Nov/Dec 212 China RF/ 微波滤波器及 其他被动元件一览 Founded in 1958 mwjournalchina.com
微 带 线 和 共 面 波 导 的 性 能 比 较 Comparing Microstrip and CPW Performance 作 者 :John Coonrod, 罗 杰 斯 公 司 ; Brian Rautio,Sonnet 软 件 有 限 公 司 通 过 建 立 一 个 更 好 的 包 含 了 PCB 金 属 表 面 粗 糙 度 的 影 响 的 电 磁 模 拟 模 型, 就 可 以 更 精 确 地 比 较 微 带 线 和 共 面 波 导 电 路 从 而 找 到 针 对 不 同 应 用 最 合 适 的 电 路 要 将 微 波 传 输 线 技 术 适 当 的 应 用 需 要 想 谨 慎 地 考 虑 很 多 因 素 根 据 一 个 应 用 的 要 求, 高 频 电 路 设 计 者 需 要 考 虑 损 耗 预 算 传 播 模 式 辐 射 损 失 以 及 电 磁 干 扰, 甚 至 是 印 刷 电 路 板 (PCB) 装 配 物 流 和 PCB 装 配 元 器 件 时 的 难 点 数 十 年 来, 微 带 线 一 直 是 应 用 最 为 广 泛 的 微 波 传 输 线 形 式 之 一, 而 且 其 特 性 大 家 都 已 了 解 虽 然 共 面 波 导 (CPW) 传 输 线 的 特 性 并 没 有 像 微 带 线 那 样 被 熟 知, 但 是 他 们 也 被 广 泛 应 用 于 微 波 PCB 一 般 来 说, 在 微 波 电 路 设 计 的 时 候, 背 敷 导 体 共 面 波 导 (CBCPW) 电 路 经 常 和 微 带 线 一 起 使 用 一 种 常 用 的 方 法 是 在 电 路 的 端 口 区 域 使 用 CBCPW, 然 后 在 余 下 的 电 路 中 转 换 成 微 带 线 从 而 使 得 元 器 件 布 局 以 及 PCB 装 配 更 加 简 单 为 了 让 设 计 者 理 解 微 带 线 和 CPW 传 输 线 方 法 的 不 同 之 处, 我 们 将 在 同 种 熟 知 特 性 的 商 用 基 材 上 加 工 形 成 不 同 的 测 试 电 路 从 而 比 较 得 到 的 测 试 数 据 通 过 电 磁 模 型 和 电 磁 模 拟 软 件 进 行 进 一 步 的 分 析 软 件 建 模 将 帮 助 a. CROSS-SECTIONAL VIEW, MICROSTRIP COPLANAR LAYER GROUNDING VIA S GROUNDING PLANE b. THREE-DIMENSIONAL VIEW, CBCPW 图 1. 微 带 传 输 线 的 截 面 图 (a) 以 及 CBCPW 传 输 线 的 三 维 立 体 图 (b) 验 证 测 试 结 果, 而 且 也 说 明 了 有 效 的 软 件 建 模 是 如 何 能 够 减 轻 使 用 新 的 传 输 线 或 者 电 路 结 构 时 的 担 忧 由 于 简 便 性, 设 计 者 们 经 常 选 用 微 带 线 以 及 CPW 设 计 版 式 而 不 是 其 他 高 频 传 输 线 选 项, 比 如 带 状 线 带 状 线 可 以 提 供 出 色 的 高 频 表 现, 很 好 的 抗 噪 特 性 以 及 相 邻 的 电 路 线 之 间 的 隔 离 度 但 是 它 比 微 带 线 或 者 CPW 的 加 工 更 加 困 难 更 加 昂 贵 带 状 线 本 质 上 是 一 条 处 于 两 个 接 地 平 面 之 间 的 绝 缘 基 材 中 的 扁 平 金 属 传 输 线 传 输 线 的 宽 度 基 材 的 厚 度 以 及 基 材 的 相 对 介 电 常 数 决 定 了 传 输 线 的 特 征 阻 抗 带 状 线 的 难 点 在 于 必 须 短 接 的 两 个 接 地 面, 要 求 在 两 个 金 属 接 地 面 之 间 形 成 电 通 孔 的 连 接, 以 及 无 法 直 接 将 元 件 焊 接 在 信 号 层 上 带 状 线 第 二 个 接 地 平 面 也 会 导 致 在 给 定 了 基 板 厚 度 及 特 征 阻 抗 的 情 况 下 比 微 带 线 更 窄 的 传 输 线 宽 度 