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——深圳 XXXX 股份有限公司·AllenCan

微波电路及其 PCB 设计

一．关于 CAD 辅助设计软件与网络分析仪

对于高频电路设计，当前已经有了很好的 CAD 类软件，其强大的功能足以克服人们在设计经验方面的不足及

繁琐的参数检索与计算，再配合功能强大的网络分析仪，按理应该是稍具经验者便能完成质量较好的射频部件。

但是，实际中却不是这回事。

CAD 设计软件依靠的是强大的库函数，包含了世界上绝大部分无线电器件生产商提供的元器件参数与基本性

能指标。不少射频工程师错误地认为：只要利用该工具软件进行设计，就不会有多大问题。但实际结果却总是与

愿望相反，原因是他们在错误认识下放弃高频电路设计基本概念的灵活应用及基本设计原则的应用经验积累，结

（2）CAD 软件中建立的常规高频基本组态模型，通常限于目前应用条件下可预知的方面，而且只能局限于

基本功能模型（否则产品研发无须用人，仅靠 CAD 一手包办而诞生各类产品）。

（3）特别值得注意的是：典型功能模型的建立，是以典型方式应用元器件并以典型完善的工艺方式构造（包

括 PCB 构造）下完成的，其性能也达到“典型”的较高水平。但在实际中，就是完全模仿，也与模型状态相差甚

远。原因是：尽管选用的元器件及其参数一致，但它们的组合电环境却无法一致。在低频电路或数字电路中，这

种相差毫厘的情况妨碍不大，但在射频电路中，往往发生致命的错误。

（4）在利用 CAD 软件进行设计中，软件的容错设计并不理睬是否发生与实际情况相违背的错误参数设置，

于是，按照其软件运行路径给出一理想的结果，实际中却是问题百出的结果。可以知道其关键错误环节在于没有

利用射频电路设计的基本原则去正确应用 CAD 软件。

（5）CAD 软件仅仅属于设计辅助工具，利用其具备的实时模拟功能、强大的元器件模型库及其函数生成功

琐的过程设计（非基本原则设计）。

网络分析仪分为标量和矢量两种，是射频电路设计必不可少的仪器。通常的做法是：结合基本的射频电路设

２

计理念和原则完成电路及 PCB 设计（或利用 CAD 软件完成），按要求完成 PCB 的样品加工并装配样机，然后利用

网络分析仪对各个环节的设计逐个进行网路分析，才有可能使电路达到最佳状态。但如此工作的代价是以至少

3~5 版的 PCB 实际制作，而若没有基本的 PCB 设计原则与基础理念，所需要的 PCB 版本将更多（或者无法完成设

计）。

由上述可见：

（1）在利用网络分析仪对射频电路进行分析过程中，必须具有完备的高频电路 PCB 设计理念和原则，必须

能通过分析结果而明确知道 PCB 的设计缺陷棗仅此一项就要求相关工程师具备相当的经验。

择微波级高频电路之 PCB 设计原则，是因为该方面原则具有广泛的指导意义且属当前的高科技热门应用技术。从

微波电路 PCB 设计理念过渡到高速无线网络（包括各类接入网）工程，也是一脉相通的，因为它们基于同一基本

原理棗双传输线理论。

有经验的射频工程师设计的数字电路或相对较低频率电路 PCB，一次成功率是非常高的，因为他们的设计理

念是以“分布”参数为核心，而分布参数概念在较低频率电路（包括数字电路中）中的破坏作用，常为人们所忽

略。

长期以来，许多同行完成的电子产品（主要针对通讯产品）设计，往往问题重重。一方面固然与电原理设计

（包括冗余设计、可靠性设计等方面）的必要环节缺乏有关，但更重要的，是许多这类问题在人们认为已经考虑

了各项必要环节下而发生的。针对这些问题，他们往往将精力花在对程序、电原理、参数冗余等方面的核查上，

却极少将精力花在对 PCB 设计的审核方面，而往往正是由于 PCB 设计缺陷，导致大量的产品性能问题。

功能。一个普通的数字应用电路而高附加地配置各类“确保正常”的环节，显然属于没有产品概念的举措。但往

往在认为“不值得”的环节，却导致产品的系列问题。原因是这类在产品工程角度看不值得构造可靠性保证的功

