微波電路及其PCB設計（二）

　　四．PCB平行雙線(xiàn)中的電磁波傳輸特性

　?。ㄒ唬┓植紖蹈拍钆c雙傳輸線(xiàn)

　　對于集中參數電路，隨著(zhù)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所示的振蕩 回路。

　　當電路中電感量小到一定程度，將使線(xiàn)圈等效為直線(xiàn)（圖4-b.）；當電容量小到一定程度，將由導線(xiàn)間分布電容所替代（圖4-c.）。
由上述定性描述得如下高頻電路設計原則：

　　    ● 當工作頻率較高時(shí)，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。

　　    ● 在分布參數PCB電路中，沿導線(xiàn)處處分布電感，導線(xiàn)間處處分布電容。

　　    ● 在高頻PCB電路設計中，注意元器件標稱(chēng)值與實(shí)際值的離散性差別是相對于工作頻率而定的。

　　    ● 由圖可知，PCB條狀雙線(xiàn)就是具有分布參數之電路的簡(jiǎn)單形式，除了可以傳輸電磁能外，還可作為諧振回路使用。

　?。ǘ㏄CB條狀雙線(xiàn)分布參數的等效方式

　　 通常將一段雙線(xiàn)導線(xiàn)分成許多小段（例如每段長(cháng)度1cm），然后將每段雙導線(xiàn)所具有的分布電感與電容量表示為集中參數形式，如圖5所示。圖中b線(xiàn)，可以是PCB上與a同面并行之走線(xiàn)或地線(xiàn)，也可以是異面并行之走線(xiàn)，為便于解釋?zhuān)@里指空氣中兩并行線(xiàn)。

　　在雙線(xiàn)傳輸分析上，常將介質(zhì)損耗忽略（即R1<<ωL1，G1<<ωC1），然后等效為圖5所示的“無(wú)耗傳輸線(xiàn)”形式（即忽略電磁波衰耗）。根據電磁場(chǎng)理論，可知每1cm的條狀雙傳輸線(xiàn)電感量與電容量分別為：
    L1≈ (μ/π)ln(2D/d)　　　 (H)
    C1≈πε/ln(2D/d)          (F)
   
 式中，μ=線(xiàn)間介質(zhì)磁導率（H/cm）。當介質(zhì)為空氣時(shí)，μ=μ0=4×E-5（H/cm）；ε=線(xiàn)間介電常數。當介質(zhì)為空氣時(shí)，ε=ε0=8.85×E-10；D=雙線(xiàn)間距；d=PCB線(xiàn)厚度或寬度（具體定義詳見(jiàn)后續說(shuō)明）。

　　綜合上述的設計概念如下：

　　    ● PCB中，可分別近似認為d為銅皮寬度（對電感）或銅皮厚度（對電容），前提是對無(wú)接地板的同面雙線(xiàn)。對于異面平行雙線(xiàn)時(shí)，D為PCB厚度，d為線(xiàn)寬。

　　    ● 工作于高頻狀態(tài)兩層以上PCB設計中，不僅要考慮同面走線(xiàn)間的分布參數，也需考慮異面走線(xiàn)間的分布參數，而且更為重要（具接地板的RF-PCB電路則屬于另外的分析方式棗參見(jiàn)后續）。

　　（三）電磁波在PCB條狀雙線(xiàn)上的傳輸特點(diǎn)

　　圖3所示的PCB條狀雙線(xiàn)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(guò)程形式傳播的，稱(chēng)為電流行波。

　　若將圖6中電源換為簡(jiǎn)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(xiàn)電壓值與時(shí)間位置均有關(guān)。這種電壓行波，在工作波長(cháng)與所考察傳輸線(xiàn)長(cháng)度可比擬時(shí)，是較為明顯的。

　　有電壓必有電場(chǎng)，有電流必有磁場(chǎng)，所以沿線(xiàn)電場(chǎng)與磁場(chǎng)是以簡(jiǎn)諧規律沿傳輸線(xiàn)傳播的。
綜上所述，可知道微波級高頻電路之PCB特征如下：

　　    ● 當PCB走線(xiàn)與工作波長(cháng)可相比擬時(shí)，電壓和電流從一端傳到另一端的形式已不是電動(dòng)勢作用下的電流規律，而是以行波形式傳播，但不是向周?chē)椛洹?/p>

　　    ● 行波的能量形式，體現為電磁波形式，而且在導體引導下沿線(xiàn)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。

　　    ● 必須明確：當頻率足夠高時(shí)，PCB走線(xiàn)開(kāi)始脫離經(jīng)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。

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