相 反 地, 微 带 线 和 CPW 电 路 的 特 点 是 信 号 层 是 暴 露 的, 大 大 地 简 化 了 在 PCB 上 安 装 元 器 件 的 工 作 图 1a 和 1b 提 供 了 微 带 线 和 CBCPW 传 输 线 简 单 的 示 意 图 微 带 线 电 路 在 上 面 的 导 电 平 面 有 一 条 信 号 导 线, 底 部 有 一 个 接 地 面 在 CBCPW 电 路 中, 一 个 接 地 - 信 号 - 接 地 结 构 的 共 面 层 代 替 了 微 带 线 的 信 号 层 CBCOW 电 路 的 上 下 接 地 面 通 过 通 孔 的 形 式 连 接 到 起 来 CBCPW 有 时 也 称 为 接 地 共 面 波 导 在 波 的 传 播 方 面, 微 带 传 输 线 电 路 一 般 46 Microwave Journal China 微 波 杂 志 Nov/Dec 212
S21 ( db) 1. 1 2. 2 3. 3 4. 5. 6. 7. 8. CH1: Start 1. MH z 图 2. 显 示 的 GCPWG 指 的 是 接 地 共 面 波 导, 而 且 实 际 上 和 CBCPW 是 同 样 的 结 构 图 2 中 显 示 的 顶 层 接 地 微 带 线 结 构 本 质 上 是 一 个 共 面 端 口 微 带 电 路 在 连 接 器 端 口 区 域 有 CBCPW 结 构 的 微 带 电 路 在 准 TEM 模 式 下 运 行 也 可 能 是 混 合 TE 模 和 TM, 但 是 这 些 模 式 有 时 是 不 理 想 的 寄 生 模 式 传 播 的 结 果 一 般 来 说,CBCPW 电 路 提 供 和 微 带 电 路 类 似 的 传 播 反 应 对 于 微 带 线 和 CBCPW 电 路 来 说, 寄 生 模 式 的 传 播 传 导 都 是 一 个 问 题 作 为 一 个 一 般 的 规 定, 对 于 任 何 一 种 传 输 线 的 电 路 几 何 图 形 ( 也 就 是 横 截 面 的 特 征 ) 在 我 们 有 兴 趣 的 最 高 操 作 频 率 上 都 不 应 大 于 45 长 度 对 于 微 带 线, 需 要 考 虑 的 电 路 参 数 包 括 基 材 的 厚 度 ( 也 就 是 说 信 号 平 面 以 及 接 地 平 面 之 间 的 距 离 ) 以 及 信 号 线 的 宽 度 ( 传 输 线 线 宽 ) 对 于 CBCPW 来 说, 除 了 这 两 个 参 数 需 要 特 殊 注 意 之 外, 还 应 该 考 虑 共 面 层 上 GSG 分 隔 的 距 离 2.5" GCPWG 2.5" Top Ground Microstrip db S21 Connectors#1 Board 12b S/N 45 为 了 能 够 正 常 地 接 地,CBCPW 电 路 采 用 通 孔 来 连 接 顶 层 共 面 接 地 面 以 及 底 层 接 地 面 通 孔 的 布 局 对 于 能 够 获 得 理 想 的 特 征 阻 抗 和 损 耗 以 及 抑 制 寄 生 波 模 式 是 至 关 重 要 的 当 接 地 的 通 孔 已 经 有 效 地 放 置 于 CBCPW 电 路 中, 就 可 以 在 更 高 频 率 上 使 用 更 厚 的 基 板, 这 样 的 高 频 在 微 带 电 路 已 经 不 可 能 使 用 这 么 厚 的 基 板 相 关 学 术 文 章 分 析 了 CBCPW 电 路 通 孔 的 布 4 5 m =.13 db/ghz 6 Straight Microstrip 2.5" Straight Microstrip 7 Top Ground Microstrip 25. GH z Stop 5. GH z 8 GCPWG 2.5" GCPWG test board 2c, S/N 45 Top ground microstrip test board 19c, S/N 53 Straight microstrip test board 2c, S/N 54 局 在 实 际 应 用 过 程 中 的 利 弊 权 衡 1 图 2 显 示 了 在 罗 杰 斯 公 司 提 供 的 3- mil 厚 的 RO435B 线 路 板 材 上 加 工 形 成 的 微 