通常在微电路或PCB中用传输线来连接各个元器件。从测量的角度来看要把这些传输线与元器件区分开来,因为它们通常很短,又往往没有屏蔽,连接的接口不易制造,有时又没有很好地定义。在这里对一些常见的传输线结构和属性做一个回顾,重点介绍一些测量的参数。传输线有相同的三个参数:阻抗、有效介电常数和损耗。
1)微带线
毫无疑问,微带线是最常用的平面传输线。这是一种平面结构传输线,多见于印制电路板和微电路。微带线由介质基片之上的金属带状导线组成(介质基片将导线与接地面隔开),通常用来连接不同元器件以及制作传输线器件,例如耦合器和滤波器等。
关于微带线传输参数的计算,市场上已经有很多书都做过介绍了,虽然从设计上来讲这些微带线阻抗(或等效系统阻抗)可以是任何值,但从测量的角度看它们通常都是50Ω。有效相对介电常数决定了传输线的速度因子,但对于微带线来说,有些场在介质基片中传输,有些在空气中传输。因此,其传输的就不再是单纯的TEM波,这使得某些结构设计变得更复杂。耦合线就是一个例子,其偶数和奇数模式速度因子不相等。由于微带线传输的不是单纯的TEM波,在高频时散射效应将会比较明显,可以发现微带线的有效延迟随着频率的变化不是平坦的。
由于微带线的损耗取决于很多因素,例如导线和“地”的电导率、介质基片的介电损耗、外壳或屏蔽层的辐射损耗,以及表面和边缘处粗糙导致的损耗(在PCB和一些低温共烧陶瓷的应用中可能非常大,并且取决于使用的特殊工艺)等,因此要精确地计算微带线的损耗比较困难。市场上不乏一些高质量的PCB材料。FR4是最常见的板材料,其介电常数和PCB材料的损耗可能是不确定的。基板的成品可能是多个基板材料层用胶水黏合在一起的,最终的厚度取决于实际的处理步骤,所以在评估微带线传输线特性时最好做一些样品结构来帮助确定材料特性。
一种常用的高性能材料是蓝宝石单晶体,它的独特之处在于它的介电常数是有方向性的,在三个维度中的一面具有较高的常数10.4,而其他两面的介电常数相对较低为9.8。另外一种常见的高性能介电材料是陶瓷,多用于薄膜、厚膜和低温共烧陶瓷(LTCC)的应用中。它的介电常数比较一致,根据纯度和晶粒陶瓷结构的不同其值通常在9.6~9.8之间。
2)其他准微带结构
对于有些应用来说,要连接到比较大的器件时,50Ω微带线的尺寸就不合适了。悬置微带线是比较常见的一个变种。悬置微带线的接地面与介质之间有一定的距离。可以降低有效介电常数,提高微带线的阻抗。带有屏蔽壳的微带线是一种完全封闭的结构(微带线的理论结构模型假设是没有封顶的),其顶部的金属可以降低线路阻抗。对于悬置微带线来说尤其如此。
3)共面波导
微带传输线面临的一个问题是,“地”和信号在不同的层。共面波导(CPW),顾名思义,是一种“接地—信号—接地”的共面结构。还有一种是接地共面,其背面也是导体,在实际应用时,所有的共面线都有其相应的“地”。但如果介质背板与“地”之间的空气间隙太大,“地”的作用可能就失效了。微波测量中,在进行晶圆测量时经常用共面波导作为连接方式,用来测量微波晶体管和集成电路,这样可以保证接地电感足够低。有时为正面接地,有时为背面接地。值得注意的是,由于阻抗只取决于信号线宽与空气隙宽的比值,因此可以将连接从比较宽的信号线过渡到很小的器件(如IC)上去。(www.xing528.com)
由于“地”位于表面或片上,共面波导本身也存在一些问题。很多时候,CPW传输线安装在金属封装的基片上,而接地面位于一侧的壁上。如果在某频率上侧边的壁距离接地板边缘接近四分之一波长或其倍数,那么就形成某种传输线模式,导致CPW的“地”相对于封装的接地面来说相当于一个开路。能经常发现这种“热地”现象,为了避免这种情况的发生,有时会在CPW的背面用一个较小的过孔或者交叉线将一边与另外一边的“地”连接起采。另一种方法是通过吸波材料或者薄膜材料连接到侧边来抑制不需要的模式能量。还有一种方法是把共面波导用做接地板和导体之间空隙的悬浮衬底,然后用一些导线将CPW的“地”“缝合”到侧面的接地板。由于增加了接地面,这种结构的特征阻抗降低了,为了对多出来的接地路径进行调整,通常要调节中心导线的宽度。
4)带状线
在PCB内层中更常见的传输线是带状线,带状线由一个薄带或矩形金属夹在两个接地面之间,接地面之间为一种介电常数均匀的材料。带状线的阻抗比同样宽度的微带线低得多。但它的优点是全TEM波,因此,要设计类似耦合线这样的器件就简单得多,因为奇数模式速率因子与偶数模式速率因子相等。
本章小结
本章首先介绍了射频同轴电缆的传播模式、衰减特性、构造、类型和特性,接着介绍了射频电缆的类型和用途,包括半刚性电缆、柔性半钢电缆、软电缆等,然后介绍了射频同轴连接器的构造、类型和特性,包括N式接头、SMB接头、SMC接头、同轴终端负载、SMAA、印制板表面贴装连接器等,最后介绍了射频转接头。
习题作业
1.射频电缆有哪些类型?
2.射频连接头有哪些类型?
3.射频转接头有哪些类型?
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