项就要求相关工程师具备相当的经验。（2）对样机网路环节进行分析过程中，必须依靠熟练的实验经验和技巧来构造局部功能网络。因为很多时 候，通过网络分析仪所发现的电路缺陷，会同时存在多方面的导致因素，于是必须利用构造局部功能网路来加以 分析，彻查导致原因。这种实验性电路构造必须借助清晰的高频电路设计经验与熟练的电路 PCB 构造原则。 二本文的针对范畴 本文主要针对通讯产品的一个前沿范畴棗微波级高频电路及其 PCB 设计方面的理念及其设计原则。之所以选 择微波级高频电路之 PCB 设计原则，是因为该方面原则具有广泛的指导意义且属当前的高科技热门应用技术。 从微波电路 PCB 设计理念过渡到高速无线网络（包括各类接入网）工程，也是一脉相通的，因为它们基于同一基 本原理棗双传输线理论。有经验的射频工程师设计的数字电路或相对较低频率电路PCB，次成功率是非常高的，因为他们的设计理念是以“分布”参数为核心，而分布参数概念在较低频率电路（包括数字电路中）中的破坏作用，常为人们所忽 略。长期以来，许多同行完成的电子产品（主要针对通讯产品）设计，往往问题重重。一方面固然与电原理设计 （包括冗余设计、可靠性设计等方面）的必要环节缺乏有关，但更重要的，是许多这类问题在人们认为已经考虑 了各项必要环节下而发生的。针对这些问题，他们往往将精力花在对程序、电原理、参数冗余等方面的核查上， 却极少将精力花在对 PCB 设计的审核方面，而往往正是由于 PCB 设计缺陷，导致大量的产品性能问题。PCB 设计原则涉及到许多方方面面，包括各项基本原则、抗干扰、电磁兼容、安全防护，等等。对于这些方 面，特别在高频电路（尤其在微波级高频电路）方面，相关理念的缺乏，往往导致整个研发项目的失败。许多人 还停留在“将电原理用导体连接起来发挥预定作用 ”基础上，甚至认为 “PCB 设计属于结构、工艺和提高生产效 率等方面的考虑范畴 ”。许多专业射频工程师也没有充分认识到该环节在射频设计中，应是整个设计工作的特别 重点，而错误地将精力花费在选择高性能的元器件，结果是成本大幅上升，性能的提高却微乎其微。 应特别在此提出的是，数字电路依靠其强的抗干扰、检纠错以及可任意构造各个智能环节来确保电路的正常 功能。一个普通的数字应用电路而高附加地配置各类 “确保正常”的环节，显然属于没有产品概念的举措。但往 往在认为“不值得”的环节，却导致产品的系列问题。原因是这类在产品工程角度看不值得构造可靠性保证的功 能环节，应该建立在数字电路本身的工作机理上，只是在电路设计（包括PCB 设计）中的错误构造，导致电路处3 于一种不稳定状态。这种不稳定状态的导致，与高频电路的类似问题属于同一概念下的基本应用。 在数字电路中，有三个方面值得认真对待：（1） 数字信号本身属于广谱信号。根据傅里叶函数结果，其包含的高频成份非常丰富，所以数字IC 在设计 中，均充分考虑了数字信号的高频分量。但除了数字 IC 外，各功能环节内部及之间的信号过渡区域，若任意而 为，将会导致系列问题。尤其在数字与模拟和高频电路混合应用的电路场合。（2）数字电路应用中的各类可靠性设计，与电路在实际应用中的可靠性要求及产品工程要求相关，不能将 采用常规设计完全能达到要求的电路附加各类高成本的 “保障”部分。（3）数字电路的工作速率正在以前所未有的发展迈向高频（例如目前的CPU，其主频已经达到1.7GHz棗远远超过微波频段下限） 。尽管相关器件的可靠性保障功能也同步配套，但其建立在器件内部和典型外部信号特征 基础上。三双传输线理论对微波电路设计 及其 PCB 布线原则指导意义综述（一）双线理论下的 PCB 概念对于微波级高频电路，PCB上每根相应带状线都与接地板形成微带线（非对称式），对于两层以上的 PCB，即可形成微带线，又可形成带状线（对称式微带传输线）。各不同微带线（双面 PCB）或带状线（多层 PCB ）相互之间，又形成耦合微带线，由此又形成各类复杂的四端口网络，从而构成微波级电路PCB 的各种特性规律。可见，微带传输线理论，是微波级高频电路 PCB 的设计基础。 