带 线 共 面 端 口 微 带 线 以 及 CBCPW 电 路 的 信 号 损 耗 表 现 图 2 中 微 带 线 和 共 面 端 口 微 带 线 的 拟 合 数 据 来 自 于 参 考 文 献 1 图 中 的 走 势 线 显 示 了 一 些 对 于 不 同 的 传 输 线 我 们 可 以 考 虑 的 有 趣 的 特 点 比 如 说,CBCPW 通 常 会 产 生 比 微 带 线 或 共 面 发 射 微 带 线 更 高 的 损 耗 CBCPW 共 面 层 的 GSG 结 构 展 示 了 比 基 于 微 带 线 的 电 路 更 高 的 导 体 损 耗 尽 管 如 此,CBCPW 的 损 耗 保 持 一 个 恒 定 的 斜 率, 而 微 带 线 和 共 面 端 口 微 带 线 的 损 耗 曲 线 分 别 大 概 在 27 和 3GHz 的 地 方 会 经 历 斜 率 的 转 变 这 些 损 耗 的 转 变 和 辐 射 损 耗 有 关 如 果 有 了 合 适 的 间 隔 以 及 通 孔 的 间 距, 能 够 减 小 CBCPW 的 辐 射 损 耗 在 宽 频 应 用 中, 色 散 是 非 常 重 要 的 微 带 传 输 线 本 身 具 有 色 散 的 特 性 : 电 磁 波 在 信 号 导 体 上 面 的 空 气 中 和 通 过 绝 缘 基 材 时 的 相 位 速 度 是 不 一 样 的 当 共 面 层 上 的 GSG 界 面 上 有 紧 密 耦 合 的 时 候,CBCPW 电 路 可 以 大 大 降 低 色 散, 因 为 在 空 气 中 有 更 多 电 场 来 减 少 波 在 不 同 媒 体 中 传 播 产 生 的 不 同 质 性 影 响 用 适 当 的 设 计,CBCPW 电 路 能 够 获 得 比 微 带 电 路 宽 得 多 的 阻 抗 范 围 另 外, 当 一 个 应 用 要 考 虑 串 扰 的 时 候, 共 面 地 平 面 将 CBCPW 与 其 相 邻 信 号 导 体 分 开, 就 能 够 带 来 隔 离 串 扰 的 好 处 由 于 它 们 能 够 显 著 地 减 少 辐 射 损 耗 色 散, 以 及 寄 生 模 式 传 播,CBCPW 电 路 经 常 使 用 在 比 微 带 电 路 高 得 多 的 频 率 上 举 个 例 子, 在 毫 米 波 频 率 上,CBCPW 信 号 导 体 两 面 的 接 地 面 是 由 一 个 简 单 的 引 线 键 合 空 中 桥 连 接 起 来 的 当 出 现 杂 散 波 模 式 传 播 的 情 况 时, 空 中 桥 的 方 法 就 为 我 们 担 心 的 特 定 的 频 率 提 供 了 一 个 陷 阱 铜 箔 表 面 粗 糙 度 众 所 周 知 PCB 基 材 的 铜 箔 表 面 粗 糙 度 会 影 响 传 输 线 的 导 体 损 耗 以 及 传 播 常 数 3 对 传 输 线 的 传 播 常 数 的 影 响 导 致 一 个 电 路 有 一 个 和 预 计 的 明 显 的 介 电 常 数 不 一 样 的 结 果 当 然, 材 料 的 参 数 没 有 因 为 材 料 金 属 层 的 粗 糙 程 度 而 有 所 变 化 恰 恰 相 反, 金 属 表 面 粗 糙 度 是 通 过 影 响 电 场 以 及 电 流 来 导 致 测 得 的 介 电 常 数 的 结 果 会 有 所 偏 差 就 像 图 3 显 示 的 那 样, 3 当 铜 箔 的 表 面 粗 糙 度 不 一 样 的 时 候, 同 一 种 绝 缘 基 材 的 有 效 介 电 常 数 会 有 很 大 的 变 化 等 效 介 电 常 数 随 着 铜 箔 表 面 粗 糙 度 的 增 加 而 变 大, 其 中 铜 箔 表 面 粗 糙 度 由 铜 箔 表 面 高 度 的 均 方 根 来 表 示 除 了 观 察 到 的 介 电 常 数 变 化 的 影 响 之 外, 微 带 线 的 表 面 粗 糙 度 也 会 影 响 插 入 损 耗 的 表 现 3-7 电 路 结 构 可 能 由 于 电 路 中 的 电 流 和 电 场 分 布 不 同 而 受 铜 箔 表 面 粗 糙 程 度 的 影 响 程 度 不 同 举 个 例 子, 铜 箔 粗 糙 度 对 于 紧 密 耦 合 的 CBCPW 传 输 线 的 影 响 会 比 微 48 Microwave Journal China 微 波 杂 志 Nov/Dec 212
