射频和微波PCB设计指南-EDN 电子技术设计

 每个设计都有所不同，但经验作为一名优秀的教师起着积极的作用，制造工程师能够为主要陷阱提供解决方案。本文将介绍和讨论有关RF /微波PCB的详细PCB设计指南···

如今，RF /微波PCB广泛应用于众多手持无线设备和商业行业，包括医疗，通信等。由于RF（射频）/微波电路是分布参数电路，往往会产生趋肤效应和耦合效应，干扰和在实际印刷电路板（PCB）设计中难以控制电路中的辐射。常见的问题包括数字电路和模拟电路之间的交叉干扰，功率引起的噪声干扰以及荒谬布局引起的类似干扰问题。因此，如何平衡PCB设计的优缺点并尝试缩小干扰是RF /微波PCB设计的一个重要方面。

每个设计都有所不同，但经验作为一名优秀的教师起着积极的作用，制造工程师能够为主要陷阱提供解决方案。本文将介绍和讨论有关RF /微波PCB的详细PCB设计指南。

No.1 如何确定基材？

作为电路设计的早期阶段，PCB基板材料选择在RF /微波PCB设计中起着关键作用，佳基板材料有助于终产品的卓越性能和高可靠性。在考虑与PCB设计一致的基板材料时，必须集中一些方面，如相对介电常数，损耗角正切，厚度，环境等,以下内容将详细说明其重要性，并将显示理想的选择方法。

1、相对介电常数

相对介电常数是指介电常数和真空介电常数之间的比率。用于RF /微波PCB设计的基板材料的相对介电常数必须足够高，以满足空间和重量的要求。然而，诸如高速互连的其他应用要求极低的相对介电常数以产生具有可接受的线宽和阻抗容差的高阻抗电路。

在终基板材料确定之前，必须确认一些参数，包括一定范围的板厚度的线宽，电路工作频率的波长和主要部件的近似尺寸。必须绘制电路板图的草图，以便建立可接受的大和小相对介电常数。

而且，由基板材料制造商提供的相对介电常数偏差必须足够低，以使电性能在公差范围内。

2、损失正切

介电损耗是关于损耗角正切和相对介电常数的函数，对于一些基板材料，每单位长度的介电损耗可以通过施加可以减少导体损耗的较短线来抵消，这在高频情况下导体损耗变得明显时是非常重要的。因此，当估计某些电路中的元件损耗参数时，估计每单位长度或频率的损耗而不是在给定频率下每单位线长度的普通损耗。

在一定的频率范围内，基板材料损耗必须足够低，以满足输入/输出功率要求，同时避免散热问题。此外，一些电路元件（例如滤波器）的功率响应必须保持尖锐的频率滚降特性，以便满足电性能要求。当然，介电损耗会影响这种频率特性。

3、基板材料厚度与以下设计元素相关联：

a、跟踪宽度，为了保持给定的特性阻抗，应减小基板材料厚度以满足迹线宽度减小的要求。薄基板材料上的高阻抗迹线在制造时可能需要极低的走线宽度。

b、机械性能，在无支撑的薄基板材料上构造的电路可能弯曲，弯曲或扭曲，这不会发生在刚性和热固性材料上。

C、尺寸稳定性，一般而言，就尺寸稳定性而言，薄基板材料的性能比厚基板材料差。此外，薄基板材料也会给制造商带来挫折或导致成本增加。

d、成本，通常，每单位面积厚的基底材料比每单位面积薄的基底材料更昂贵。

e、一致性。对于需要弯曲成简单弯曲形状（例如圆柱形或锥形）的电路板，薄板能够弯曲到较低的曲率半径，而基板材料或铜箔不会被破坏。

F、介电击穿，对于平行板，薄介电材料具有比厚材料成比例更高的介电击穿电压。

G、动力处理能力，高频电路板的功率处理能力通过增加基板材料厚度可以减轻两个方面的限制。一方面，高功率可以通过加热部分消散。另一方面，高峰值功率水平可以导致电晕开始发电并缩短基板材料的寿命。

