微带线和接地共面波导电路的比较与选择

时间： 2016-05-20 来源：微波杂志

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电路设计者往往需要选用某种电路技术，如微带线或共面波导(GCPW)等，以及某种电路设计和某种电路材料来实现最优的性能。可以从电气特性和热特性等参数对电路材料进行比较，如介电常数、损耗、功率容量及高频带宽等。电路传输技术如微带线和接地共面波导电路都各有其优缺点，通过对两者的仔细比较有助于发现他们各自的特点。

微带线电路是在高频印刷电路板(PCB)介质的一面分布传输导线另一面分布导体金属接地面构成的。微带线电路性能受诸多材料相关参数的影响，包括介质材料厚度、导体金属厚度、铜-介质面铜箔导体粗糙度或光滑度等参数。

接地共面波导又称导体衬底共面波导(CBCPW)，相比于微带线，由于接地共面波导不仅在介质底面有接地面且在介质顶部信号传输线两侧也分布着接地面，因此其具有更大的接地面积。GCPW通过使用接地面包围信号线的方式实现了电气性能的稳定。

微带线和接地共面波导电路的传输模式均为准横电磁模(准-TEM)。由于GCPW电路增强的接地结构，一定程度上其机械加工也更加复杂。相比于微带线，GCPW电路具有低色散特点，当频率上升到毫米波波段时，GCPW电路比微带线电路的辐射损耗也更低。

由于增强的接地结构，GCPW电路比微带线电路具有更宽的有效带宽和更大的阻抗范围。然而，微带线电路结构相对稳健，其简单的底部接地面电路结构便于加工。此外，微带线电路性能对电路加工因素不敏感，其电路性能受导体/间隙刻蚀差异和导体厚度差异的影响更小。

为比较两种高频电路技术，在罗杰斯公司RO4000®系列电路材料上加工了多个电路，所用电路材料为10mil厚度，0.5oz 电解铜的RO4350B™层压板。物理结构的差异导致不同电路传输线周围的电磁场模式也产生巨大差异。在微带线电路中，电磁场大部分分布在顶部信号面和底部接地面之间，且信号导体边缘具有很强的场分布。而在GCPW电路中，电磁场主要分布在共面电路层上的接地面-信号线-接地面（GSG）区域之间。相比于微带线电路，GCPW电路顶部信号面和底部接地面之间的场分布更弱。GCPW电路的导体损耗比微带线要高，但其临近的接地面结构使其具有更低的辐射损耗且更利于抑制寄生模式。

即使电路加工工艺存在某些不一致性，微带线电路仍能提供较稳定一致的电路性能。GCPW电路在高频段工作时具有更低的损耗，但GCPW电路性能更易受加工工艺的影响。例如，对于微带线电路，更厚的铜导体仅导致PCB有效介电常数和插入损耗略为减小。而GCPW电路，更厚的铜导体会对电路产生较大的影响。厚的铜导体会导致地-信号-地之间电场强度的显著增加，且会明显降低电路的有效介电常数和导体损耗。

GCPW电路的大部分电磁场能量是通过介电常数为1的空气传播而不是通过高介电常数的导体金属或介质材料传播，这导致了GCPW电路较低的有效介电常数；同时，GCPW电路中使用的宽导体有助于降低导体损耗；此外，GCPW电路的厚铜结构使电路具有更高的导体壁，这也将增加铜导体周围空气空间中传输的电磁能量并降低有效介电常数和电路损耗。

GCPW电路在设计和加工中具有弱耦合和强耦合两种方式，不同耦合方式导致的性能差异是明显的。例如，弱耦合和强耦合电路对导体使用的表面处理技术的表现是不同的，如化学镍金表面处理工艺(ENIG)。由于镍比铜的导电性差，使用ENIG表面处理的电路相比于裸铜电路，其导体损耗更高。此外，使用相同ENIG表面处理工艺的强耦合GCPW电路比弱耦合电路的导体损耗更高，特别是当信号通过多层电路传播且各层铜导体都经过ENIG表面处理时更加明显。因此，对于同种电路技术由于某些差异也会导致如损耗和性能的不同，如表面处理、弱耦合或强耦合以及导体宽度等因素的差异。

微带线和接地共面波导都是已被证明的高频传输技术且两者均能在微波频段及更高频段提供良好的性能。两种传输线各自具有不同的电路布局。对于特定电路技术，电路材料的选择会对电路的最终性能产生影响。总的来说，微波波段的微带电路比GCPW电路具有更低的损耗，特别是当存在加工差异时微带线电路的影响更小。但当频率逐渐升高甚至到毫米波波段时，GCPW电路将具有更低的色散和辐射损耗。而且，毫米波波段的GCPW电路比微带线电路也具有更宽的带宽。此外，当需要寄生模式抑制时，GCPW电路比微带线电路具有更好的模式抑制。

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黑色幽默2017 Lv6. 高级专家 2018-09-20

很详细，学习了
小马过河 Lv3. 高级工程师 2018-09-19

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Chase Lv7. 资深专家 2018-06-02

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luose Lv8. 研究员 2017-10-19

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