表 1. 电 路 加 工 形 成 于 254um 厚 (1mil 厚 ) 的 基 材 上 分 别 覆 有 三 种 不 同 粗 糙 度 均 方 根 的 铜 箔 的 RT/duroid588 层 压 板 上 TABLEI DIFFERENT CIRCUITS DIMENSIONS AND MEASURED CHARACTERISTIC IMPEDANCES Measures Characteristic Impedance (Ohm) RMS =.4 µm RMS = 1.8 µm RMS = 2.8 µm Conductor Width (µm, mils) Microstrip 51.2 47.5 47.2 762 (3) CPW Launch Microstrip 5.2 47.8 47.7 762 (3) Nominal Circuit Dimensions Signal-Ground Space (µm, mils) CBCPW Tightly Coupled 47.1 44.8 44. 69.6 (24) 127 (5) CBCPW Moderate Coupled 5.6 49.2 46.2 66.4 (26) 23.2 (8) CBCPW Loosely Coupled 5.8 48.1 46.2 711.2 (28) 34.8 (12) 带 线 小 在 CBCPW 电 路 中, 电 流 以 及 电 场 紧 紧 地 保 持 在 共 面 层 的 GSG 中 对 于 一 个 微 带 线 电 路 来 说, 电 场 和 电 流 会 更 加 深 入 粗 糙 表 面 所 在 的 金 属 基 的 底 部 测 量 差 别 在 这 份 报 告 中 评 估 的 所 有 电 路 都 是 在 罗 杰 斯 公 司 (www.rogerscorp. com )254μm 厚 (1mil 厚 ) 的 RT/ EFFECTIVE DIELECTRIC CONSTANT 2.8 2.7 2.6 2.5 2.4 2.3 2.2 1 2 3 4 5 图 3. 当 使 用 同 种 绝 缘 基 材 但 是 有 着 不 同 表 面 粗 糙 度 的 铜 箔, 就 可 以 观 察 到 有 效 介 电 常 数 有 所 不 同 SUBSTRATE COPPER (a) SUBSTRATE COPPER (b) (c) SUBSTRATE COPPER ED = 3. µm RMS ED = 1.5 µm RMS RT =.7 µm RMS RT =.5 µm RMS 6 duroid 588 层 压 板 上 加 工 形 成 的 虽 然 用 的 是 不 同 种 类 的 铜 箔, 在 所 有 情 况 下 都 是 用 的 同 一 种 绝 缘 材 料 : 表 面 粗 糙 度 均 方 根 为.4μm 的 压 延 铜, 表 面 粗 糙 度 均 方 根 为 1.8μm 的 电 解 铜 箔, 以 及 表 面 粗 糙 度 均 方 根 为 2.8μm 的 高 棱 度 的 电 解 铜 箔 表 1 提 供 了 不 同 电 路 的 尺 寸 细 节, 以 及 它 们 测 得 的 特 征 阻 抗 表 1 中 标 明 的 电 路 标 称 尺 寸 是 针 对 每 个 不 同 的 电 路 设 计 的, 但 是, 适 用 典 型 的 PCB 加 工 公 差 在 实 际 电 路 上, 对 于 CBCPW 共 面 层 信 号 到 接 地 的 间 距 以 及 铜 箔 厚 度 在 不 同 的 电 路 上 会 有 相 当 可 观 的 差 别 图 4. 这 些 横 截 面 显 示 的 是 (a) 理 想 的 紧 密 耦 合 的 CBCPW,(b) 理 想 的 松 耦 合 的 CBCPW, 以 及 (c) 有 梯 形 效 应 的 紧 密 耦 合 的 CBCPW 还 有 一 个 现 实 中 会 影 响 大 多 数 PCB 电 路 尤 其 是 CBCPW 的 问 题, 由 于 标 准 加 工 的 影 响, 这 有 可 能 在 电 路 表 现 方 面 导 致 更 多 的 变 化 这 就 是 导 线 的 梯 形 效 应, 或 者 是 边 缘 轮 廓, 理 想 状 况 下,PCB 的 导 线 在 横 截 面 上 是 矩 形 的, 但 实 