4、环境

印刷电路板制造和操作环境限制了基板材料的选择，应考虑的主要材料性能包括：

a、温度稳定性、应保证操作和技术的高和低温度，温度限制应表示为“峰值”或“连续”，应在峰值温度下计算电气性能，并与设计要求进行比较。在间歇温度峰值范围内，电路板不可能正常工作，因此应采用“连续”温度来估算性能。电路板机械性能发生永久性损坏应在“间歇”极限温度范围内检查。

b、耐湿性和化学性。基板材料应吸收低湿度，使高压环境下电路板的电性能不会明显降低。毕竟，额外的环保解决方案会引起额外的制造成本和设计折衷，待使用的技术需要与基底材料的耐化学性和耐溶剂性相容。

C、抗辐射性能，当RF /微波PCB应用于空间或核应用时，基板材料将遭受大量电离辐射，应确保和估计电离辐射对基板机械和电性能的影响。此外，应确保其累积效应，并将电路板的有效运行寿命与之进行比较。

5、关于基材的其他设计规则

a、铜线圈的附着力必须足够高，以承受应用和制造环境，以免造成永久性损坏。

b、相对介电常数随温度变化，这可能会影响工作温度范围内的电性能。

C、表面贴装器件（SMD）和镀通孔（PTH）的可靠性也与CTE相关。

d、基板材料的导热性将影响设计，考虑热管理问题。

e、在决定外壳和安装时，应提前考虑电路板翘曲。

F、机械性能可能会影响装配和安装设计。

G、基板材料的比重决定了电路板的重量。

H、在极限环境温度和高功率元件设计以及回流焊接或其他高温制造的应用过程中，必须仔细考虑热膨胀系数（CTE）。

i、电阻率可能是与电性能相关的元件，尤其是当高阻抗线路传输高电压功率放大电路时。

No.2 如何处理电气特性？

关键的高频电气特性包含特征阻抗（Z 0），衰减系数（α）和信号传输速度（v），特征阻抗和信号传输速度由有效相对介电常数确定，而信号损耗由衰减系数决定。

在所有可能的传输结构中，例如带状线（带状线的定义将在下面的a部分中介绍），微带线，双极脉冲或槽，带状线和微带线在微波电路设计中应用广泛，并且通常依赖于软基材料。对于带状线或微带线，地面距离和导体宽度之间的比率，导体厚度和耦合导体之间的距离强烈地影响特征阻抗和衰减系数。在特定频率范围内和传输线结构上，衰减系数，相对介电常数和特征阻抗可以以频率可靠性为特征。

当带状线或微带的横截面尺寸大于电介质中的波长时，其他（更高）传输模式变得明显，这使得传输线的电性能减弱。随着信号速度和频率上升，传输线的尺寸必须按比例减小以避免更高阶模式，需要应用具有给定特性阻抗的更薄衬底材料。

1、带状线

带状线是一种传输线结构，包括一条信号线和两个较宽的接地，它们与夹在其间的信号线平行，下图显示了从IPC-2252摘录的截面图中的典型带状线。

带状线的特征阻抗公式分为两个方面：窄信号线和宽信号线。
a、窄信号线

Z0表示特征阻抗（欧姆）;
Er指的是相对介电常数;
b 指地面之间的距离（m）;
w 指信号线宽（m）。
Y的公式：

在该式中

，t是指铜的厚度（μm）。

b、宽信号线

在此公式中，C f指的是边缘电容并符合以下公式：

2、不对称带状线

当信号线放置在地面（或功率）之间但不在中心位置时，必须修改带状线的计算公式。在修改过程中，必须耦合信号线之间的差异以及更近和更远的接地。如果信号线位于中心三分之一的范围内，则假设信号线位于中心的位置引起的偏差将非常小。

当信号线之间非常需要耦合时，必须依赖不对称的带状线结构，从而损害位于不同表面并由电介质隔开的两条信号线。通过平行线或交叉线进行耦合。当涉及高频电路设计时，不需要耦合，垂直交叉信号线的结构不起作用。