对于 800MHz 以上的 RF-PCB 设计，天线附近的 PCB 网路设计，应完全遵循微带理论基础（而不是仅仅将 微带概念用于改善集中参数器件性能的工具） 。频率越高，微带理论的指导意义便越显著。 对于电路的集中参数与分布参数，虽然工作频率越低，分布参数的作用特性越弱，但分布参数却始终是 存在的。是否考虑分布参数对电路特性的影响，并没有明确的分界线。所以，微带概念的建立，对于数字电路与 相对中频电路 PCB 设计，同样是重要的。 微带理论的基础与概念和微波级 RF 电路及 PCB 设计概念，实际上是微波双传输线理论的一个应用方面， 对于 RF-PCB 布线，每相邻信号线（包括异面相邻）间均形成遵循双线基础原理的特征（对此，后续将有明确的 阐述）。 虽然通常的微波 RF 电路均在其一面配置接地板，使得其上的微波信号传输线趋向复杂的四端口网路， 从而直接遵循耦合微带理论，但其基础却仍是双线理论。所以在设计实际中，双线理论所具有的指导意义更为广 泛。 通常而言对于微波电路，微带理论具有定量指导意义，属于双线理论的特定应用，而双线理论具有更广 泛的定性指导意义。 值得一提的是：双线理论给出的所有概念，从表面上看，似乎有些概念与实际设计工作并无联系（尤其4是数字电路及低频电路） ，其实是一种错觉。双线理论可以指导一切电子电路设计中的概念问题，特别是 PCB 线路设计概念方面的意义更为突出。虽然双线理论是在微波高频电路前提下建立的，但这仅仅因为高频电路中分布参数的影响变得显著，使得指 导意义特别突出。在数字或中低频电路中，分布参数与集中参数元器件相比，达到可以忽略的地步，双线理论概 念变得相应模糊。然而，如何分清高频与低频电路，在设计实际中却是经常容易忽略的方面。通常的数字逻辑或脉冲电路属于 哪一类？最明显的具非线性元器件之低频电路及中低频电路，一旦某些敏感条件改变，很容易体现出某些高频特 征。高档 CPU 的主频已经到 1.7GHz ，远超过微波频率下限，但仍然属于数字电路。正因为这些不确定性，使的 PCB 设计异常重要。 在许多情况下，电路中的无源元器件，均可等效为特定规格的传输线或微带线，并可用双传输线理论及 其相关参量去描述。总之，可以认为双传输线理论是在综合所有电子电路特征基础上诞生的。因此，从严格意义上说，如果设计 实际中的每一环节，首先以双传输线理论所体现的概念为原则， 那末相应的 PCB 电路所面临的问题就会很少 （无 论该电路是在什么工作条件下应用） 。（二）双传输线与微带线构造简介1微波双线的PCB形式微带线是由微波双线在特定条件下的具体应用。图 1-a. 即为微波双线及其场分布示意图。在微波级工作频率的PCB基板上，可以构成常规的异面平行双线（图 1-b.所示）或变异的异面平行双线（图1-c.所示）。当其中一条状线与另一条状线相比可等效为无穷大时，便构成典型的微带线（如图1-d.所示）。从双传输线到微带，仅边缘特性改变，定性特征基本一致。注：在许多微波专业论述中，均仅仅描述由常规均匀圆柱形导体构成的双传输线，对PCB 电路的双线描述则以矩形条状线为常规双传输线。52微带线的双线特征图2-a.为常规微波双线的场分布示意图。图2-b.为PCB条状线场分布示意图。图2-c.为带有有限接地板的微波双线场分布示意（注：图中双线之一和接地板连通） 。图 2-d 为具有相对无穷大接地板之双线场分布示意 （注： 图中双线之一和接地板连通） 。图3-a.为典型偶模激励耦合微带线场分布示意。图3-b.为典型奇模激励耦合微带线场分布示意。从图 1、图 2、图 3 所示场分布状态看，双线与微带线（包括耦合微带线）特性仅仅为边缘特性的不同。四.PCB平行双线中的电磁波传输特性（一）分布参数概念与双传输线 对于集中参数电路，随着工作频率的提高，电路中的电感量和电容量都将相应减少，如图 4 所示的振荡回路。6当电路中电感量小到一定程度，将使线圈等效为直线（图4-b.）;当电容量小到一定程度，将由导线间分布电容所替代（图 4-c.）。由上述定性描述得如下高频电路设计原则：当工作频率较高时，集中参数将转化为分布参数，并起主导作用。