PCB設(shè)計(jì)時(shí)采用哪種走線形式更好？

經(jīng)常有硬件工程師問(wèn)到PCB設(shè)計(jì)的時(shí)候，采用哪種走線形式更好？或者說(shuō)普通微帶線和CPW/CPWG共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)各自有那些優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)？這個(gè)問(wèn)題看似簡(jiǎn)單，卻很少有資料給出比較肯定的答案。

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從射頻到毫米波頻段，微帶線，共面波導(dǎo)（CPW）電路是普遍應(yīng)用的微帶形式。傳統(tǒng)的共面波導(dǎo)是在PCB材料基片的表面上制作出導(dǎo)體線，底層制作接成平面GND層。被稱為接地共面波導(dǎo)（CPW或CPWG）的電路是傳統(tǒng)共面波導(dǎo)的一種改進(jìn)電路。

CPWG是在CPW電路結(jié)構(gòu)的底面增加了一個(gè)接地平面，并通過(guò)過(guò)孔via連接上下地平面，CPWG應(yīng)用上更具廣泛性，大多數(shù)PCB高速射頻PCB都是采用CPWG形式，因?yàn)檫@樣連接兩端器件可以滿足更好的芯片管腳接地要求！

盡管CPW和CPWG兩種電路都對(duì)鄰道信號(hào)具有超好的隔離度，從而降低在高密度電路中的串?dāng)_。但相比CPW，CPWG會(huì)使不連續(xù)處輻射量增加，其原因是CPWG中接地過(guò)孔的設(shè)計(jì)會(huì)影響阻抗，并增加損耗。但另一方面，當(dāng)工作頻率升高時(shí)，相比微帶線電路， CPWG地孔的設(shè)計(jì)可以允許更大的介質(zhì)材料厚度。

其次，在大功率電路應(yīng)用中，CPWG比CPW的散熱性能更佳，而且增加的接地平面也提高了電路的機(jī)械穩(wěn)定性。最后，當(dāng)工作在微波和毫米波頻率時(shí)，對(duì)于相同電路材料的微帶線和CPWG，CPWG的表面波泄露和輻射損耗更小。

在毫米波及以下頻段，CPW和CPWG的生產(chǎn)工藝相對(duì)簡(jiǎn)單且電路性能的穩(wěn)定性良好。通過(guò)傳輸線傳播的電磁波能量，特別是CPWG，其大部分能量都保留在PCB介質(zhì)材料內(nèi)部。和微帶線電路相比，雖然CPW和CPWG都具有更高的導(dǎo)體損耗，但CPW和CPWG電路的損耗特征是與頻率呈線性關(guān)系。

而微帶線電路，特別是在較高頻段時(shí)，損耗（因與輻射損耗有關(guān)）會(huì)隨著頻率不斷變化。此外，CPW和CPWG的損耗可以通過(guò)合理設(shè)計(jì)過(guò)孔位置及電路尺寸來(lái)降低。

微帶線的E、H場(chǎng)

在毫米波等高頻頻段，電路的尺寸變得越來(lái)越小，電路中許多關(guān)鍵元件的尺寸將接近電路所傳輸信號(hào)的波長(zhǎng)。對(duì)于微帶線和帶狀線，反射損耗和輻射損耗會(huì)隨著頻率的上升而增加，選擇合適的電路設(shè)計(jì)變得尤為關(guān)鍵。如果設(shè)計(jì)得當(dāng)，CPW特別是CPWG電路在高頻段可獲得良好的性能，且可常與微帶線相結(jié)合使用。在許多高頻設(shè)計(jì)實(shí)例中，CPWG都作為微帶傳輸線接口處的高性能接口。

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CPW是在介質(zhì)基片的頂層制作導(dǎo)體，并在導(dǎo)體兩側(cè)制作接地平面，呈現(xiàn)地線-信號(hào)線-地線（GSG）布局。CPW的地平面與信號(hào)線是共面的，通過(guò)調(diào)節(jié)信號(hào)線寬度及信號(hào)線與地之間的間距來(lái)控制阻抗。當(dāng)信號(hào)線的寬度漸變至連接器引腳時(shí)，CPW的阻抗值可以保持為常數(shù)。

