CN103547064B - 一种射频微波电路板中传输线到器件的匹配连接方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于射频微波印刷电路板版图设计领域，提供了一种射频微波电路板上采用宽度渐变传输线与匹配传输线及器件管脚的匹配连接设计方法。所述射频微波电路板上设置有多个器件来进行信号处理，所述器件的管脚焊盘之间通过宽度渐变传输线与匹配传输线进行连接，所述方法包括：匹配传输线及器件的管脚焊盘之间通过宽度渐变传输线连接，宽度渐变传输线两端的线宽分别与匹配传输线和器件管脚焊盘相等；在宽度渐变传输线两侧铺设接地铜皮，根据预定计算方法调整接地铜皮与宽度渐变传输线的距离，使宽度渐变传输线部分的阻抗与匹配传输线阻抗相等，实现阻抗匹配。

Description

一种射频微波电路板中传输线到器件的匹配连接方法

技术领域

本发明属于射频微波印刷电路板版图设计技术领域，尤其涉及的是一种射频微波印刷电路板传输线与器件管脚连接设计方法。

背景技术

在射频微波电路中，信号通路上一般需要连接多个器件对信号进行处理，这些器件之间通过传输线进行连接，传输线匹配宽度固定，而器件管脚焊盘宽度则多有不同，因此从传输线到器件连接时，会使传输线的宽度发生改变，由此导致阻抗不匹配的情况出现。

随着微波平面电路向小型化、集成化方向的发展，电子器件封装也越来越小，如QFN封装等，器件管脚可小至8mi1宽度，而在射频微波印刷电路板中，因阻抗控制和加工精度等原因，匹配传输线的宽度一般较宽，在40mi1左右，当匹配传输线与器件管脚宽度相差越大时，从传输线到器件连接时，阻抗不匹配的情况就更加严重，造成信号功率损失，功率随频率起伏变化，影响信号质量，器件越多，影响也越大。因此，改善器件管脚连接匹配是十分必要的。另一方面，印刷电路板上的信号频率也不断提高，一些微波板材信号频率可达20GHz，频率越高，电路的分布参数效应也越明显，在器件接头处由于线宽变化带来的失配影响也就越大，也就要求最大限度地减小失配。

目前，现有技术只是简单的将匹配传输线和器件管脚直接相连，忽略了由此带来的阻抗失配，需要改进。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种射频微波电路板中传输线到器件的匹配连接方法。

本发明的技术方案如下：

一种射频微波电路板中传输线到器件的匹配连接方法，在射频微波电路板上设置若干器件及若干匹配传输线，其中，还包括以下步骤：

步骤一：在所述匹配传输线与所述器件的管脚焊盘之间设置通过宽度渐变传输线进行连接，所述宽度渐变传输线与所述匹配传输线连接的一端的宽度与所述匹配传输线的宽度相等；所述宽度渐变传输线与所述器件的管脚焊盘连接的一端的宽度与所述器件的管脚焊盘的宽度相等；

步骤二：在所述宽度渐变传输线的两侧铺设有多边形的接地铜皮，根据预设的计算方法设置所述接地铜皮与所述宽度渐变传输线之间的距离。

所述的匹配连接方法，其中，所述宽度渐变传输线的长度大于所述匹配传输线与所述器件的管脚焊盘之间的宽度差。

所述的匹配连接方法，其中，所述步骤二中的预设的计算方法，包括如下步骤：

步骤201：设置器件的管脚的宽度为W1，设置匹配传输线的宽度为W2，设置宽度渐变传输线与器件的管脚连接处与接地铜皮最窄一侧的距离为S1，设置宽度渐变传输线与传输线连接处与接地铜皮最宽一侧的距离为S2，设置宽度渐变传输线的阻抗为Z₀，其计算公式一如下：

$Z_0=\frac{60*\mathrm{\π}}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{eff}}}}\frac{1}{\mathrm{ROE}\left(k_1\right)-\mathrm{ROE}\left(k_2\right)}$