际 电 路 的 横 截 面 形 状 是 梯 形 的 这 可 能 导 致 共 面 GSG 区 域 的 电 流 密 度 有 所 变 化 ; 一 个 理 想 的 矩 形 导 线 结 构 将 会 在 该 区 域 内 相 邻 导 线 的 侧 壁 上 有 更 高 的 电 流 密 度, 然 而 梯 形 结 构 会 在 底 部 ( 铜 箔 - 基 材 的 界 面 ) 有 更 高 的 电 流 密 度 当 由 于 梯 形 效 应 在 底 部 有 更 大 的 电 流 密 度 时, 铜 箔 表 面 的 粗 糙 度 就 会 对 损 耗 以 及 传 播 常 数 有 更 大 的 影 响 对 于 CBCPW PCB 的 梯 形 效 应 的 顾 虑 显 示 在 图 4 中 图 5 对 比 了 两 种 不 同 类 型 的 共 面 电 路 的 相 位 响 应, 以 及 它 们 是 怎 样 受 两 种 铜 箔 表 面 粗 糙 度 极 端 情 况 的 影 响 的 对 于 电 路 的 一 组 数 据 进 行 的 相 位 响 应 的 测 量 用 的 是 差 相 长 度 方 法 8 在 同 一 个 板 上 加 工 形 成 两 个 非 常 相 似 的 电 路, 它 们 之 间 唯 一 的 差 别 就 是 传 输 线 的 物 理 长 度 图 5 显 示 微 带 线 (CPW 微 带 线 ) 在 1GHz 情 况 下, 对 于 光 滑 vs. 粗 糙 铜 箔,RMS 分 别 是.4 和 2.8 的 有 效 介 电 常 数 的 差 值 大 概 是.9 同 样 EFFECTIVE DIELECTRIC CONSTANT CPW MICRO RMS = 2. CPW MICRO RMS =.4 CBCPW TIGHT COUPLED RMS = 2. CBCPW TIGHT COUPLED RMS =.4 2.5 2. 1.95 1.9 1.5 1. 1.75 1.7 1.65 5 1 15 2 25 图 5. 这 些 有 效 介 电 常 数 的 曲 线 对 比 了 覆 有 两 种 极 端 表 面 粗 糙 度 的 铜 箔 的 两 种 电 路 : 共 面 发 射 微 带 线 (cpw micro) 和 紧 密 耦 合 的 CBCPW 3 5 Microwave Journal China 微 波 杂 志 Nov/Dec 212
LOSS (db/in) Microstrip RMS =.4 µm Tightly Coupled CBCPW RMS =.4 µm Microstrip RMS = 2. µm Tightly Coupled CBCPW RMS = 2. µm.5.1.15.2.25.3 图 6. 覆 有 不 同 粗 糙 度 铜 箔 的 微 带 线 和 紧 密 耦 合 的 CBCPW 电 路 的 比 较 的 情 况 对 于 紧 密 耦 合 的 CBCPW 大 概 是 在.6 虽 然 梯 形 效 应 将 会 导 致 CBCOW 的 结 果 产 生 比 微 带 线 更 大 的 变 化, 该 图 显 示 铜 箔 表 面 粗 糙 度 对 于 CBCPW 传 播 常 数 的 影 响 比 微 带 线 小 得 多 1 2 3 4 5 6 7 GROUND PLANE EDGE VIAS GROUND VIAS 图 5 也 显 示 了 色 散 的 不 同, 随 着 频 率 的 变 化, 微 带 线 有 效 介 电 常 数 的 变 化 会 比 CBCPW 更 大 显 示 的 数 据 没 有 考 虑 梯 形 效 应 ; 但 是, 当 梯 形 效 应 更 大 的 情 况 下,CBCPW 电 路 会 稍 稍 的 比 正 常 的 多 一 些 色 散 9 1 图 6 显 示 了 两 种 不 同 的 电 路 在 覆 有 不 同 的 表 面 粗 糙 度 的 铜 箔 时 的 插 入 损 耗 在 1GHz 的 时 候, 覆 有 粗 糙 铜 箔 以 及 光 滑 铜 箔 的 微 带 线 的 损 耗 差 大 概 是 从 -.25dB/in. 到 -.121dB/ in. 对 于 CBCPW, 这 个 差 别 大 概 8 TOP METAL BOTTOM METAL 图 7. 这 是 在 Sonnet 中 CBCPW 导 线 横 截 面 的 等 距 视 图 多 层 金 属 时 用 来 包 含 梯 形 导 线 的 影 响 是 从 -.28Db/in. 