射頻PCB布局中的波導(dǎo)腔設(shè)計(jì)

使用RF信號(hào)需要仔細(xì)路由并限制波到互連的范圍。這些布局的目標(biāo)是確保在可能的情況下實(shí)現(xiàn)低損耗/低色散傳播，以及RF互連與系統(tǒng)其他部分之間的隔離。波導(dǎo)腔是提供靈敏的隔離和模式選擇的一種很好的方式，可以在電路板上路由敏感的RF信號(hào)。

實(shí)際上，許多結(jié)構(gòu)都可以用來(lái)形成波導(dǎo)腔，我們通常不將PCB中的典型傳輸線結(jié)構(gòu)稱為波導(dǎo)。甚至傳統(tǒng)的帶狀線和微帶結(jié)構(gòu)在高頻下也表現(xiàn)出波導(dǎo)特性，包括由于系統(tǒng)的幾何形狀而引起的高階模態(tài)的激發(fā)和色散。如果要在RF PCB布局中使用波導(dǎo)腔，則在設(shè)計(jì)波導(dǎo)時(shí)要考慮以下幾點(diǎn)，并確保可以可靠地按比例制造設(shè)計(jì)。

PCB中的波導(dǎo)腔幾何形狀

波導(dǎo)具有各種形狀和尺寸，但是只有某些類型的波導(dǎo)才能使用標(biāo)準(zhǔn)制造工藝可靠地制造在PCB上。DFM要求限制了PCB的幾何形狀，進(jìn)而限制了您可以放置在PCB布局中的可用互連幾何形狀。3D打印是一個(gè)例外，它使您能夠制作出幾乎可以想象到的任何波導(dǎo)腔幾何形狀。

如果您像大多數(shù)設(shè)計(jì)師一樣，則需要在傳統(tǒng)的制造過程中工作。

使這些波導(dǎo)腔幾何結(jié)構(gòu)與微帶線和帶狀線有很大不同的原因是，與在線路上傳輸?shù)?a href="http://www.wenjunhu.com/analog/" target="_blank">模擬信號(hào)的波長(zhǎng)相比，它們的尺寸較大。對(duì)于數(shù)字信號(hào)，我們喜歡使用微帶線和帶狀線，因?yàn)樗鼈冊(cè)试STEM波沿線傳播，并且直到非常高的頻率都看不到泄漏的波導(dǎo)效應(yīng)。這樣，在實(shí)際的PCB和IC中使用的微帶和帶狀線具有非常高的帶寬。隨著PCB變得越來(lái)越密集，越來(lái)越先進(jìn)，將TEM截止頻率推至非常高的水平，這一點(diǎn)尤其如此。

所有這些波導(dǎo)具有一些特殊的特性，這些特性使它們?cè)诘湫偷奈Ь€和帶狀線跡線上具有獨(dú)特性：

l模式選擇。根據(jù)正式定義，電磁波導(dǎo)管不允許TEM模式。TEM模式是波動(dòng)方程的簡(jiǎn)單解決方案，因此振幅為零。與帶狀線和微帶線相反，波導(dǎo)具有截止頻率，超過該截止頻率，第一模式便可以開始在結(jié)構(gòu)中傳播。

l可調(diào)帶寬。單模波導(dǎo)的帶寬由其最低階模式和下一階高模式之間的頻率差定義。通過調(diào)整波導(dǎo)的幾何形狀，可以調(diào)整結(jié)構(gòu)的帶寬。

l工程現(xiàn)場(chǎng)分配。盡管這通常不用于構(gòu)建用于信號(hào)傳播的波導(dǎo)，但是可以通過激發(fā)波導(dǎo)中的特定模式來(lái)選擇波導(dǎo)內(nèi)的電磁場(chǎng)分布。大多數(shù)波導(dǎo)僅僅由于頻率和波導(dǎo)尺寸之間的匹配而以TE10模式工作，但是可以選擇其他模式。諸如太赫茲感測(cè)和成像以及波導(dǎo)耦合之類的應(yīng)用可以受益于在波導(dǎo)中選擇特定的場(chǎng)分布。

盡管具有這些獨(dú)特的特性，但與標(biāo)準(zhǔn)平面互連上的信號(hào)一樣，注入波導(dǎo)中的信號(hào)也會(huì)遭受損耗和色散。另外，就像在典型的傳輸線中一樣，波導(dǎo)中的色散取決于幾何形狀。設(shè)計(jì)波導(dǎo)腔的重點(diǎn)是調(diào)整幾何形狀以提供所需的截止頻率和帶寬。

分析波導(dǎo)腔設(shè)計(jì)

所有的波導(dǎo)都是典型的傳輸線和諧振結(jié)構(gòu)之間的交叉點(diǎn)。它們的作用類似于傳輸線，因?yàn)樗鼈兛梢杂眉纳娐吩恼Z(yǔ)言來(lái)描述，但是它們的作用也類似于諧振器，因?yàn)樗鼈兙哂芯哂刑囟ń刂诡l率的模式結(jié)構(gòu)。如上所述，僅允許某些模式形成電場(chǎng)和磁場(chǎng)的特定空間分布。

模態(tài)頻率

閉合波導(dǎo)（例如，襯底集成波導(dǎo)（SIW））的模態(tài)頻率是腔幾何形狀（寬度W和高度H）的函數(shù)，可以通過一個(gè)簡(jiǎn)單的方程找到，如下所示：

對(duì)于上面顯示的波導(dǎo)，您需要沿波導(dǎo)使用有效寬度來(lái)確定截止頻率和模態(tài)頻率。這些波導(dǎo)的有效寬度各不相同，但是您可以在Brian C. Wadell的《傳輸線設(shè)計(jì)手冊(cè)》中找到許多閉式方程式。處理色散系統(tǒng)和有損系統(tǒng)使用的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)可以在任何偏微分方程教科書中找到。

輸入阻抗

可以使用傳輸線的標(biāo)準(zhǔn)輸入阻抗公式來(lái)描述波導(dǎo)的輸入阻抗。只要知道波導(dǎo)的波阻抗，就可以計(jì)算輸入阻抗，該阻抗通常使用短路負(fù)載。均勻矩形波導(dǎo)腔的波阻抗定義如下：

對(duì)于均質(zhì)矩形波導(dǎo)，您可以在標(biāo)準(zhǔn)輸入阻抗方程中將其用于傳輸線。與模態(tài)頻率一起，您可以檢查不同的激發(fā)波導(dǎo)腔模式中的場(chǎng)的行為。需要考慮的另一點(diǎn)是將結(jié)構(gòu)耦合到其他波導(dǎo)或傳輸線，我將在下一篇文章中對(duì)其進(jìn)行更深入的討論。