3、微带线

微带线也是一种传输线结构，包括与信号线平行的信号线和地。

微带线阻抗计算公式如下：

式中：

W = 铜走线的宽度（扁平铜导体）

H= 信号走线和接地层之间的距离/介电基板高度

εr =介电材料的相对介电常数/介电常数。

εe= 有效介电常数

Zo= 微带线的特性阻抗，单位为欧姆（Ω）。

No.3 如何安排其他重要方面？
1、机加工特征eTVednc
a、尺寸和公差
在设计元素中，尺寸和公差设计至关重要。在现场设计中，通常应用双边公差和真位置公差。简单标记的真实位置尺寸和公差使制造商以任何比例排列位置和尺寸的偏差，这通常会导致可制造性的提高，因此，设计人员可以确保功能要求，并为制造商提供足够的自由度，从而可以在精度低的制造过程中安排前导偏差。

位置公差能力主要取决于材料类型，厚度和部件的整体尺寸。真实位置直径为0.254mm（0.01英寸）是常见和容易获得的。当要求公差要求高于0.152mm（0.006英寸）时，可制造性将受到影响。然而，当适当地需要时，应该要求大材料条件以允许制造商在孔径误差和位置误差之间进行平衡以增加可制造性。

当根据其小直径制造通孔时，需要使用简单标记的大材料条件来使用真位置公差，然而，通过较大且可接受的直径制造的通孔通常以较低的精度定位，这仍然确保适合和功能，因此，较大的通孔可以获得足够的位置公差，等于小通孔直径的可接受的增加值。通过在真实位置公差中添加额外公差，可以生成检查公差。

当应用小材料条件时，根据大直径确定公差。“无论特征尺寸如何”是指在没有额外公差的情况下应用标记公差，并且根据可接受的不同制造性来确定特征尺寸公差。

虽然真实位置尺寸和公差都可以应用于任何可以想象的情况，但它们适用于类似于孔，口袋和其他X和Y轴的位置的特征。

b、镀通孔

小孔径由整个材料的厚度决定。通常应用纵横比来表示难度系数，其是材料厚度和孔径之间的比率。例如，当纵横比为5：1且带状线电路板的厚度为3.3mm（0.13英寸）时，表明小孔径为0.66mm（0.026英寸）。

一般而言，约3的纵横比更容易制造，而5更难以制造，10非常困难，有时甚至不能制造。简而言之，具有高纵横比的镀通孔倾向于在薄材料上更容易地制造，而具有高纵横比的钻孔倾向于更难以制造。当钻孔直径小于0.33毫米（0.013英寸）时，破碎的钻头和粗糙度将是一个实际问题。而且，高纵横比的孔难以清洁，活化和金属化。由于溶液的分散性，金属化在孔内不均匀地分布。

可以在金属化和后金属化之前调节孔直径,金属化使孔直径缩小两倍的镀层厚度。金属化后的孔径误差受到钻孔和金属化期间发生的误差的限制。尽管可以实现更严格的公差，但常见的是0.13-0.25mm（0.005-0.01英寸）的公差带。一般而言，随着孔径直径公差的减小，成本和难度水平上升。一个经验规则说：如果纵横比大于4：1，通孔直径应增加到0.10mm（0.04英寸）或更多。

由于电镀电流密度分布，通过金属化的孔径不能准确地预见，局部电流密度的差异导致金属化厚度受孔径，孔密度，环境电路和地面形状的影响。通常，调节金属化之前的孔尺寸和小金属化厚度以增加可制造性。当镀通孔禁止接地或内部互连作为模式时，适合确定小镀通孔。当孔被认为是铅组件时，应考虑孔尺寸的双边公差。

当电镀锡/铅需要熔化或回流时，孔尺寸必须表示为回流焊接之前的尺寸。在回流焊接阶段，每个设计细节，如焊盘尺寸，孔尺寸和材料厚度以及电路厚度，都会影响回流焊接后焊料的流动和尺寸。模块化限制后的镀通孔不能被金属部分或全部封闭。

