微波電路及其PCB設計（二）

　　四．PCB平行雙線中的電磁波傳輸特性

　　（一）分布參數概念與雙傳輸線

　　對于集中參數電路，隨著工作頻率的提高，電路中的電感量和電容量都將相應減少，如圖4所示的振蕩 回路。

　　當電路中電感量小到一定程度，將使線圈等效為直線（圖4-b.）；當電容量小到一定程度，將由導線間分布電容所替代（圖4-c.）。
由上述定性描述得如下高頻電路設計原則：

　　    ● 當工作頻率較高時，集中參數將轉化為分布參數，并起主導作用。這是微波電路的主要形式。

　　    ● 在分布參數PCB電路中，沿導線處處分布電感，導線間處處分布電容。

　　    ● 在高頻PCB電路設計中，注意元器件標稱值與實際值的離散性差別是相對于工作頻率而定的。

　　    ● 由圖可知，PCB條狀雙線就是具有分布參數之電路的簡單形式，除了可以傳輸電磁能外，還可作為諧振回路使用。

　?。ǘ㏄CB條狀雙線分布參數的等效方式

　　 通常將一段雙線導線分成許多小段（例如每段長度1cm），然后將每段雙導線所具有的分布電感與電容量表示為集中參數形式，如圖5所示。圖中b線，可以是PCB上與a同面并行之走線或地線，也可以是異面并行之走線，為便于解釋，這里指空氣中兩并行線。

　　在雙線傳輸分析上，常將介質損耗忽略（即R1<<ωL1，G1<<ωC1），然后等效為圖5所示的“無耗傳輸線”形式（即忽略電磁波衰耗）。根據電磁場理論，可知每1cm的條狀雙傳輸線電感量與電容量分別為：
    L1≈ (μ/π)ln(2D/d)　　　 (H)
    C1≈πε/ln(2D/d)          (F)
   
 式中，μ=線間介質磁導率（H/cm）。當介質為空氣時，μ=μ0=4×E-5（H/cm）；ε=線間介電常數。當介質為空氣時，ε=ε0=8.85×E-10；D=雙線間距；d=PCB線厚度或寬度（具體定義詳見后續說明）。

　　綜合上述的設計概念如下：

　　    ● PCB中，可分別近似認為d為銅皮寬度（對電感）或銅皮厚度（對電容），前提是對無接地板的同面雙線。對于異面平行雙線時，D為PCB厚度，d為線寬。

　　    ● 工作于高頻狀態兩層以上PCB設計中，不僅要考慮同面走線間的分布參數，也需考慮異面走線間的分布參數，而且更為重要（具接地板的RF-PCB電路則屬于另外的分析方式棗參見后續）。

　　（三）電磁波在PCB條狀雙線上的傳輸特點

　　圖3所示的PCB條狀雙線等效電路中，在直流電源接入瞬間，從左到右，電壓和電流是以依次向相鄰電容充電，然后向次級電容放電的過程形式傳播的，稱為電流行波。

　　若將圖6中電源換為簡諧規律的交流源，可以推知，將有一電壓行波從左至右傳播。沿線電壓值與時間位置均有關。這種電壓行波，在工作波長與所考察傳輸線長度可比擬時，是較為明顯的。

　　有電壓必有電場，有電流必有磁場，所以沿線電場與磁場是以簡諧規律沿傳輸線傳播的。
綜上所述，可知道微波級高頻電路之PCB特征如下：

　　    ● 當PCB走線與工作波長可相比擬時，電壓和電流從一端傳到另一端的形式已不是電動勢作用下的電流規律，而是以行波形式傳播，但不是向周圍輻射。

　　    ● 行波的能量形式，體現為電磁波形式，而且在導體引導下沿線傳播。工作頻率越高，電磁波能量形式越明顯，通常意義下的集中參數器件之處理功能越弱。

　　    ● 必須明確：當頻率足夠高時，PCB走線開始脫離經典的歐姆規律，而以“行波”或電磁波導向條形式體現其在電路中的功能。

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