【经验】毫米波频段下GCPW和SIW的电路设计

时间： 2022-01-24 来源：ROGERS

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毫米波频率下的平面结构的电路设计通常包括接地共面波导(GCPW)和介质基片集成波导(SIW)等结构，究其原因是它们在微波/毫米波集成电路和天线结构等的信号传输中具有良好的射频性能。

为了帮助射频设计工程师快速实现预期的射频性能，本文ROGERS首先从PCB材料的一些关键特征出发，回顾了GCPW和SIW的结构和设计，接下来具体讨论设计中常常容易被忽略的问题，最后讨论了PCB电路加工以及加工公差对GCPW和SIW的性能影响，从而获得更好性能一致性和可靠性。

问答精选　

Q1：GCPW和CPW的区别是什么？如果没有过孔的情况下，还可以称之为GCPW吗？

Rogers：GCPW和CPW的主要区别在于第二层的接地面，且上表面的接地面通过过孔与第二层接地面相连接。这里GCPW的“G“就是Grounded的CPW。简单的结构描述如下图。如果在没有过孔的情况下通常称为FG-CBCPW （Finite Ground-Conductor Backed-CPW），即有限地背面敷铜的共面波导。

Q2：既然有过程Dk，而且实际Dk还和铜箔的粗糙程度有关，那么设计Dk是否也和微带线、GCPW、SIW等不同面积的铜有关呢？是不是不同频率的设计Dk参考你们给的Dk频率曲线就行了？

Rogers：设计Dk主要是根据具体电路所测试的信号参数计算得到的Dk值，与电路的形式和大小密切相关。Rogers数据手册上所提供的设计Dk值均是基于微带线的结构上所测试得到的值，且在Rogers MWI工具中有所有材料随频率变化的设计Dk值。如果所用测试电路是非微带线电路，比如SIW或者其他形式，其电场分布的差异自然会使得测试所得到的电路上的设计Dk与微带线有一点差异。同样，如果信号导体的面积不同，其导体的铜箔的影响也会不同。

Q3：RTF2的芯板和VLP的芯板在同等的制程加工条件下, 面向粘结片的RTF2毛面原始粗糙度远远大于VLP面向粘结片的光滑面原始粗糙度, 在同样的压合前棕化处理, 为什么RTF2能得到跟VLP接近的插损表现？是否因为电磁波信号的传输能量分布在面向粘结片的铜箔那一侧的比较少，能量主要分布在面向芯板介质层那一侧？

Rogers：首先，铜箔粗糙度对于电路性能的影响与电路的厚度相关。电路越厚，铜箔的影响越不显著；铜箔越薄，铜箔带来的影响越显著。所以如果这里是20mil或者30mil厚度上的电路，而且电路频率低，线长段，这个损耗差异的确可能看不太出来。其次，也与电路设计的结构相关。如果电路上微带线结构,那么此时铜箔粗糙度的影响仅是和与介质相接触面的铜箔粗糙度有关，表面的粗糙度和与粘接片面的粗糙度对于信号的影响极小。如果电路结构是带状线结构，此时中心导体的上下两面铜箔粗糙度对信号损耗均有影响。

Q4：纯金属结构，比如矩形波导，需要考虑表面粗糙度吗？考虑的截面是场走的那个面吧？

Rogers：纯金属结构的矩形波导，其内部可以看作是填充的空气，其内腔金属表面的粗糙度也会影响矩形波导的性能。这里讲到的SIW实际等效为矩形波导，只是填充的是PCB介质材料。SIW的性能也与铜箔的粗糙度相关，越光滑对SIW性能影响越小，越粗糙影响越大。

Q5：请问目前有PCB材料有超过10GHz的介电常数和损耗角正切的数据么？请问罗杰斯是用什么方法测试介电常数和损耗角的？

Rogers：在行业中，有很多测试方法去评估测试PCB材料的Dk和Df，有多种方法可以测试超过10GHz的材料Dk、Df。但基于测试精度、可重复性、复杂度等问题，需注意更多的方法测试的超过10GHz的Dk、Df都是平面内的值，而不是PCB材料厚度方向的值。罗杰斯对PCB材料的Dk、Df测试也有多种方法可以测试评估，但正如数据手册上所标示，主要采用的IPC定义的IPC-TM650 2.5.5.5和微带线差分相位法测试，分别测试材料的过程Dk和设计Dk。

Q6：玻纤布对高频电路的影响具体是哪些？原因是什么？设计怎么规避？怎么选材？

Rogers：玻纤布对于高频电路，特别是毫米波电路，会产生性能的影响，造成相同设计下不同电路可能存在阻抗，相位等性能差异。其主要原因是在高频毫米波频段，信号的波长小，此时与玻纤布的宽度或玻纤布形成的开口尺寸相比拟；又由于玻纤的介电常数较大，而树脂本身的介电常数较小一些，因此在玻纤布开口仅有树脂区域与玻纤布区域形成了介电常数的差异。这种差异在波长很小的毫米波频段下的电路上能够被体现，呈现出玻纤效应。因此，在选择PCB材料用于毫米波频段下的应用时，推荐选用不含有玻纤布的PCB材料，如罗杰斯（ROGERS）的RO3003G2™ 材料。如果不得不考虑系统成本下，可以选用使用特殊开纤的玻纤布PCB材料，最大可能的减小玻纤效应。