到 -.167dB/in. 如 图 6 所 示, 铜 箔 表 面 粗 糙 度 对 于 CBCPW 电 路 的 插 入 损 耗 的 影 响 比 微 带 线 的 小 梯 形 效 应 对 于 CBCPW 的 插 入 损 耗 的 影 响 会 比 微 带 线 的 大 模 拟 与 测 量 为 了 能 够 更 好 的 理 解 本 文 中 研 究 的 电 路 的 表 现, 我 们 通 过 来 自 Sonnet 软 件 公 司 (www.sonnetsoftware.com) 的 三 维 (3-D) 平 面 电 磁 模 拟 软 件, Sonnet Suite Professional V13.54 建 立 以 及 分 析 模 型 基 于 电 路 测 试 得 到 的 微 剖 面 数 据, 将 模 拟 几 何 尺 寸, 比 如 基 材 厚 度 和 铜 箔 表 面 粗 糙 度 输 入 到 软 件 中 用 一 台 光 学 坐 标 测 试 仪 器 (CMM) 来 精 确 测 量 电 路 的 长 度 图 7 显 示 了 一 张 CBCPW 电 路 在 Sonnet 软 件 中 的 图 像, 而 图 8 显 示 的 是 相 应 的 显 微 照 片 中 电 路 的 横 截 面 当 Sonnet 包 含 了 模 拟 厚 铜 的 支 持, 图 7 显 示 了 用 软 件 手 动 画 的 一 张 厚 铜 的 近 似 图 在 这 个 模 型 中, 我 们 用 了 两 片 无 限 薄 的 金 属, 被 隔 开 金 属 的 物 理 厚 度 那 么 远 的 距 离 顶 层 金 属 和 实 际 的 顶 层 金 属 的 宽 度 是 一 样 的, 同 样 底 层 金 属 和 实 际 的 底 层 金 属 的 宽 度 是 一 样 的 层 与 层 之 间 通 过 边 缘 孔 来 连 接 这 是 为 了 能 够 有 效 的 模 拟 金 属 的 厚 度 以 及 CBCPW 梯 形 的 影 响, 我 们 可 以 看 到 底 层 金 属 稍 稍 的 向 边 缘 孔 外 延 突 出 了 一 点, 提 供 了 物 理 剖 面 的 锐 利 度 能 够 成 功 模 拟 这 些 型 号 的 微 带 线 以 及 CBCPW 电 路 的 关 键 在 于 最 近 引 入 的 表 面 粗 糙 度 模 型, 这 是 Sonnet 软 件 的 V13 独 有 的 这 个 模 型 是 由 Sonnet 软 件 工 程 师 和 罗 杰 斯 的 材 料 开 发 者 共 同 合 作 开 发 的, 代 表 了 一 个 金 属 粗 糙 度 建 模 的 巨 大 进 步, 解 释 了 在 金 属 导 体 剖 面 中 的 部 分 回 路 中 的 产 生 表 面 电 感 的 影 响 9 当 有 可 能 在 PCB 的 顶 层 和 底 层 用 新 的 表 面 粗 糙 度 的 模 型, 这 仅 仅 适 用 于 底 层 金 属 的 底 层 表 面 粗 糙 度 是 有 意 加 到 金 属 的 物 理 表 面 的, 为 的 是 能 够 和 PCB 绝 缘 材 料 结 合 的 更 加 牢 固 图 9 对 微 带 传 输 线 模 拟 模 型 和 测 试 得 到 的 数 据 进 行 了 比 较 模 拟 显 示 了 1 英 寸 长 没 有 连 接 发 射 的 微 带 传 输 线 的 插 入 损 耗 ( 如 图 7 所 示 ), 和 差 相 长 度 测 试 的 测 试 结 果 进 行 了 比 较 尽 管 在 百 分 之 一 分 贝 的 区 间 内, 对 于 光 滑 (.4μm RMS) 和 粗 糙 (2.8 μm RMS) 的 金 属 表 面, 模 拟 和 测 试 得 到 的 结 果 都 非 常 地 吻 合 高 度 吻 合 的 测 试 结 果 再 次 确 认 了 测 试 设 置 测 试 步 骤, 以 及 新 的 Sonnet/Rogers 表 面 粗 糙 度 模 型 的 有 效 性 图 1 显 示 了 对 于 CBCPW 结 构 模 拟 以 及 测 试 类 似 的 一 致 性 虽 然 对 于 CBCPW 电 路 的 一 致 性 没 有 微 带 线 图 8. 这 张 显 微 照 片 显 示 的 是 CBCPW 电 路 的 横 截 面 INSERTION LOSS (db/in) Microstrip RMS =.4 µm Microstrip RMS = 2.8 µm Simulated Microstrip RMS =.4 µm Simulated Microstrip RMS = 2.8 µm.5.1.15.2.25 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 图 9. 比 较 微 带 线 模 拟 以 及 测 试 的 插 入 损 耗 52 Microwave Journal China 微 波 杂 志 Nov/Dec 212
