由技术市场经理 John Coonrod 发表
先进电子解决方案
本文由 John Coonrod 撰写，最初发表于《Microwave Journal》主办的 ROG 博客。
为实现最佳性能，电路设计师往往必须选择采用特殊设计的电路技术和电路材料，例如微带线或接地共面波导 (GCPW) 电路。正如本博客系列文章中经常详述讨论的那样，我们可以通过不同的电气和热特性来比较电路材料，例如介质系数、损耗、功率处理能力，甚至更高频率下的带宽限制。微带线和 GCPW 等电路技术各有优缺点，仔细研究这两种电路技术有助于了解它们之间的优劣势。
微带线电路利用高频介质印刷电路板 (PCB) 一侧的细传输线与 PCB 另一侧的导电金属接地层构成。微带线电路的性能受许多与材料相关的变量影响，这些变量包括介电材料的厚度、导电金属的厚度，甚至是铜基板界面处导电金属的表面粗糙度或光滑度。
GCPW 电路，又称背敷金属共面波导 (CBCPW) 电路，将接地层放置在介电材料的底部以及信号传输线的顶部、同一层面和两侧，与微带线相比，其可增加电路周围的接地量。GCPW 电路结构通过用接地层围绕信号线来实现电气稳定性。
这两种技术均采用占主导地位的准横向电磁（准 TEM）传播模式实现。机械方面而言，具有增强接地结构的 GCPW 电路的制造较为复杂。但与微带线电路相比，GCPW 电路的分散度较低，辐射损耗也较低，在频率扩展至毫米波范围时尤其如此。
GCPW 电路具有增强型接地结构，比微带线电路具有更宽的有效带宽和更广的阻抗范围。不过，与 GCPW 电路相比，微带线电路较为坚固且易于制造，“底部接地层”的电路结构简单明了。此外，微带线性能对电路制造问题的敏感性不如 GCPW 电路，并且由于导体/空间和导体厚度的正常蚀刻变化，微带线设计的性能变化最小。
为了公平地比较这两种高频电路技术，我们采用罗杰斯公司 RO4000® 系列的电路材料制造了几种电路，包括采用标准 0.5 盎司电解 (ED) 铜的 10 密耳厚的 RO4350B™ 层压板。电路技术的物理差异会导致每种技术的传输线周围的电磁 (EM) 场模式出现显著差异。在微带线中，大多数电磁场位于顶部信号层和底部接地层之间，并且信号导体边缘的电场集中度较高。在 GCPW 中，共面电路层上的接地-信号-接地 (GSG) 区域之间存在强电磁场，而信号层和底部接地层之间的电磁场比微带线的顶部和底部电路层的电磁场弱。与微带线相比，GCPW 电路中的传输线承受的导体损耗更高，但辐射损耗则更低。除了低辐射损耗外，GCPW 的相邻接地层还可以极大程度地抑制杂散模式。
微带线电路可以提供一致的结果，即便电路制造过程略有不同也是如此。与微带线电路相比，GCPW 电路能够以更低的损耗在更高的频率下工作，但更易受到制造工艺变化的影响。例如，对微带线电路而言，较厚的铜导体会略微降低 PCB 的有效介质系数，同时小幅改进插入损耗表现。对 GCPW 电路而言，较厚的铜导体带来的影响更大：增加 PCB 上的接地-信号-接地结构之间的电磁场、降低有效介质系数、减少该 PCB 的导体损耗。
GCPW 电路的大部分电磁场能量会通过电路周围的空气传播（其介质系数为 1），而不是通过介质系数远远更高的导电金属或介电材料传播。最终结果是 GCPW 电路板的净介质系数较低。在这些 GCPW 电路板上使用更宽的导体有助于减少导体损耗。此外，GCPW 电路中的厚铜导体会使此类电路的导体壁更高，并且电磁波传播的很大一部分发生在铜导体周围的空气中，从而降低此类电路的有效介质系数和损耗。GCPW 电路板可采用松散和/或紧密耦合的电路进行设计和制造，但这两种耦合方法在性能上存在显著差异。例如，松散和紧密耦合的 GCPW 电路对使用有镀层或无镀层（例如无电镍金 (ENIG) 镀层）导体的反应有所不同。因为镍的导电性比铜低，所以与采用裸铜导体的电路相比，采用 ENIG 镀层的电路可承受更高的导体损耗。此外，与采用相同 ENIG 镀层的松散耦合 GCPW 电路相比，采用 ENIG 镀层的紧密耦合 GCPW 电路可承受更大的导体损耗，当此类 GCPW 电路可能涉及信号通过多个电路层（每个电路层的铜导体都采用独立 ENIG 镀层）传播时则尤其如此。
电路技术的差异主要由同一电路技术的差异造成，损耗和性能则取决于镀层、松散耦合、紧密耦合、导体的宽度和厚度等因素。
微带线和 GCPW 都是经过验证的高频电路方法，都可以通过微波频率和其他频率提供优异的性能。它们可提供不同的电路布局方法，此外，电路设计选用的 PCB 材料可能会对每种电路技术的最终性能产生影响。一般来说，在微波频率下，微带线电路的损耗比 GCPW 电路小，在制造工艺存在差异时则尤其如此。但当应用需要使用更高的毫米波频率时，GCPW 电路比微带线电路面临的色散和辐射损耗更小。同样在毫米波频率下，与微带线电路相比，GCPW 电路方法可提供更理想的带宽。此外，在必要时，采用 GCPW 电路比采用微带线电路更容易实现模抑制。
注意：本篇 ROG 博文基于 2015 年 5 月 17-22 日在亚利桑那州凤凰城举行的 IEEE 2015 国际微波研讨会上发表的 MicroApps 演示文稿：“微波 PCB 结构注意事项：微带线与接地共面波导”。
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发布于 2020 年 8 月 4 日
