看看任何受人尊敬的開發板，高頻模擬板，雷達板或其他RF系統，您都會看到直接嵌入到PCB布局中的獨特波導結構。在用于高頻布局和布線的各種RF波導結構中，共面波導設計可能是最常見的。這樣做有一些特殊原因，其中許多原因是由于其易于放置在PCB表面層上。

共面波導設計易于在RF PCB布局中進行布線，并且通常用于受控阻抗布線。這對于RF應用非常重要，因為RF應用通常需要將信號路由到放大器，混頻器，天線或其他RF組件。在本簡要指南中，我編譯了在PCB布局中設計受控阻抗時所需的重要共面波導方程。

共面波導設計入門

所有共面波導都有兩種類型：標準共面波導和接地共面波導。標準共面波導可以放置在接地平面上方，也可以不接地放置（即，在沒有內部接地的PCB的2層頂部）。盡管您都可以創建在內部層中運行的變體，但兩者都是為在表面層上布線而設計的。

與標準微帶或帶狀線設計相比，使用共面波導設計具有一些優勢：

l高隔離度。這可能是使用共面波導設計的最常見原因。盡管波導在表面層上布線，但由于周圍的接地層，它將具有一定的橫向隔離。這與使用倒灌液填充低速走線布線的表面層的原因相同：它提供了額外的EMI屏蔽并終止了走線產生的磁場線。

l損耗比帶狀線低。帶狀線和一些其他波導（例如，集成了襯底的波導）將磁場完全限制在襯底上，因此，波完全看到了有損的PCB襯底。在共面波導中，許多場線穿過電介質上方的區域，因此它們不會遭受那么多的損耗。

l可調帶寬。可以通過調整幾何形狀來調整結構的帶寬。在?5 GHz處使用的共面波導可能會很大，但是帶寬可以限制在單模傳播所需的頻率范圍內。

l單模傳播。帶寬是可調的，這意味著我們可以將帶寬限制為僅單模（在柵形波導中通常為TE模式）所需的值。

l與現有的PCB制造工藝兼容。這些結構不需要特殊的制造過程即可生產。當前的制造工藝可用于制造載波頻率高達?100 GHz或更高的共面波導設計。

作為共面波導設計的一部分，需要計算兩個主要量：阻抗和有效介電常數（這與微帶走線的含義基本相同）。用于這些計算的主要數學工具是第一類橢圓積分，這是由于使用保形映射來導出這些結構中的波阻抗而產生的。讓我們更仔細地查看每種類型的結構，以了解如何執行這些計算。

標準共面波導

這里需要涉及橢圓積分的一整套方程。有興趣的讀者應該閱讀Brian C. Waddel的《傳輸線設計手冊》，第73-74頁，而不是在此處重復列出等式。這一出色的資源為各種射頻結構提供了封閉形式的設計方程式，任何射頻設計人員均應閱讀。

地面共面波導

這種結構是從微帶到真正的共面波導的過渡。在大約等于b的基板高度h的極限下，我們現在具有大約微帶行為。否則，我們可以以合理的精度使用上述共面波導方程。

在這里，盡管場線現在可以終止于下層地面，但場線被限制在表層的中心導體和附近的地面之間。有效介電常數大約與波導的幾何形狀無關，并且大約是空氣和基底介電常數的平均值。對于阻抗，我們需要使用如下所示的橢圓積分K（k）。

在此等式中，a是中央走線的寬度，b是接地平面邊緣之間的距離。在線上有很多計算器，還有一些開源工具可以為您處理上述計算。

接地共面波導方程

在這里，我們有一個簡單的結構，該結構添加了用于模式選擇的通孔和更大程度的輻射抑制（即更高的隔離度）。此結構可在PCB上用作微帶線的替代品。條帶與地面之間的間隙必須小于信號的載波頻率，但必須大于基板的厚度，因此，磁場包含在條帶與下部接地平面之間。最后，當通孔間隙小于信號載波波長的一半時，可以確保TEM傳播。

到目前為止，我還沒有看到接地共面波導設計阻抗的閉合形式方程。您會在網上找到的計算器使用的曲線擬合結果僅在特定參數范圍內有效。超出此范圍，這些曲線擬合近似將失敗。使用矩量法的場求解器將為阻抗，傳播常數和有效介電常數提供高精度解決方案。

帶有波導的更高級的射頻設計

還有其他波導幾何形狀可用于高頻路由。由于附近的接地屏蔽，這些波導可以提供TE模式傳播并可以提供隔離。這些其他波導布線樣式可以在我們博客的另一篇文章中找到。這些其他布線方式也可以采用標準工藝制造，使其易于包含在您的下一個RF PCB中。

就像共面波導設計一樣，這些其他布線樣式也不提供TEM模式傳播。它們還具有高隔離度，可調帶寬和單模傳播的相同優勢。此外，通過選擇合適的端接，可以在結構中形成直立模式，這對于耦合到PCB上的天線或其他無源RF組件很有用。如果您可以訪問Mathematica之類的程序，則可以高精度計算上面列出的橢圓積分，并確定共面波導設計的電磁性能。更復雜的結構可能需要場求解器才能準確描述設備中的波傳播。

當前，最先進的高速和高頻路由標準涉及寬帶設計，其中在整個信號帶寬中都考慮了網絡參數和系統中的色散。要了解有關RF設計這一重要領域的更多信息，請看我最近在2020 IEEE EPEPS會議上發表的技術演講之一。通過查看波導中的波阻抗，可以在整個信號帶寬內設計具有所需阻抗的結構。即將到來的高速數字標準（例如USB 4.0）正在采用這種方法進行互連設計，RF設計人員也可以這樣做，以消除其波導設計中的信號失真。