其中，ε_eff为印制板介质的有效介电常数；k₁、k₂为模数，ROE(K₁)、ROE(K₂)为k1、k2的椭圆积分函数近似表达式

步骤202：公式一中k₁、k₂、ROE(K₁)、ROE(K₂)计算方法如下：

$k_1=w/(w+2s),k_2=\frac{\tanh \left\{\frac{\mathrm{\πw}}{4h}\right\}}{\tanh \left[\frac{\mathrm{\π}(w+2s)}{4h}\right]}$

$\mathrm{ROE}\left(k_1\right)=\left\{\begin{array}{cc}\frac{\mathrm{\π}}{\ln \left\{2\frac{1+\sqrt{{k_1}^{\′}}}{1-\sqrt{{k_1}^{\′}}}\right\}}& 0\≤{k_2}^2\≤0.5\\ \frac{1}{\mathrm{\π}}\ln \left\{2\frac{1+\sqrt{k_1}}{1-\sqrt{k}1}\right\}& 0.5\≤{k_1}^2\≤1\end{array}\right.$

$\mathrm{ROE}\left(k_2\right)=\left\{\begin{array}{cc}\frac{\mathrm{\π}}{\ln \left\{2\frac{1+\sqrt{{k_2}^{\′}}}{1-\sqrt{{k_2}^{\′}}}\right\}}& 0\≤{k_2}^2\≤0.5\\ \frac{1}{\mathrm{\π}}\ln \left\{2\frac{1+\sqrt{k_2}}{1-\sqrt{k}2}\right\}& 0.5\≤{k_2}^2\≤1\end{array}\right.$

其中，k₂′、k₂′为k₁、k₂的补模，W为宽度渐变传输线宽度，在宽度渐变传输线两端，其值分别为W1、W2；S为宽度渐变传输线与接地铜皮的距离，在宽度渐变传输线两端，其值分别为S1、S2；h为印刷电路板介质厚度；

步骤203：当W1和Z₀确定时，计算出S1的值，当W2和Z₀确定时，计

算出S2的值，根据S1、S2的值确定接地铜皮的两个端点。

所述的匹配连接方法，其中，根据所述两端点设置所述接地铜皮与所述宽度渐变传输线之间的距离，将根据S1、S2确定接地铜皮的两个端点用直线连接起来，以此直线为边界向宽度渐变传输线的外侧铺接地铜皮，接地铜皮铺设宽度需不小于宽度渐变传输线的最小宽度。

在射频微波电路板上设置若干器件及若干匹配传输线，器件管脚和匹配传输线进行连接时，在它们之间布一段宽度渐变传输线，宽度渐变传输线的长度应大于匹配传输线和器件管脚宽度差。在宽度渐变传输线的两侧铺接地铜皮，通过预设的计算方法设置所述接地铜皮与所述宽度渐变传输线之间的距离，来调整宽度渐变传输线阻抗，使其与匹配传输线阻抗相等，实现阻抗匹配。

采用上述方案，可有效减小因连接器件管脚处传输线宽度变化引起的反射。

附图说明

图1是现有的传输线与器件的管脚连接方法示意图。

图2是本发明一个实施例的两侧包地结构的宽度渐变传输线与匹配传输线及器件的管脚连接示意图。

图3是现有技术中传输线与器件的管脚连接方法的S11反射系数仿真图。

图4是采用本发明的连接方法后的S11反射系数仿真图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明进行详细说明。

实施例1

如图1所示，在现有技术中，直接采用宽度渐变传输线对传输线101与器件的管脚102进行连接，传输线的阻抗计算公式为：

$Z_0=\sqrt{L/C}$

其中，L为宽度渐变传输线分布电感，C为宽度渐变传输线分布电容，由于宽度渐变传输线宽度变窄，宽度渐变传输线分布电感增大，分布电容减小，其阻抗就发生变化，产生阻抗失配。

图3为其S11反射系数仿真图，由图3中可以看出，在10GHz处，S11为-17dB。这只是一段传输线和一个器件管脚连接的仿真结果，当电路中器件和传输线增多时，S11会更加恶化，严重影响信号传输质量。

