PCB部落格 - 高頻電路和PCB板的概念和設計原理

對於高頻電路PCB板設計， 已經有了很好的CAD軟件, 其强大的功能足以克服人們缺乏設計經驗和繁瑣的參數檢索和計算. 經驗不足的人應該能够以更好的質量完成射頻組件. 但實際上, 事實並非如此.

1.關於CAD輔助設計軟件和網絡分析儀

對於高頻電路設計，已經有了非常好的CAD軟件。 它强大的功能足以克服人們缺乏設計經驗和繁瑣的參數檢索和計算。 結合功能强大的網絡分析儀，應該是那些有一點經驗的人可以完成更高質量的射頻組件。 然而，實際上並非如此。 CAD設計軟體依賴於强大的庫功能，包括世界上大多數無線電設備製造商提供的組件參數和基本性能指標。 許多射頻工程師錯誤地認為，只要該工具用於設計，就不會有問題。 然而，實際結果總是與願望相反。 原因是他們放弃了靈活應用高頻電路設計的基本概念和在錯誤理解下應用基本設計原則積累的經驗。 囙此，他們在應用軟體工具時經常會犯一些基本的應用錯誤。 射頻電路設計CAD軟件是一個透明的視覺化軟件，它使用其各種高頻基本配置模型庫來完成對實際電路工作狀態的類比。 到目前為止，我們已經瞭解了關鍵環節，有兩種高頻基本配置模型，一種是集中參數形式的組件模型，另一種是常規設計中的局部功能模型。 囙此，存在以下問題：

1）構件模型和CAD軟件已經相互作用和發展了很長一段時間，並且越來越完善。 在實踐中，模型的真實性基本上是可信的。 然而，組件模型所考慮的應用環境（尤其是組件應用程序的電力環境）都是典型值。 在大多數情况下，必須根據經驗確定一系列應用參數，否則，在沒有CAD軟件幫助的情况下，實際結果有時甚至比設計結果更遠。

2）在CAD軟件中建立的傳統高頻基本配置模型通常局限於當前應用條件下的可預測方面，只能局限於基本功能模型（否則，產品開發不需要雇傭人員，所有種類的產品都是依靠CAD單獨生成的。產品）。

3）特別值得一提的是，典型功能模型的建立是通過典型地應用組件和使用典型而完善的工藝結構（包括PCB板結構）來完成的，其效能也達到了“典型”的高水准。 但在實踐中，它是一種完全的模仿，與模型狀態相去甚遠。 原因是：雖然所選組件及其參數相同，但其組合電力環境不能相同。 在低頻電路或數位電路中，這種幾釐米的差异並不是很大的障礙，但在射頻電路中，經常會發生致命錯誤。

4）在CAD軟件的設計中，軟件的容錯設計不注意是否發生了與實際情況相反的錯誤參數設置。 囙此，根據軟件的運行路徑給出了一個理想的結果，但在實踐中卻充滿了問題。 後果 可以知道，關鍵的錯誤環節是沒有使用射頻電路設計的基本原理來正確應用CAD軟件。

5）CAD軟件只是一個設計輔助工具。 它利用其實时模擬功能、强大的組件模型庫及其函數生成功能、典型應用模型庫等簡化了人們繁瑣的設計和計算工作。 到目前為止，它還遠遠不能在具體設計中取代人工智慧。 CAD軟件在射頻PCB板輔助設計中的强大功能是該軟件普及的一個重要方面。 但在實踐中，許多射頻工程師常常被他們“理解”。 原因仍然是參數設置的容錯特性。 它通常用於通過使用其類比功能獲得理想模型（包括每個功能連結），但只有在找到實際調試之後：最好使用自己的經驗進行設計。 囙此，在PCB設計中，CAD軟件仍然只對具有基本射頻設計經驗和技能的工程師有益，幫助他們進行繁瑣的工藝設計（非基本原理設計）。 有兩種類型的網絡分析儀，標量和向量，它們是射頻電路設計的基本工具。 通常的做法是根據射頻電路設計的基本概念和原理完成電路和PCB板的設計（或使用CAD軟件），完成PCB板的樣品加工並根據需要組裝原型，然後使用網絡分析儀設計每個環節。 網絡分析是一個接一個地進行的，可以使電路達到狀態。 但這項工作的成本是實際生產至少3~5個PCB版本，如果沒有基本的PCB設計原則和基本概念，所需的PCB版本會更多（否則設計無法完成）。 在使用網絡分析儀分析RF電路的過程中，需要有一個完整的高頻電路PCB板設計概念和原理，並且必須能够通過分析結果清楚地瞭解PCB板的設計缺陷。 只有這一項要求相關工程師具有豐富的經驗。 在分析原型的網絡連結的過程中，需要依靠熟練的實驗經驗和技能來構建本地功能網絡。 因為在許多情况下，網絡分析儀發現的電路缺陷同時會有許多因素，所以有必要使用本地功能網絡的構建來分析和徹底調查原因。 這種實驗電路的構造必須依賴於清晰的高頻電路設計經驗和熟練的電路PCB板構造原理。