能环节，应该建立在数字电路本身的工作机理上，只是在电路设计（包括 PCB 设计）中的错误构造，导致电路处

３

于一种不稳定状态。这种不稳定状态的导致，与高频电路的类似问题属于同一概念下的基本应用。

在数字电路中，有三个方面值得认真对待：

（1）数字信号本身属于广谱信号。根据傅里叶函数结果，其包含的高频成份非常丰富，所以数字 IC 在设计

中，均充分考虑了数字信号的高频分量。但除了数字 IC 外，各功能环节内部及之间的信号过渡区域，若任意而

为，将会导致系列问题。尤其在数字与模拟和高频电路混合应用的电路场合。

（2）数字电路应用中的各类可靠性设计，与电路在实际应用中的可靠性要求及产品工程要求相关，不能将

采用常规设计完全能达到要求的电路附加各类高成本的“保障”部分。

及其 PCB 布线原则指导意义综述

之间，又形成耦合微带线，由此又形成各类复杂的四端口网络，从而构成微波级电路 PCB 的各种特性规律。

可见，微带传输线理论，是微波级高频电路 PCB 的设计基础。

■ 对于 800MHz 以上的 RF-PCB 设计，天线附近的 PCB 网路设计，应完全遵循微带理论基础（而不是仅仅将

微带概念用于改善集中参数器件性能的工具）。频率越高，微带理论的指导意义便越显著。

■ 对于电路的集中参数与分布参数，虽然工作频率越低，分布参数的作用特性越弱，但分布参数却始终是

存在的。是否考虑分布参数对电路特性的影响，并没有明确的分界线。所以，微带概念的建立，对于数字电路与

相对中频电路 PCB 设计，同样是重要的。

■ 微带理论的基础与概念和微波级 RF 电路及 PCB 设计概念，实际上是微波双传输线理论的一个应用方面，

对于 RF-PCB 布线，每相邻信号线（包括异面相邻）间均形成遵循双线基础原理的特征（对此，后续将有明确的

阐述）。

４

是数字电路及低频电路），其实是一种错觉。双线理论可以指导一切电子电路设计中的概念问题，特别是 PCB

线路设计概念方面的意义更为突出。

虽然双线理论是在微波高频电路前提下建立的，但这仅仅因为高频电路中分布参数的影响变得显著，使得指

导意义特别突出。在数字或中低频电路中，分布参数与集中参数元器件相比，达到可以忽略的地步，双线理论概

念变得相应模糊。

然而，如何分清高频与低频电路，在设计实际中却是经常容易忽略的方面。通常的数字逻辑或脉冲电路属于

哪一类？最明显的具非线性元器件之低频电路及中低频电路，一旦某些敏感条件改变，很容易体现出某些高频特

征。高档 CPU 的主频已经到 1.7GHz，远超过微波频率下限，但仍然属于数字电路。正因为这些不确定性，使的

PCB 设计异常重要。

总之，可以认为双传输线理论是在综合所有电子电路特征基础上诞生的。因此，从严格意义上说，如果设计

1·微波双线的 PCB 形式

微带线是由微波双线在特定条件下的具体应用。图 1-a. 即为微波双线及其场分布示意图。在微波级工作频

率的 PCB 基板上，可以构成常规的异面平行双线（图 1-b.所示）或变异的异面平行双线（图 1-c.所示）。当其

中一条状线与另一条状线相比可等效为无穷大时，便构成典型的微带线（如图 1-d.所示）。从双传输线到微带，

仅边缘特性改变，定性特征基本一致。

注：在许多微波专业论述中，均仅仅描述由常规均匀圆柱形导体构成的双传输线，对 PCB 电路的双线描述则

以矩形条状线为常规双传输线。

５

2·微带线的双线特征

图 2-a.为常规微波双线的场分布示意图。图 2-b.为 PCB 条状线场分布示意图。图 2-c.为带有有限接地板的

微波双线场分布示意（注：图中双线之一和接地板连通）。图 2-d 为具有相对无穷大接地板之双线场分布示意（注：

图中双线之一和接地板连通）。

图 3-a.为典型偶模激励耦合微带线场分布示意。图 3-b. 为典型奇模激励耦合微带线场分布示意。

从图 1、图 2、图 3 所示场分布状态看，双线与微带线（包括耦合微带线）特性仅仅为边缘特性的不同。

（一）分布参数概念与双传输线

对于集中参数电路，随着工作频率的提高，电路中的电感量和电容量都将相应减少，如图 4 所示的振荡回路。