两层板如何控制50欧特性阻抗

我们都知道,在射频电路的设计过程中,走线保持50欧姆的特性阻抗是一件很重要的事情,尤其是在 WiFi产品的射频电路设计过程中,由于工作频率很高(2.4GHz或者5.8GHz),特性阻抗的控制就显得更加重要了。如果特性阻抗没有很好的控制在50欧姆,那么将会给射频工程师的工作带来很大的麻烦。

什么是特性阻抗?

是指当导体中有电子"讯号"波形之传播时,其电压对电流的比值称为"阻抗Impedance"。由于交流电路中或在高频情况下,原已混杂有其它因素(如容抗、感抗等)的"Resistance",已不再只是简单直流电的"欧姆电阻"(OhmicResistance),故在电路中不宜再称为"电阻",而应改称为"阻抗"。不过到了真正用到"Impedance阻抗"的交流电情况时,免不了会造成混淆,为了有所区别起见,只好将电子讯号者称为"特性阻抗"。电路板线路中的讯号传播时,影响其"特性阻抗"的因素有线路的截面积,线路与接地层之间绝绿材质的厚度,以及其介质常数等三项。目前已有许多高频高传输速度的板子,已要求"特性阻抗"须控制在某一范围之内,则板子在制造过程中,必须认真考虑上述三项重要的参数以及其它配合的条件。

两层板如何有效的控制特性阻抗?

在四层板或者六层板的时候,我们一般会在顶层(top)走射频的线,然后再第二层会是完整的地平面,这样顶层和第二层的之间的电介质是很薄的,顶层的线不用很宽就可以满足50欧姆的特性阻抗(在其他情况相同的情况下,走线越宽,特性阻抗越小)。

但是,在两层板的情况下,就不一样了。两层板时,为了保证电路板的强度,我们不可能用很薄的电路板去做,这时,顶层和底层(参考面)之间的间距就会很大,如果还是用原来的办法控制50欧姆的特性阻抗,那么顶层的走线必须很宽。例如我们假设板子的厚度是39.6mil(1mm),按照常规的做法,在Polar中设计,如下图

运行Polar

线宽70mil,这是一个近乎荒谬的结论,简直令人抓狂。在2.4GHz或者5GHz频段,各种元件的引脚都是很小的,70mil的走线是无法实现的,于是,我们必须寻找另外一种解决方案。

运行Polar软件,选择Surface Coplanar Line这个模型,如下图

选择Surface Coplanar Line这个模型

令Height(H)=39.6mil, Track(W)=30mil, Track(W1)=30mil, Ground Plane处打勾,Thickness=1OZ=1.4mil, Separation(S)=7mil, Dielectric(Er)=4.2, 如下图

设置参数

然后点击“Press To Caculate”,在弹出的对话框中点击“Continue”,如下图

在弹出的对话框中点击“Continue”

最终,我们计算出这种情况下的传输线特性阻抗为52.14欧姆,符合要求,如下图:

我们计算出这种情况下的传输线特性阻抗为52.14欧姆

这样,我们采用Surface Coplanar Line这种模型,就可以很好的控制两层板(双面板)的特性阻抗,在上面的例子中,我们使用30mil的线宽就可以获得50欧姆的特性阻抗。