2.本條的範圍

本文主要針對微波級的概念和設計原則 高頻電路 及其 PCB板 設計, 通信產品的前沿類別. 之所以選擇微波級高頻電路的PCB設計原則，是因為該原則具有廣泛的指導意義，屬於當前高科技流行的應用科技. 微波電路的轉換 PCB板 設計概念到 這個  高速無線網路（包括各種接入網路）項目也是如此， 因為它們基於相同的基本原則, 雙傳輸線理論. 由經驗豐富的射頻工程師設計的數位電路或相對低頻電路 印刷電路板 的成功率非常高, 因為他們的設計理念以 “ 分佈式”參數為中心,  而分佈參數的概念被用於低頻電路（包括數位電路中的破壞效應）常常被人們忽視。 很長一段時間,  許多同行完成的電子產品（主要用於通信產品）的設計常常充滿問題。 一方面,  這與電力原理設計（包括冗餘設計， 可靠性設計, 等.), 但更重要的是, 當人們認為已經考慮了所有必要的聯系時，就會出現許多這樣的問題. 為了應對這些問題, 他們經常把精力花在檢查程式上, 電力原理, 參數冗餘, 等., 但很少花精力複習  印刷電路板 板  設計 這通常是由於  印刷電路板 板 設計缺陷. 導致許多產品效能問題.  印刷電路板 板 設計原則涉及許多方面, 包括基本原則, 抗干擾, 電磁相容性, 安全防護, 等等. 對於這些方面, 特別是在 高頻電路  （尤其是微波級 高頻電路),  缺乏相關概念往往導致整個研發項目的失敗。 許多人仍然停留在 “ 將電力原理與導體連接起來以發揮預定作用”的基礎上, 甚至認為 “印刷電路板 板 設計屬於結構考慮, 科技和提高生產效率”. 許多射頻工程師也沒有充分認識到，在射頻設計中，這一環節應該是整個設計工作的重點, 他們錯誤地將精力花在選擇高性能組件上, 導致成本顯著增加，效能幾乎沒有改善. 這裡應該特別指出的是，數位電路依賴於其强大的抗干擾能力, 錯誤檢測和糾正, 並 可任意構造各智慧連結，保證電路的正常功能. 具有各種 “ 保證正常”連結的高附加配寘的普通數位應用電路顯然是一種沒有產品概念的措施. 然而, 它常常導致連結中出現一系列產品問題，被認為 “ 不值得”. 原因是，從產品工程的角度來看，這種不值得結構可靠性保證的功能環節應該基於數位電路本身的工作機制,  但電路設計中的錯誤結構（包括PCB 板  設計）導致電路處於故障狀態。 不穩定狀態. 這種不穩定狀態的原因是在與類似問題相同的概念下的基本應用 高頻電路.