这是微波电路的主要形式。 在分布参数 PCB 电路中，沿导线处处分布电感，导线间处处分布电容。 在高频 PCB 电路设计中，注意元器件标称值与实际值的离散性差别是相对于工作频率而定的。 由图可知， PCB 条状双线就是具有分布参数之电路的简单形式，除了可以传输电磁能外，还可作为谐振 回路使用。（二）PCB 条状双线分布参数的等效方式通常将一段双线导线分成许多小段（例如每段长度 1cm） ，然后将每段双导线所具有的分布电感与电容量表 示为集中参数形式，如图 5 所示。图中 b 线，可以是 PCB 上与 a 同面并行之走线或地线，也可以是异面并行之 走 线，为便于解释，这里指空气中两并行线。在双线传输分析上，常将介质损耗忽略（即R1oL1，G1Zc 及 ZLZc ，可得出介于上述三方面典型状态之间的中间状态，并具有实际指导意义（此处 略）。综上所述，的高频电路 PCB 设计原则如下： PCB上某段传输线特性阻抗 Zc应尽可能保持处处相等（即分布参数处处相等），线宽应保持一致。每段PCB传输线终端处信号处理网络的输入阻抗应尽可能与传输线特性阻抗相近（即L、C参数相近，通常为250700Q ）。 PCB走线应尽可能短，即保证工作波长入远远大于走线长度。 信号处理网路之接地板线应尽可能短，通常采用金属化孔形式与RF 的接地板直接相通，否则便构成 PCB传输线终端短路形式而产生全反射。 杜绝出现任何形式的一端悬空之 PCB 走线（包括因 PCB 加工工艺而导致的走线边缘毛刺等形式） ，以避11免ZL = *而导致的全反射现象。 对 RF 电路网络，反射现象只会干扰电路的正常处理功能或作用，并且总是影响其稳定性的根源之一。（二）驻波与驻波系数 S 参数1驻波概念当PCB传输线终端负载短路，ZL =0 ,使得入射波与反射波电压幅度相等而相位相反（相差n,致使终端的电压波彼此全部抵消而为零。图 8 所示的为负载短路传输时，入射波和反射波分布图。由图可见，随着时间延迟，入射波从左向右移动，在终端移相后形成反射波又从右向左移动。沿 PCB 传输线二者相加而形成另一种波的分布形式，这就是驻波，如图9 所示。当 PCB 传输线上形成驻波时，能量不再沿线传输，好象 “驻扎”在 PCB 传输线上一样（与行波状态向对应） 。 可推出余弦电压波的驻波表达式为：u=Um（t） Sin z式中 Um（t）=2Um Sin t可见，电压沿 PCB 传输线按简谐波规律分布，其幅值 Um（t） 随时间变化，而节点（电压或电流永远为零的 点）和腹点（具有最大值的点） ，分布规律不随时间而变化，从而形成周期性脉动简谐波。 同样可知电流驻波具有相同的分布规律，只是节点（或腹点）错位 1/4 波长，两者距短路处距离均为 1/4 波长的整数倍。122 .驻波系数S （也称电压驻波比）实际中，上述纯驻波是不存在的。由于 PCB 传输线的损耗使得驻波永远小于行波，即两者同时发生。PCB 传输线的实际不匀称性（几何尺寸） ，也使得即使是完全的匹配负载情况下，也将引起能量的部分反射而产生驻波。 即，实际中驻波是叠加在行波上的非纯驻波。纯驻波表示入射波幅度A与反射波幅度 b相等，即反射系数 r=i（注意这里为 r复数的模值），非纯驻波则表示BA , r1o为全面衡量实际 PCB传输线上存在的各种驻波状态，通常用电压驻波系数棗S参数来衡量。S 参数表示 PCB 传输线驻波的腹点电压 Umax 与节点电压 Umin 之比，即S=Umax/Umin图 10 表示任意情况下电压驻波幅度沿 PCB 传输线的分布图。可以证明：Umax=A+B ；Umin=A-B 并可推出s=（ 1 + r）/（i-r）式中r=A/B为反射系数模数，则有r=（ s-1）/（ S+1）因r=oi，故s参数为等于或大于 1的正数。可知，负载完全匹配时，r=o s=io由上述可见，驻波系数棗 s,完全可表征高频信号（尤其是微波信号）传输上的工作状态。在微波电路中，通常 S=1.053o表征某些具有集中参数特性的元器件时，有时又称S参数为耗散或散射系数。