图2为本发明的匹配连接示意图，如图2所示，在宽度渐变传输线204与传输线201及器件203管脚连接时，在宽度渐变传输线204两边铺设有接地铜皮202，使宽度渐变传输线204阻抗保持不变，与传输线201匹配，由此保证信号传输质量。

宽度渐变传输线204与接地铜皮202的距离确定如下：假定器件203管脚宽度为W1，传输线201宽度为W2；设置宽度渐变传输线204与器件203管脚连接处与接地铜皮最窄一侧的距离为S1，设置宽度渐变传输线204与传输线201连接处与接地铜皮最宽一侧的距离为S2，设置宽度渐变传输线的阻抗为Z₀，通常为50Ω，其计算公式如下：

$Z_0=\frac{60*\mathrm{\π}}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{eff}}}}\frac{1}{\mathrm{ROE}\left(k_1\right)+\mathrm{ROE}\left(k_2\right)}$

其中，ε_eff为印制板介质的有效介电常数；k₁、k₂为模数，ROE(K₁)、ROE(K₂)为k₁、k₂的椭圆积分函数近似表达式

公式中k₁、k₂、ROE(K₁)、ROE(K₂)计算方法如下：

$k_1=w/(w+2s),k_2=\frac{\tanh \left\{\frac{\mathrm{\πw}}{4h}\right\}}{\tanh \left[\frac{\mathrm{\π}(w+2s)}{4h}\right]}$

$\mathrm{ROE}\left(k_1\right)=\left\{\begin{array}{cc}\frac{\mathrm{\π}}{\ln \left\{2\frac{1+\sqrt{{k_1}^{\′}}}{1-\sqrt{{k_1}^{\′}}}\right\}}& 0\≤{k_1}^2\≤0.5\\ \frac{1}{\mathrm{\π}}\ln \left\{2\frac{1+\sqrt{k_1}}{1-\sqrt{k}1}\right\}& 0.5\≤{k_1}^2\≤1\end{array}\right.$

$\mathrm{ROE}\left(k_2\right)=\left\{\begin{array}{cc}\frac{\mathrm{\π}}{\ln \left\{2\frac{1+\sqrt{{k_2}^{\′}}}{1-\sqrt{{k_2}^{\′}}}\right\}}& 0\≤{k_2}^2\≤0.5\\ \frac{1}{\mathrm{\π}}\ln \left\{2\frac{1+\sqrt{k_2}}{1-\sqrt{k}2}\right\}& 0.5\≤{k_2}^2\≤1\end{array}\right.$

${K_1}^{\′}=\sqrt{1-{K_1}^2},{K_2}^{\′}=\sqrt{1-{K_2}^2}$

其中，k₂′、k₂′为k₁、k₂的补模，W为宽度渐变传输线宽度，在宽度渐变传输线两端，其值分别为W1、W2；S为宽度渐变传输线与接地铜皮的距离，在宽度渐变传输线两端，其值分别为S1、S2；h为印刷电路板介质厚度；当W1和Z₀确定时，计算出S1的值，当W2和Z₀确定时，计算出S2的值，根据S1、S2的值确定接地铜皮的两个端点，将两个端点用直线连接起来，以此直线为边界向宽度渐变传输线的外侧铺接地铜皮。铜皮202铺设宽度需不小于宽度渐变传输线204的最小宽度W1，形状无要求。

图4为采用本发明的连接方法后的S11反射系数仿真图，，该图展示了本发明对S11反射系数的优化，图4中S11反射系数比图3中小5dB左右，说明本发明的连接方法匹配效果更好。

实施例2

在上述实施例的基础，本发明的一种射频微波电路板中传输线到器件的匹配连接方法，在射频微波电路板上设置若干器件及若干匹配传输线，其中，还包括以下步骤：

步骤一：在所述匹配传输线与所述器件的管脚焊盘之间设置通过宽度渐变传输线进行连接，所述宽度渐变传输线与所述匹配传输线连接的一端的宽度与所述匹配传输线的宽度相等；所述宽度渐变传输线与所述器件的管脚焊盘连接的一端的宽度与所述器件的管脚焊盘的宽度相等；