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CPWG在介質(zhì)層的底面增加了接地平面，并通過(guò)過(guò)孔等方式實(shí)現(xiàn)上下接地面的連接。在CPW中電磁能量主要集中在介質(zhì)層內(nèi)部。對(duì)于CPW和CPWG，當(dāng)介質(zhì)基片的厚度為導(dǎo)線寬度2倍以上時(shí)，能有效抑制電磁能量向空氣中泄露。當(dāng)大于2倍以上時(shí)，特征阻抗基本由中心導(dǎo)線寬度及導(dǎo)線和接地平面的間距決定。CPW特征阻抗值通常在20～250??，而微帶線與帶狀線特征阻抗值通常分別在10～100?和20～120?。

CPW和CPWG中的耦合

與任何電路技術(shù)一樣，CPW和CPWG有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。針對(duì)不同的應(yīng)用需要，包括數(shù)字電路和模擬電路，必須綜合權(quán)衡其利弊。CPW和CPWG頂層接地線產(chǎn)生的奇模和偶模電流會(huì)造成電路的多種模的耦合。當(dāng)頻率升高時(shí)， CPW和CPWG的GSG結(jié)構(gòu)中較近的間隔距離易于形成強(qiáng)耦合，獲得較好的寄生模抑制能力，且輻射損耗也較低。增加信號(hào)線和地之間的間距或增加信號(hào)線寬度（低導(dǎo)體損耗和插入損耗）都能有效降低損耗。當(dāng)適當(dāng)增加信號(hào)線和地之間的間距，即達(dá)到松耦合時(shí)，可以降低電路的導(dǎo)體損耗和插入損耗。但其代價(jià)是帶來(lái)更為嚴(yán)重的輻射損耗和雜散失真。因此，對(duì)于CPW和CPWG，合適的耦合強(qiáng)度選取是既要有利于獲得低損耗的同時(shí)也能有效抑制寄生模。

一般情況下，電路的尺寸越薄越利于降低輻射損耗。對(duì)于工作于30GHz或者更高頻的毫米波電路，輻射損耗是電路總體損耗的一個(gè)重要部分。輻射損耗很大程度上與PCB材料的Dk值（介電常數(shù)）有關(guān)。電路材料的Dk值越高，電路的輻射損耗就越小，然而高Dk值會(huì)帶來(lái)更大的導(dǎo)體損耗。因?yàn)楫?dāng)Dk值增大時(shí)，為保持特征阻抗不變，信號(hào)線的寬度會(huì)變窄。因此，導(dǎo)體損耗將增大。

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PCB電路中銅的表面粗糙度會(huì)影響電場(chǎng)和電流。有效介電常數(shù)會(huì)隨銅表面粗糙度的增加而增大。此外，銅表面粗糙度會(huì)影響電路的插入損耗，通常CPWG的影響比微帶線小。因?yàn)樵贑PWG電路中，電場(chǎng)和電流集中分布在PCB上GSG區(qū)的內(nèi)部。而在微帶線電路中，電場(chǎng)和電流沿著金屬導(dǎo)體底部即金屬導(dǎo)體粗糙面?zhèn)鞑?。因此，CPWG的插入損耗受粗糙度的影響比微帶線更小。

仿真軟件的使用，如是德科技ADS，可以為各種CPW和CPWG電路設(shè)計(jì)提供合適的參數(shù)，比如走線寬度、介質(zhì)厚度、接地面之間的間距等，這些參數(shù)都會(huì)對(duì)最終性能產(chǎn)生重大影響。

SI9000也是不錯(cuò)的阻抗計(jì)算軟件，非常簡(jiǎn)潔方便：

綜上，作者推薦PCB設(shè)計(jì)時(shí)：重要的高速射頻線采用CPWG形式！

審核編輯：劉清