无论耗散或散射，导致的直接因素都是驻波。所以用电压驻波比来表征元器件S参数是最适当的一一因为电压驻波比可以帮助理解一些电路中的微观概念并结合其出入端PCB传输线统一衡量其特性。综上所述，得微波电路 PCB 设计原则如下：驻波，是实际电路不稳定或与设计要求不符的根源之一。设计中应充分保证S参数尽可能接近1,即：S参数越小越好（通常 S=1.053）o实际中，测量驻波系数比测量反射系数要简单得多。因此，测量技术中一般只用驻波系数。 过长的地线或悬空线（包括因 PCB 设计或加工所导致的微小毛刺等各类形式） ，可形成较强的驻扎波， 从而形成辐射干扰。13 过强的反射波将对信号源形成干扰（包括信号处理环节的相对“源” ）。 驻波干扰正常信号传输，使信噪比下降。 S参数值取决于反射系数，即：取决于 PCB传输线特性与负载终端。故PCB设计中，不仅要考虑走线特性构造，也应充分考虑每一信号走线之传输终端负载的匹配设计。这是保证电路品质的根本。 切勿孤立考察元器件 S 参数，必须结合其输入输出信号传输走线来全面衡量，即：应结合元器件具体组 合的网路来考察。（三）PCB 传输线的输入阻抗1PCB 传输线接任意负载如果 PCB 传输线终端接任意负载（即 PCB 传输线终端既不短路开路，也不匹配） ，必然是负载只吸收部分能 量，将其余能量反射回信号源，导致 PCB 传输线上同时存在驻波与行波，即 PCB 传输线工作在行驻波状态。可 以推出工作在行驻波状态下的 PCB 传输线存在如下结论： 入射波与反射波之合成波仍然是简谐波。在每入/4范围内，合成波峰在波的行进过程中连续单调变化，即功率信号传输的同时伴随着脉动，其周 期为X/2波腹点（或波节点）之间相距入/2电流波节点与电压波腹点对应，电流波腹点与电压波节点对应，即电流波和电压波之腹、节点相距入/4电流波节点（或电压波腹点）距负载处为入/4的奇数倍；电流波腹点（或电压波节点）距负载处为入/4的偶数倍。2PCB 传输线输入阻抗PCB 传输线被信号源激励时，沿 PCB 传输线各点都存在电流和电压，并服从欧姆定律，即（ =R+jX ）阻抗值与 PCB 传输线上的位置有关。在 PCB 传输线与激励源衔接处， PCB 传输线输入端阻抗成为激励源负载，即输入阻抗Zin 值及其性质与 PCB 传输线工作状态有关。当 PCB 传输线工作在纯驻波状态时，不从激励源获得能量，此时其输入阻抗呈纯电抗性。若PCB 传输线工作在行驻波状态，此时对激励源呈现的输入阻抗既有电抗分量，又有电阻分量（体现为复数）。可推出 PCB 传输线输入阻抗的三个计算公式如下：Zin = 1+（ZL-Zc） / （ZL+Zc）e- j2 B LZc / t（ZL-Zc）/（ZL+Zc）e- j2 B L14Zin = （1+ r-j2eB L）Zc / （-ir L e2 B L）Zin = ZL+jZc tg（2n L/ 入）Zc / Zc+jZL tg（2n L/ 入）上式中，B=2n/，L=PCB传输线长度。可见，Zin与ZL （或终端反射系数D、Zc、L及入均有关联。3利用 PCB 传输线构造谐振回路与 RF 电路关系较密切的 PCB 传输线终端负载状态有如下几种可讨论情况：终端负载短路（ZL=0 ）、开路（ZL=）以及接不等于特性阻抗的纯电阻R （ ZcMR）（1）对长度为 L 的 PCB 传输线，当终端负载短路时，可得Zin = jZc tg（2 n L/ 入）可见，Zin为纯电抗特性，且随线长 L和工作波长 入而变化。可以知道：只改变线长L时，输入阻抗是线长的周期函数，周期为 2。 线上电压波节（或电流波腹）处，阻抗为零（与串联谐振回路的谐振阻抗等效）；而在电压波腹（或电流波节）处，阻抗无穷大（与并联谐振回路的谐振阻抗等效） 。Zin 随及 L 的变化规律如图 11 所示。 当串联谐振阻抗为零时，有jZc tg（2 n L/ 明得2n L/ 入，即 L=n（入 /2） （n=,1 2, 3,镲）可见，当L=/2,入，3/2镲时，短路线 Zin可等效为串联谐振回路。