由技术营销经理 John Coonrod 发表
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本文由 John Coonrod 撰写，最初发表于《Microwave Journal》主办的 ROG 博客。
高频电路的设计师在为特定设计选择最合适的印刷电路板 (PCB) 材料时，往往必须考虑该设计的性能限制、物理尺寸，甚至是功率水平。但是，微带线或接地共面波导（GCPW）电路等传输线的选择也会影响设计预期的最终性能。许多设计师可能比较熟悉高频微带线和带状线电路之间的明显差异。但是 GCPW 电路与传统的微带线又有所不同，同时也具有许多值得高频电路设计师考虑的优势。在作出选择时，通过比较您就会发现 GCPW 电路与微带线在使用的 PCB 材料种类上有何不同。这两种结构之间的差异参见下图。
通过快速比较就会发现，微带线的特点是在介质层的顶部带有信号导体，介电材料的底部带有导电金属接地层。GCPW 通过在两个接地导体之间制造信号导体来实现额外的接地和隔离层，这些信号导体均位于介质层的顶部，而另一个接地层位于介质层的底部。导电金属填充的通孔连接顶层和底层接地层，从而实现一致的接地性能。此外，许多 GCPW 电路都使用接地带为两个顶层接地导体提供电连接，以便确保结点等电路不连续性的一致性。
尽管这两种电路方式之间可能会有所差异，但 GCPW 电路的顶层接地和信号导体之间的紧密间距使其能够实现低阻抗，并且可以通过调整接地端与信号线的间距来调整阻抗。阻抗随着顶层接地导体和信号导体的间距增加而增加。实际上，随着 GCPW 电路的顶层接地与信号导体的间距增加，这些接地对电路的影响较小，而 GCPW 电路在顶层接地端与信号导体之间就会有足够的间距，类似于微带线。
为何要使用一种传输线方式来替代另一种？与 GCPW 电路相比，微带线显然更“美观又简洁”，更易于制造，甚至可以通过计算机建模。凭借其强大的接地结构，GCPW 电路在比微带线更高的频率上性能损耗更低，并且为可在毫米波频率范围，甚至100 GHz 及更高频率下正常工作的电路设计提供了很大的可能性。含有带状线的微带线是微波频率上最流行的传输线结构之一，在毫米波频率范围内电路损耗增加，这使得电路技术在 30 GHz 及更高频率下的使用效率降低。
PCB 材料对于微带线或 GCPW 传输线方式的选择起什么作用？介质系数 (Dk) 和 Dk 一致性等材料参数将影响这两种传输线方式的电气性能。电磁场在每个电路结构的传播方式与特定电路材料所具有的有效 Dk 有很大关系，因为这些电磁场可以在介电材料内外运动。例如，在微带线的顶侧传输线和底侧接地层中，电磁场主要包含在两个金属层之间的介电材料内，并且信号导体边缘的电磁场较强。微带线的有效介质系数与 PCB 材料的指定 Dk 密切相关，例如，罗杰斯的 RO4350B™ PCB 材料，其有效 Dk 在 10 GHz 频率、z 方向（厚度）的工艺规格为 3.48。整个材料的 Dk 的公差仅为 ±0.05，这非常令人振奋。
PCB 材料的有效 Dk 将从本质上决定获得特定特性阻抗（例如 50Ω）所需电路结构的尺寸。因此，对于RO4350B电路材料上的微带传输线，其 Dk 至少应为 3.48 才能获得 50 欧姆的电路阻抗。但是对于使用相同材料的 GCPW，由于更多的电磁场位于电路上方的空气中而不是在 PCB 介电材料中，因此其电路的有效 Dk 降低，并且比微带线的更低。GCPW 和微带线在有效 Dk 方面的差异具体取决于 GCPW 电路使用的基板厚度以及顶层上接地信号接地导体的间距。
与 GCPW 电路相比，PCB 制造问题对微带线的影响较小。例如，PCB 铜镀层的厚度变化不会影响微带线的性能，但会影响 GCPW 电路的性能。对于微带线，如果采用铜镀层较厚的 PCB，可略微减少插入损耗并降低电路的有效 Dk。对于 GCPW 电路，如果采用镀铜层较厚的 PCB，会导致顶层接地端、信号和接地场路径之间的电磁场增强，并且 GCPW 电路上方的空气中会形成更多的电磁场。如果电路上方的空气中形成更多的电磁场，GCPW 电路的信号损耗以及 PCB 有效 Dk 损耗都会降低，这些都是因为 PCB 的镀铜层较厚。
通过快速比较就会发现，微带线通过微波频率支持中等带宽的电路，但是在毫米波频率较高时具有很高的辐射损耗，并且在毫米波频率时难以实现模抑制。微带线对 PCB 制造技术和材料特性（如镀铜层厚度和铜厚度变化）的敏感度最低。相比之下，GPCW 在毫米波频率下仅会有中等程度的辐射损耗，并且能够在毫米波频率下具有中等或更佳的模抑制能力，因此是 30 GHz 及更高频率设计的理想选择。此外，GCPW 电路仅对 PCB 制造技术和变化有一定的敏感性，因此非常适用于更高频率下的批量生产应用。
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发布于 2020 年 7 月 7 日