Technical Feature 技 术 文 章 INSERTION LOSS (db/in) Tightly Coupled CBCPW RMS =.4 µm Tightly Coupled CBCPW RMS = 2.8 µm Simulated CBCPW RMS =.4 µm Simulated CBCPW RMS = 2.8 µm.5.1.15.2.25.3 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 图 1. 比 较 CBCPW 模 拟 以 及 测 试 所 的 插 入 损 耗 MAGNITUDE 57 56 55 54 53 52 51 5 49 48 47 1. 2. 3. 结 构 那 么 高, 但 是 差 别 也 在 实 验 误 差 范 围 之 内, 再 一 次 确 认 了 这 个 模 型 以 及 这 个 报 告 中 测 试 结 果 的 准 确 性 4. 图 12. 这 是 参 数 扫 描 模 拟 的 一 个 例 子 可 以 从 所 有 有 效 的 组 合 中 选 择 最 为 匹 配 的 阻 抗 既 然 我 们 已 经 证 明 了 表 面 粗 糙 度 模 拟 的 有 效 性, 接 下 来 可 以 看 看 它 们 怎 么 样 才 能 进 一 步 用 来 进 行 高 频 电 路 的 设 计 举 个 例 子, 一 个 像 CBCPW 的 电 路 结 构 的 一 个 主 要 的 问 题 在 于 如 何 找 到 期 望 的 阻 抗 虽 然 对 于 传 统 的 微 带 线 电 路 很 多 教 科 书 上 的 公 式 都 可 以 用 来 达 到 这 个 目 的, 但 对 于 CBCPW 电 路 来 说 就 不 一 定 正 确 了 幸 运 的 是, 像 Sonnet 那 样 的 电 磁 模 拟 器 就 适 合 用 来 为 几 乎 任 何 一 种 合 理 的 电 路 结 构 寻 找 与 期 望 的 阻 抗 相 对 应 的 CBCPW 几 何 图 形 对 于 任 何 一 种 PCB 材 料 的 CBCPW 设 计 的 阻 抗 可 以 分 成 三 个 主 要 参 数 : 导 线 宽 度 材 料 厚 度, 以 及 接 地 面 分 隔 的 距 离 如 图 New York, 21. 3. J.W. Reynolds, P.A. GROUND PLANE SEPARATION LaFrance, J.C. Rautio, and A.F. CONDUCTOR WIDTH Horn III, Effect of conductor profile on the insertion GROUND PLANE SEPARATION loss, propagation constant, and dispersion in thin high frequency transmission lines, 图 11. CBCPW 几 何 图 形 可 以 分 割 成 三 个 主 要 的 参 数 11 所 示, 这 些 参 数 对 于 CBCPW 传 DesignCon, 21. 输 线 阻 抗 的 影 响 可 以 在 电 磁 模 拟 器 环 4. S.P. Morgan, Effect of surface roughness 境 下 进 行 分 析 了 on eddy current losses at microwave 一 旦 参 数 化 完 成 了, 就 会 在 一 frequencies, Journal of Applied Physics, 个 期 望 的 范 围 之 内 自 动 运 行 模 拟, 它 Vol. 2, 1949, p. 352. 