采用多層電路結(jié)構(gòu)來優(yōu)化射頻性能的設(shè)計(jì)概念

電子設(shè)計(jì)小型化是多層印刷電路板得到廣泛使用的驅(qū)動力。多層電路更多占用的是垂直空間而非水平空間，因此可以在緊湊的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)堆疊。電路的層數(shù)是指電路中導(dǎo)體層的數(shù)量，通常由介質(zhì)層隔開。由于介質(zhì)材料的選擇范圍極廣，且材料特性和厚度多樣，因此電路開發(fā)人員通過采用多層電路的設(shè)計(jì)方法，可以在極小的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)性能目標(biāo)。某些獨(dú)特的射頻設(shè)計(jì)概念可以確保多層電路原型的實(shí)測性能水平達(dá)到或超過投產(chǎn)后的性能水平。

射頻/微波電路的多層印刷電路板通常在外層采用多種不同的高頻電路技術(shù)，如微帶線、帶狀線和接地共面波導(dǎo)電路等。這些電路技術(shù)均可設(shè)計(jì)為缺陷地結(jié)構(gòu)來對射頻性能做一些優(yōu)化和改善。缺陷地結(jié)構(gòu)最初是為微帶諧振器開發(fā)，是在電路板接地平面上有目的性的產(chǎn)生銅挖空區(qū)域而呈現(xiàn)蝕刻圖形。在應(yīng)用得當(dāng)?shù)那闆r下，缺陷地結(jié)構(gòu)有助于改善電流流向，能有效減少波長，且可以實(shí)現(xiàn)信號隔離。

由于缺陷地結(jié)構(gòu)易受電磁輻射影響，因此采用缺陷地結(jié)構(gòu)的電路設(shè)計(jì)和制造始終受到擔(dān)憂。一直以來，電路內(nèi)的缺陷地結(jié)構(gòu)模型和電磁仿真軟件工具均有限。但是，隨著計(jì)算機(jī)和電路模擬器的發(fā)展，缺陷地結(jié)構(gòu)模型也得到了改進(jìn)，即使采用自定義缺陷地結(jié)構(gòu)的電路，也可在合理的計(jì)算機(jī)處理時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確模擬大多數(shù)電路的行為。

抑制輻射

當(dāng)電路較為簡單時(shí)，多層電路中的缺陷地結(jié)構(gòu)可能無需擔(dān)心會產(chǎn)生非必要的電磁輻射。例如，在一些多層結(jié)構(gòu)中，最上層作為信號層，依次往下是介質(zhì)材料、第二層銅層、介質(zhì)材料，以及第三層銅層，此時(shí)可以在第二層中設(shè)計(jì)缺陷地結(jié)構(gòu)。如需設(shè)計(jì)濾波器，則可以將第二層中設(shè)計(jì)所需的尺寸，使形成在所需的頻率或頻率帶下的抑制凹陷而達(dá)到濾波器的所需頻率響應(yīng)。對于僅有兩個(gè)導(dǎo)電層（即濾波結(jié)構(gòu)電路和接地層）的電路，接地層中的缺陷可能是電磁輻射的潛在來源。但是，對于多層電路，第三層可抑制缺陷地結(jié)構(gòu)發(fā)出的輻射。此外，缺陷地結(jié)構(gòu)周圍密布的接地過孔有助于隔離三層中第二和第三銅層之間的任何電磁輻射。

缺陷地結(jié)構(gòu)有助于提升多種射頻/微波電路的性能，且即使應(yīng)用于多層電路結(jié)構(gòu)，也不會給電路制造商帶來額外挑戰(zhàn)。例如在一個(gè)三層電路結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的一種階躍阻抗低通濾波器。[1]這種階躍阻抗濾波器使用了窄導(dǎo)體來實(shí)現(xiàn)高阻抗，使用寬的導(dǎo)體來實(shí)現(xiàn)低阻抗（如圖所示）。通過增加高低阻抗之間的阻抗差，可增強(qiáng)濾波器性能（例如阻帶區(qū)）。然而，通常高阻抗值的實(shí)現(xiàn)受限于介質(zhì)材料特性和制造工藝的蝕刻精度。

但是，在高阻抗區(qū)采用缺陷地結(jié)構(gòu)可以大幅增加阻抗，同時(shí)能夠避免電路制造商的較窄線路的蝕刻風(fēng)險(xiǎn)。阻抗的增加有助于將降低無用的諧波而改善濾波器的阻帶響應(yīng)。為便于說明，先以下圖的一個(gè)兩層低通濾波器進(jìn)行說明，深橙色顯示電路的頂層信號，淺橙色顯示底層或接地層，接地層中的缺陷地結(jié)構(gòu)以白色區(qū)域表示。如采用多層結(jié)構(gòu)低通濾波器，則代表缺陷接地的白色區(qū)域位于第二層，再往下的第三層即作為濾波器的完整的接地層。