在數位電路中，有三個方面需要認真對待：

1）數位信號本身屬於寬帶訊號。 根據傅立葉函數的結果，它包含了非常豐富的高頻成分，囙此在數位積體電路的設計中充分考慮了數位信號的高頻成分。 然而，除了數位IC之外，每個功能連結內和之間的訊號過渡區（如果任意）也會導致一系列問題。 特別是在數位、類比和高頻電路混合的電路場合。

2）數位電路應用中的各種類型的可靠性設計與實際應用中電路的可靠性要求和產品工程要求有關，不能在傳統設計滿足要求的電路中添加各種高成本“保證”部件。

3）數位電路的工作速度正朝著高頻方向發展，這是前所未有的（例如，當前的CPU主頻已達到1.7千兆赫，遠遠超過微波頻帶的下限）。 雖然同時支持相關設備的可靠性保證功能，但它們基於設備的內部和典型外部訊號特性。

3.概述雙傳輸線理論對微波電路設計的指導意義和PCB板佈線原理

二線理論下的PCB板概念

對於微波級 高頻電路, 上的每個對應條帶線  印刷電路板 板  與接地板形成微帶線（不對稱）。 對於  印刷電路板 板兩層以上, 可以形成微帶線和帶.  線（對稱微帶傳輸線）。 不同的微帶線（雙面PCB 板 s）或帶狀線（多層PCB 板 s）形成耦合微帶線， 從而形成各種複雜的四埠網絡, 從而形成微波電平電路 印刷電路板 板的各種特性. 由此可見，微帶傳輸線理論是微波級高頻電路的設計基礎  印刷電路板 板. 對於 射頻脈衝斷路器 板  800兆赫 以上設計,  印刷電路板 板  天線附近的網路設計應完全遵循微帶理論基礎（而不僅僅是將微帶概念作為提高集總參數器件效能的工具）。 頻率越高, 微帶理論的指導意義變得更加重要. 電路的集中參數和分佈參數, 雖然工作頻率較低, 分佈參數的影響越弱, 但分佈參數總是存在的. 是否考慮配電參數對電路特性的影響沒有明確的界限. 因此, 微帶概念的建立對於數位電路和相關中頻電路 印刷電路板 的設計同樣重要. 微帶理論的基礎和概念以及微波級射頻電路的設計概念和  印刷電路板 板 s 實際上是微波雙傳輸線理論的應用. 對於 射頻脈衝斷路器 板 裝電線,  每個相鄰訊號線（包括相鄰訊號線）都形成遵循雙線的基本原理的特性（這將在後面清楚解釋）。 雖然普通微波射頻電路的一側裝有接地層, 囙此，微波訊號傳輸線往往是一個複雜的四埠網絡, 從而直接遵循耦合微帶理論, 但它的基礎仍然是雙線理論. 因此, 在設計實踐中, 雙線理論的指導意義更為廣泛. 一般來說, 用於微波電路, 微帶理論具有定量指導意義, 屬於雙線理論的具體應用, 而雙線理論具有 更廣泛的定性指導意義. 值得一提的是，雙線理論給出的所有概念, 在表面上,  一些概念似乎與實際的設計工作（特別是數位電路和低頻電路）無關， 這實際上是一種錯覺. 雙線理論可以指導電子電路設計中的所有概念問題, 尤其是 印刷電路板 電路設計概念的意義更加突出. 雖然雙線理論是建立在微波的前提下的 高頻電路, 這只是因為分佈參數的影響 高頻電路 變得重要, 這使得指導意義尤為突出. 在數位或低頻電路中, 與集中參數組件相比，分佈參數可以忽略不計, 二線理論的概念也相應變得模糊. 然而, 在設計實踐中，如何區分高頻和低頻 電路往往被忽視. 典型的數位邏輯或脈衝電路屬於哪一類? 顯然，低頻電路和具有非線性元件的低頻電路, 一旦一些敏感條件發生變化, 很容易反映出一些高頻特徵.  中央處理器 主頻已達到 1.7GHz， 遠遠超過微波頻率的下限, 但它仍然是一個數位電路. 由於這些不確定性, 的設計  印刷電路板 板 是極其重要的. 在許多情况下, 電路中的無源元件可以等效於特定規格的傳輸線或微帶線, 可以用雙傳輸線理論及其相關參數來描述. 簡言之, 可以認為，雙傳輸線理論是在綜合電子電路所有特性的基礎上誕生的. 因此, 在嚴格意義上, 如果設計實踐中的每個環節都首先基於雙輸電線理論中所體現的概念,   然後是相應的  印刷電路板 板  電路將面臨很少的問題（無論電路處於何種工作狀態）。