会 扫 描 三 个 参 数 的 所 有 组 合 之 后 就 5. S. Groisse, I. Bardi, O. Biro, K. Preis, and 可 以 方 便 的 在 同 一 张 图 中 标 出 所 有 阻 K. R. Richter, Parameters of lossy cavity 抗, 这 就 可 以 让 设 计 者 在 结 果 中 选 择 resonators calculated by finite element 最 好 的 几 何 图 形 以 及 阻 抗 图 12 显 method, IEEE Transactions on Magnetics, 示 了 这 种 阻 抗 图 的 一 个 例 子 Vol. 32, No. 3, May 1996. 概 括 一 下, 我 们 在 受 控 条 件 下 衡 6. G. Brist, S. Hall, S. Clouser, and T. Liang, 量 了 微 带 线 CBCPW 端 口 微 带 线, Non-classical conductor losses due to 以 及 CBCPW 传 输 线 的 表 现 测 试 和 copper foil roughness and treatment, 25 仿 真 都 在 一 种 商 用 的, 低 损 耗 的 覆 有 IPC Electronic Circuits World Convention, 不 同 种 类 铜 箔 的 微 波 基 材 上 进 行, 使 February 25. 用 不 同 的 铜 箔 表 面 粗 糙 度 评 估 以 及 7. T. Liang, S. Hall, H. Heck & G. Brist, 比 较 了 铜 箔 表 面 粗 糙 度 带 来 的 影 响, A practical method for modeling PCB 结 果 显 示 粗 糙 度 越 大 则 损 耗 越 大 不 transmission lines with conductor roughness 同 的 电 路 结 构 都 进 行 了 测 试 和 仿 真 的 and wideband dielectric properties, in 比 较, 通 过 恰 当 的 应 用 仿 真 软 件, 就 IEEE MTT-S Symposium Digest, p. 178, 有 可 能 减 少 在 知 之 甚 少 的 电 路 结 构 上 November 26. 通 常 会 遇 到 的 困 难 8. Nirod K. Das, Susanne M. Voda, and David M. Pozar, Two Methods for the 参 考 文 献 Measurement of Substrate Dielectric 1. Bill Rosas, Optimizing Test Boards Constant, IEEE Transactions on Microwave for 5 GHz End Launch Connectors: Theory & Techniques, Vol. MTT-35, No. 7, Grounded Coplanar Launches and Through July 1987. Lines on 3-mil Rogers RO435B with 9. A. F. Horn, J. W. Reynolds, and J. C. Comparison to Microstrip, Southwest Rautio, Conductor Profile Effects on Microwave, Inc., Tempe, AZ, 27, www. the Propagation Constant of Microstrip southwestmicrowave.com. Transmission Lines, IEEE MTT-s 2. Rainee N. Simons, Coplanar Waveguide Symposium Digest, May 21, pp. Circuits, Components, and Systems, Wiley, 868-871. Microwave Journal China 微 波 杂 志 Nov/Dec 212 53