微波应用中的PCB寄生模抑制

一般而言，不管如何优化设计， PCB中都会存在一定程度的寄生模。寄生模除了支持预期信号外，对噪声信号的支持将对预期信号产生干扰和衰减。这对PCB及其应用都造成了极大破坏。减轻寄生模的主要方法是系列的优化设计。实际上， 随着工作频率的升高，尤其是毫米波波段时，PCB材料的选型将对寄生模抑制产生显著影响。了解寄生模的产生将有助于合理抑制寄生模。

在射频、微波和毫米波波段， PCB上集成制造了大量的传输线。带状线和微带线是两种最常见的高频传输线。不同的传输线结构所支持的电磁波传输主模是不同的。带状线的主模是TEM模式而微带线的主模是准TEM模式。从结构上看，两者是不同的。带状线的金属导线置于电介质之间。而微带线结构中，电介质材料的顶部是金属导线，底部是参考平面。和带状线结构类似，同轴电缆的主模是TEM模式，其传导线也被电介质材料包围。

寄生波可以是高频PCB中传播的表面波，也可以是PCB元器件中因谐振效应产生的。微带线结构能够提供给用来减小寄生模的设计自由度并不多。但从PCB物理结构的角度，更薄的微带PCB结构能够减轻高频电路中的寄生模现象。这也是轻薄电路材料更适用于高频波段的一个原因。

当然，许多微带线结构的PCB都需要设计相应的过渡接口以匹配同轴电缆。该过渡接口实现同轴电缆中TEM模式到微带线中准TEM模式的转换。微带线结构的PCB电路并不意味着除了主模之外不能传输其他模式。寄生信号就是以主模之外的模式传输的。寄生信号的存在会进一步干扰微带传输线和电路中的准TEM主模信号。

传输到微带PCB中的信号传输质量会影响寄生模的抑制效果。当信号从同轴接头传输到微带线时，不仅传输模式从TEM模式转换为准TEM模式，极化方式也从中心极化转换为平面极化。同轴线-接头-微带线物理结构的尺寸不一致性将使电路产生不可避免的杂散电抗。小幅的阻抗失配会导致接口处信号的反射和辐射。此外，接口处传输路径和地回流路径的差异也会导致电磁波的偏移并对预期传输路径产生附加干扰。这将导致额外寄生模式的产生。

接地共面波导（GCPW），又称金属底板共面波导(CBCPW)，可以实现信号到微带线的平滑过渡。过渡产生的寄生信号及其微小。当对抑制寄生信号的要求严格时，比如毫米波波段，可以使用GCPW或CBCPW取代PCB上的微带传输线结构。用共面波导可以为抑制寄生模提供更多电路设计上的办法，但代价是增加了设计复杂度。

在高频毫米波波段，GCPW电路通常取代微带线结构以更好抑制寄生模。在设计时合理的搭配使用这些电路有助于抑制会激励起寄生信号的谐振。此外，GCPW中的接地通孔能抑制谐振模式在信号平面和接地平面之间的传播。接地通孔的间距和工作波长有关，通常取为工作波长的1/8或者小于电路中最高工作频率对应的波长。

对于微带线PCB和高频PCB，电路和传输线中的谐振会导致额外的寄生信号。传输线导体和PCB接地面之间可以产生谐振。信号线导体两边之间也能产生谐振。这都为寄生信号的传输铺平了道路。对于电路和传输线，特别是高频微带线电路，谐振会激励额外的电磁信号。

谐振的产生是基于传输线导体的尺寸和电路工作信号的波长。举例来说，如果微带线导体的宽度是工作波长的1/2或1/4，谐振将会发生。由谐振激励的电磁波将干扰准TEM模在微带电路中的传播。和GCPW电路中设计接地通孔间距一样，一种有效的设计方法是确保传输线和电路的尺寸不超过工作波长的1/8。该方法可以抑制元器件谐振产生的伴随寄生模式。

PCB材料及其特性的选择和寄生模式的抑制到底存在什么关系？尽管PCB材料的介电常数Dk对寄生模式的抑制有影响，但随着工作频率的上升，特别是毫米波波段，寄生模式的抑制将变得更难且不再高度依赖于PCB材料的选型。若使用高Dk的PCB材料，在给定的工作频率下，意味着更小的工作波长。这在考虑到要将传输线和电路的尺寸都控制在1/8工作波长之内时，就意味着目标尺寸的变小，所以这将反过来影响微带传输线的尺寸设计。

在高频波段尽管PCB板材的厚度是一个因素，特别是毫米波波段，导线的宽度，正如前文所述在高频短波长时，更成为设计中重要的关注点。对于高频和毫米波波段，更薄的电路层压板有助于抑制寄生模，也有助于降低辐射损耗。但相比于厚层压板，薄PCB层压板的代价是电路的损耗趋于增加。幸运的是，先进电路材料的进步，例如世强代理的罗杰斯公司的具有低插入损耗的RO4000 LoPro电路层压板，为更好抑制高频寄生模而不增加电路总损耗提供了可能。