15当并联谐振阻抗为无穷大时，jZc tg（2n L/，可得。2n L/ 入=（2n n /2 即 L=（2n-1）入 /4 （n=1 2，3,镲）可见，当L=/4, 3/4 5/4镲时的短路线 Zin可等效为并联谐振回路。当0L入/4时，短路线Zin相当于感抗，可等效为一电感。当/4L /2时，短路线Zin相当于容抗，可等效为一电容，并随着 L每增加/4其电抗性质改变一次。 每增加/2，其阻抗值便重复一次。利用阻抗变换特性可构造广泛用于微波电路的 “阻抗变换器”（该方面也是后续将论述的微带构造实质方面 之一）。导致上述特性的根本原因是终端短路PCB传输线存储而不消耗能量，即线上电压波腹存储电能，电流波腹存储磁能。因入射波能量等于反射波能量，故沿 PCB 传输线方向上没有能量流通，因而电流并不消耗能量。（2）对于终端开路的 PCB 传输线，可以推知：只要将 PCB 传输线长度缩短（或延长）/4，即可获得开路下各项结果。例如： 在微波电路中，不可能获得高阻抗（即开路）特性，或者说，开路特性可以通过短路线来构造。 一般而言，接纯电阻负载的实际 PCB 传输线，由于不均匀性而存在驻波，其输入阻抗通常是复数。 在许多情况下的负载，电阻部分常起重要作用，而电抗部分则可以通过改变PCB 传输线长度加以补偿。4阻抗变换与匹配（1） 在低频电路中，匹配的概念是相当重要的（使负载阻抗与激励源内阻共轭相等）。在微波电路中，信 号线终端的匹配更为重要：一方面要求 ZL=Zc ，保证沿线无驻波；另一方面，为获得最大功率，要求信号线输入端与激励源相接时应共 轭匹配。因此，匹配对微波电路的工作性能产生直接影响。可见： 若终端不匹配，信号线上会产生反射和驻波，导致负载功率下降（高功率驻波还会在波腹点产生打火现象）。由于反射波的存在，将对激励源产生不良影响，导致工作频率和输出功率稳定性下降。 然而，实际中给定的负载阻抗与信号线特性阻抗不一定相同，信号线与激励源阻抗也不一定共轭，因而必须 了解及应用阻抗匹配技术。（2）/4阻抗变换器当信号线长L =入/4即BL = n/2时，可得Zin = Zc2/ZL上式表明，经 /4PCB 传输线变换后，其阻抗将发生显著变化。可以知道： 当 ZL 不匹配时，可利用对 PCB 传输线的再构造来达到匹配目的。对于两段特性阻抗分别为 Zc、Zc 的 PCB 传输线，可通过的 PCB 传输线连接以达到使 Zc 与 Zc匹配的目的。16需注意的是：入/4阻抗变换器匹配两段阻抗不同的（3）单分支短路线匹配PCB 传输线后的工作频率很窄。 可采用在 PCB 传输线适当位置并接经过适当构造之短路线的形式改变 PCB 传输线阻抗而达到匹配目的。 综上所述，可得微波电路及其 PCB 设计原则如下： 电路中每一环节与其输入输出端 PCB 传输线（或来自上一环节，或去至下一环节）之间，必须进行阻抗 匹配设计。具体设计中，可利用元器件达到目的，也可以直接利用 PCB 传输线规格构造来达到目的。 在实际中，如果设计的电路及其 PCB 具有足够的抗干扰余量，则无论阻抗如何远离匹配状态，均可以维 持预定工作状态。所以，余量设计也是必不可少的设计步骤之一。 通常的原则是保证 10%的余量（参见有关资料） RF电路中的剩余频偏除来自于噪声外，还来自于行驻波的周期性脉动，即载波信号在行进过程中周期脉动而形成之包络线构成的假性调制（也是噪声源之一） 频点。，但更多的情况是导致中心频点偏移，形成不稳定的假性 将波腹点与波节点等效为线上电抗，可以通过构造 电压波对应于电容）。PCB 传输线规格来改变原有规律（电流波对应于电感， PCB中信号传输线路应尽可能短，并尽量远小于 PCB传输线与激励源之间的匹配，必须通过构造入/4PCB 传输线规格来达到目的。注意：所谓激励源并非唯一指功能性激励信号源，各不同信号处理环节中，每个上一级网路对下一级来说，也是激励源。 可以通过改变 PCB 传输线特性阻抗、长度及其负载来构造其输入阻抗。注意：一个下一级PCB 传输线构成的网络对上一级来说，也是负载。 