這種缺陷地的設(shè)計(jì)靈活性也可用于毫米波頻率的一些電路設(shè)計(jì)中。缺陷地結(jié)構(gòu)的使用十分有益于毫米波雷達(dá)中常用的微帶線串聯(lián)供電貼片天線陣列。這種結(jié)構(gòu)有助于調(diào)整陣列輻射貼片之間的相互耦合，減少無用的頻率響應(yīng)，并抑制旁瓣。通過缺陷地結(jié)構(gòu)，在輻射貼片之間的饋線可使用更寬的導(dǎo)體，從而滿足特定的阻抗需求。更寬的導(dǎo)體饋線有利于在貼片陣列天線的大批量制造過程中進(jìn)一步提高生產(chǎn)良率。

在微帶線貼片天線陣列中采用缺陷地結(jié)構(gòu)的另一種方法是使用帶狀線導(dǎo)體為陣列的輻射貼片饋電。帶狀線是一種可達(dá)到最小的輻射損耗和高隔離度的高頻低損耗傳輸線結(jié)構(gòu)。通過電路板蝕刻出的開口，可將帶狀線饋電結(jié)構(gòu)連接到位于帶狀線上方導(dǎo)體層的微帶線輻射貼片。幸運(yùn)的是，這種蝕刻的開口，可實(shí)現(xiàn)與輻射貼片的良好耦合而進(jìn)行饋電，且可在毫米波頻率下提供良好的天線性能。

使用不同的電路材料可以使小型化的多層電路具有優(yōu)越的射頻/微波性能。例如，耦合帶狀線可以通過4層電路結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，其中最上層（第1層）和最底層（第4層）作為接地層，兩個(gè)內(nèi)層（第2層和第3層）作為耦合信號導(dǎo)體層。由于耦合強(qiáng)度會隨著電路材料介電常數(shù)（Dk）的增加而增加，因此，如果在介電常數(shù)較高的電路材料上制造兩個(gè)內(nèi)導(dǎo)體層，則可達(dá)到較高的耦合系數(shù)和層間耦合。

需要注意的是，在帶狀線電路中使用不同的電路材料實(shí)現(xiàn)高頻耦合必須仔細(xì)建模，因?yàn)椴牧系慕殡姵?shù)差異會導(dǎo)致不同的偶模和奇模相速度。當(dāng)相速差較大時(shí)，一些不必要的響應(yīng)也隨之增加，從而可能影響電路性能。

使用介電常數(shù)有差異的電路材料有利于多層微帶線邊緣耦合結(jié)構(gòu)。[2]例如，在包含三個(gè)銅層的多層板中，在第1、2層之間使用介電常數(shù)高的材料，在第2、3層之間使用介電常數(shù)低的材料。由此，在第2層中某些沒有銅箔的區(qū)域，由介電常數(shù)不同的兩種介質(zhì)材料，將第1層和第3層上隔開。

由于存在偶模和奇模相速度差，因此微帶線邊緣耦合濾波器會產(chǎn)生非必要的諧振。這是因?yàn)轳詈蠄鰰┻^有效介電常數(shù)不同的介質(zhì)：在奇模下穿過空氣和介質(zhì)材料，但在偶模下僅穿過介質(zhì)材料。通過控制高、低介電常數(shù)材料的厚度比，奇模耦合場仍將部分穿過空氣，并且還將穿過介電常數(shù)較高的材料，但無法穿過介電常數(shù)較低的材料。通過優(yōu)化高介電常數(shù)和低介電常數(shù)材料的厚度比，可以使兩種模式下的相速度盡可能相等，從而減少無用諧波，同時(shí)改善濾波器阻帶性能。

以上僅是采用多層印刷電路板結(jié)構(gòu)來增強(qiáng)射頻性能的眾多應(yīng)用中的示例。如需更詳細(xì)地了解多層電路的優(yōu)勢，請聯(lián)系當(dāng)?shù)氐牧_杰斯代表或訪問我們的羅杰斯技術(shù)支持中心。

參考文獻(xiàn)

[1] John Coonrod, “Multilayer PCB Technology Supports Microstrip DGS Without Radiation Loss,” Microwave Journal, Vol. 61, No. 2, February 2018

[2] John Coonrod, “Harmonic Suppression of Edge Coupled Filters Using Composite Substrates,” Microwave Journal, Vol. 55, No. 9, September 2012