射频PCB布局中的波导腔设计

使用RF信号需要仔细路由并限制波到互连的范围。这些布局的目标是确保在可能的情况下实现低损耗/低色散传播，以及RF互连与系统其他部分之间的隔离。波导腔是提供灵敏的隔离和模式选择的一种很好的方式，可以在电路板上路由敏感的RF信号。

 

实际上，许多结构都可以用来形成波导腔，我们通常不将PCB中的典型传输线结构称为波导。甚至传统的带状线和微带结构在高频下也表现出波导特性，包括由于系统的几何形状而引起的高阶模态的激发和色散。如果要在RF PCB布局中使用波导腔，则在设计波导时要考虑以下几点，并确保可以可靠地按比例制造设计。

PCB中的波导腔几何形状

波导具有各种形状和尺寸，但是只有某些类型的波导才能使用标准制造工艺可靠地制造在PCB上。DFM要求限制了PCB的几何形状，进而限制了您可以放置在PCB布局中的可用互连几何形状。3D打印是一个例外，它使您能够制作出几乎可以想象到的任何波导腔几何形状。

如果您像大多数设计师一样，则需要在传统的制造过程中工作。

使这些波导腔几何结构与微带线和带状线有很大不同的原因是，与在线路上传输的模拟信号的波长相比，它们的尺寸较大。对于数字信号，我们喜欢使用微带线和带状线，因为它们允许TEM波沿线传播，并且直到非常高的频率都看不到泄漏的波导效应。这样，在实际的PCB和IC中使用的微带和带状线具有非常高的带宽。随着PCB变得越来越密集，越来越先进，将TEM截止频率推至非常高的水平，这一点尤其如此。

所有这些波导具有一些特殊的特性，这些特性使它们在典型的微带线和带状线迹线上具有独特性：

l 模式选择。根据正式定义，电磁波导管不允许TEM模式。TEM模式是波动方程的简单解决方案，因此振幅为零。与带状线和微带线相反，波导具有截止频率，超过该截止频率，第一模式便可以开始在结构中传播。

l 可调带宽。单模波导的带宽由其最低阶模式和下一阶高模式之间的频率差定义。通过调整波导的几何形状，可以调整结构的带宽。

l 工程现场分配。尽管这通常不用于构建用于信号传播的波导，但是可以通过激发波导中的特定模式来选择波导内的电磁场分布。大多数波导仅仅由于频率和波导尺寸之间的匹配而以TE10模式工作，但是可以选择其他模式。诸如太赫兹感测和成像以及波导耦合之类的应用可以受益于在波导中选择特定的场分布。

尽管具有这些独特的特性，但与标准平面互连上的信号一样，注入波导中的信号也会遭受损耗和色散。另外，就像在典型的传输线中一样，波导中的色散取决于几何形状。设计波导腔的重点是调整几何形状以提供所需的截止频率和带宽。

 

分析波导腔设计

所有的波导都是典型的传输线和谐振结构之间的交叉点。它们的作用类似于传输线，因为它们可以用寄生电路元件的语言来描述，但是它们的作用也类似于谐振器，因为它们具有具有特定截止频率的模式结构。如上所述，仅允许某些模式形成电场和磁场的特定空间分布。

 

模态频率

闭合波导（例如，衬底集成波导（SIW））的模态频率是腔几何形状（宽度W和高度H）的函数，可以通过一个简单的方程找到，如下所示：

 

对于上面显示的波导，您需要沿波导使用有效宽度来确定截止频率和模态频率。这些波导的有效宽度各不相同，但是您可以在Brian C. Wadell的《传输线设计手册》中找到许多闭式方程式。处理色散系统和有损系统使用的标准技术可以在任何偏微分方程教科书中找到。

 

输入阻抗

可以使用传输线的标准输入阻抗公式来描述波导的输入阻抗。只要知道波导的波阻抗，就可以计算输入阻抗，该阻抗通常使用短路负载。均匀矩形波导腔的波阻抗定义如下：

对于均质矩形波导，您可以在标准输入阻抗方程中将其用于传输线。与模态频率一起，您可以检查不同的激发波导腔模式中的场的行为。需要考虑的另一点是将结构耦合到其他波导或传输线，我将在下一篇文章中对其进行更深入的讨论。