PCB信号传输线输入阻抗与工作波长有关，故各类匹配设计应充分考虑电路中不同区域或时域工作频点。 通过在 PCB 上设计构造不同长度的短路传输线（有时还需进行规格与形状设计） ，可以构成各种谐振回 路。 利用短路传输线在 PCB 上设计谐振回路中，应注意工作频率对线长的限定。对微波级电路之 PCB，不存在高阻抗特性，因此需注意悬空线段（有时仅仅是一点尖刺）将会导构成有害谐振回路（例如导致局部自激振荡等） 。 采用单分支短路线改善匹配条件，是 PCB 设计手段之一。 可以知道 RF 发射天线匹配的有效长度（另文介绍） 。 注：通过后续说明将可知道，上述传输线就是微带线。【返回页首】六微带线（一）微带基本概念在前述中，所有涉及微带线的地方均以条状 PCB 传输线替代，而未考虑接地板的作用。17 通常的微带线，是由层积在介质基片上的导体带条和地板构成。按基本结构可分为非对称式和对称式两种（如 图所示）。微带线是微波集成电路的主要组成部分。在集成电路中，可以用于连接元器件及构成电容、电感、谐振器、 滤波器等微波元器件。微带线（即非对称微带传输线）的基本结构是由双传输线的一个特定应用，或称基本的双传输线演变得到， 演变的原则是：双传输线上电磁场分布为横电磁波（如图 13-a 所示），若在两线间构成的平面垂直插入一导电良好的金属 板（如图 13-b 所示），将不会改变双传输线的电磁场分布规律，而在条状态导体与金属板之间填入介质材料，18即构成常规微带。对于微波集成电路（ MW-IC ）中的微带，介质基片是利用优良的专用材料（如陶瓷、石英、聚四氟乙烯等） 但通常的产品工程（尤其是 RF 电路）中却是利用常规（双层或多层） PCB 来构造微带电路，以此作为降低成 本的主要途径。由图 13 所示的演变过程及图 13-d 可知：微带线内的场分布仍然为横电磁波。由于介质的相对介电常数较大， 所以电磁场能量大部分集中在导体带条与接地板之间的介质夹层内传输，从而比空气介质损耗减少，工作频率提 高。 可见，构造微带线的 PCB 基板应选用相对介质常数较大的材料。 另外，由于微带线中的介质既有空气，又有介质基片，属于非匀称介质情况，从而造成场结构的变化，微带 线内电磁场将出现纵向分量。但当尺寸选择合适并保证工作频率低于 5GHz 时，其纵向分量很小，在产品工程实 际中，可仍然按横电磁波（ TEM ）处理而误差较小。【返回页首】（二）微带线的特性阻抗根据上述传输线理论，可知微带线特性阻抗或对图 14 所示的标准微带线，因其是空气和基板组成的非匀称介质系统。 所以其特性阻抗应介于与之间。可以推出为 。式中，Zc=空气微带线特性阻抗， e有效介电常数。 e表征微带线处于非匀称介质中时，空气和介质共同对微带线阻抗的影响程度。可以推出：Zc0=60ln（8h/w-w/4h） （当 w/h 3 V)之间摆动，而且周期特别短，常常是 纳秒级的。由于较大的振幅和较短的切换时间，使 得这些数字信号包含大量且独立于 切换频率的高 频成分。在模拟部分，从无线调谐回路传到无线设备接收部分的信号一般小于1 V。因此数字信号与射频信号之间的差别会达到120 dB。显然，如果不 能使数字信号与射频信号很好地分离，微弱的射频信号可能遭到破坏，这样一来，无线设备工作性能就会恶化甚至完全不能工作。供电电源的噪声干扰射频电路对于电源噪声相当敏感，尤其是对毛 刺电压和其他高频谐波。微控制器会在每个内部时钟周期内短时间突然吸人大部分电流，这是由于现 代微控制器都采用 CMOS 工艺制造。因此，假设一 个微控制器以 1 MHz 的内部时钟频率运行，它将以此频率从电源提取电流。如果不采取合适的电源去耦必将引起电源线上的电压毛 刺。如果这些电压 毛刺到达电路 RF 部分的电源引脚，严重时可能导致工作失效。不合理的地线如果 RF 电路的地线处理不当可能产生一些 奇怪的现象。对于数字电路设计，即使没有地线层，大多数数字电 路功能也表现良好。而在 RF 频段，即 使一根很短的地线也会如电感器一样作用。粗略地计算每毫米长度的