2、金属化
a、镀层边缘设计

在多层PCB中，镀层边缘是一种可接受的技术，以减少模式抑制镀通孔。电镀边缘设计应包含三到四个6.4毫米（0.25英寸）宽的连接器，负责连接整个电路板上的标签。结果，可以制造许多标签作为整个板形式。镀层边缘必须与顶层或底层的至少1.3mm（0.050英寸）的宽度重叠，以便更强的机械粘合。金属化厚度应至少为0.025mm（0.001英寸）。

b、镀铜

在电镀之前，所有金属表面和暴露的电介质都覆盖有一层涂层而没有电镀或导电性。然后在整个电路板或图形上镀上必要的铜厚度。

一般而言，如果严格要求厚度均匀性，则面板电镀是佳选择。毕竟，图像不会影响电镀分布。此外，当需要厚金属化时，面板电镀能够下沉大量金属，而在图像之间没有形成桥接。相反，当迹线宽度/间距公差要求高严格性时，图像电镀只能被视为佳选择，因为需要被蚀刻掉的铜箔通过具有相同厚度水平的基板材料聚集在一起。

电镀铜的机械性能决定了镀通孔的抗热冲击性和耐热循环性，在焊接组件和环境温度循环的过程中，可能会对镀通孔产生裂缝。铜必须具有足够的延展性以承受高温冲击并抵抗由较低环境温度引起的疲劳失效。当涉及高可靠性时，建议由PCB制造商应用酸性镀铜系统，因为镀铜能够达到至少20％的延展性和至少2.76× 10 8 Pa的拉伸强度。

电镀厚度通常决定镀通孔壁的小厚度，通常调节为0.0025mm（0.001英寸）。记住0.0025毫米（0.001英寸）的孔壁会产生0.004-0.005毫米（0.0015-0.002英寸）的其他表面厚度。如果不采用图像电镀焊接技术，电镀厚度将超过0.05毫米（0.002英寸），引起有关腐蚀精度的问题。

在面板电镀和图像电镀中，孔的类型影响金属分布，独立的孔接收比密集孔更快的焊接，部件上金属的厚度均匀性水平由镀覆区域中覆盖的金属的百分比确定。当孔和图像分布不均匀时，厚度公差会更大。典型的镀铜厚度为±0.013mm（0.005英寸）。一旦公差为±0.005mm（0.0002英寸）或更低，可制造性将降低。

如果调节金属化厚度或终产品的总厚度，则公差应该是电镀公差和铜箔厚度和/或介电公差的总和。铜箔的厚度由每单位面积的铜重量决定。

RA铜箔的厚度公差低于电解铜箔。因此，铜箔厚度会发生一些细微的变化，但仍然可以满足要求。已经发现，在0.5至1盎司铜箔上，厚度变为±0.005mm（0.0002英寸）。

通过抛光和腐蚀后的显微镜分析获得整体金属化厚度。将内部样品放在组件周围，并从面板上切下。内部样品为组件厚度提供了佳指标。如果不使用内部样品，可以将样品添加到侧面区域，或者可以应用组件进行破坏性测试。

3、蚀刻

最终的制造精度是成像和蚀刻偏差的总和，裂纹比成像和蚀刻的线条更难，如果可能的话，有必要将裂缝调节为比高密度电路中的线宽。当线和裂缝宽度低于0.10mm（0.004英寸）时，可制造性将降低。

获得比铜箔厚度小两倍的线是非常困难的，这意味着0.035毫米（0.0014英寸）的线条可以完美地用于0.5盎司[0.017毫米（0.00067英寸）]铜箔，而0.070毫米（0.0028英寸）线条可以完美地用于1盎司[0.035毫米（0.00014英寸）]铜箔。一般来说，好减少所需的铜箔厚度。

由宽间隙分开的窄线比密集细线更容易被蚀刻，当线条改变方向时，锐角比曲线过渡或45°角更难以蚀刻。

总之，优异的基板材料确定，合理和科学的电气特性修改和其他重要方面的安排，必将导致精确的RF /微波PCB设计，在此基础上可以完全期望可靠的终产品。

注释：文章内容来源于公开网络，作者不详，射频学堂转载仅用于学习参考，如有侵权，请联系删除。

责编：Ricardo

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