步骤二：在所述宽度渐变传输线的两侧铺设有多边形的接地铜皮，根据预设的计算方法设置所述接地铜皮与所述宽度渐变传输线之间的距离。

优选的，所述宽度渐变传输线的长度大于所述匹配传输线与所述器件的管脚焊盘之间的宽度差。

上述基础上，进一步，所述步骤二中的预设的计算方法，包括如下步骤：

步骤201：设置器件的管脚的宽度为W1，设置匹配传输线的宽度为W2，设置宽度渐变传输线与器件的管脚连接处与接地铜皮最窄一侧的距离为S1，设置宽度渐变传输线与传输线连接处与接地铜皮最宽一侧的距离为S2，设置宽度渐变传输线的阻抗为Z₀，其计算公式一如下：

$Z_0=\frac{60*\mathrm{\π}}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{eff}}}}\frac{1}{\mathrm{ROE}\left(k_1\right)+\mathrm{ROE}\left(k_2\right)}$

其中，ε_eff为印制板介质的有效介电常数；k₁、k₂为模数，ROE(K₁)、ROE(K₂)为k1、k2的椭圆积分函数近似表达式

步骤202：公式一中k₁、k₂、ROE(K₁)、ROE(K₂)计算方法如下：

$k_1=w/(w+2s),k_2=\frac{\tanh \left\{\frac{\mathrm{\πw}}{4h}\right\}}{\tanh \left[\frac{\mathrm{\π}(w+2s)}{4h}\right]}$

$\mathrm{ROE}\left(k_1\right)=\left\{\begin{array}{cc}\frac{\mathrm{\π}}{\ln \left\{2\frac{1+\sqrt{{k_1}^{\′}}}{1-\sqrt{{k_1}^{\′}}}\right\}}& 0\≤{k_1}^2\≤0.5\\ \frac{1}{\mathrm{\π}}\ln \left\{2\frac{1+\sqrt{k_1}}{1-\sqrt{k}1}\right\}& 0.5\≤{k_1}^2\≤1\end{array}\right.$

$\mathrm{ROE}\left(k_2\right)=\left\{\begin{array}{cc}\frac{\mathrm{\π}}{\ln \left\{2\frac{1+\sqrt{{k_2}^{\′}}}{1-\sqrt{{k_2}^{\′}}}\right\}}& 0\≤{k_2}^2\≤0.5\\ \frac{1}{\mathrm{\π}}\ln \left\{2\frac{1+\sqrt{k_2}}{1-\sqrt{k}2}\right\}& 0.5\≤{k_2}^2\≤1\end{array}\right.$

${K_1}^{\′}=\sqrt{1-{K_1}^2},{K_2}^{\′}=\sqrt{1-{K_2}^2}$

其中，k₂′、k₂为k₁、k₂的补模，W为宽度渐变传输线宽度，在宽度渐变传输线两端，其值分别为W1、W2；S为宽度渐变传输线与接地铜皮的距离，在宽度渐变传输线两端，其值分别为S1、S2；h为印刷电路板介质厚度；

步骤203：当W1和Z₀确定时，计算出S1的值，当W2和Z₀确定时，计

算出S2的值，根据S1、S2的值确定接地铜皮的两个端点。

优选的，根据所述两端点设置所述接地铜皮与所述宽度渐变传输线之间的距离，将根据S1、S2确定接地铜皮的两个端点用直线连接起来，以此直线为边界向宽度渐变传输线的外侧铺接地铜皮，接地铜皮铺设宽度需不小于宽度渐变传输线的最小宽度。

在射频微波电路板上设置若干器件及若干匹配传输线，器件管脚和匹配传输线进行连接时，在它们之间布一段宽度渐变传输线，宽度渐变传输线的长度应大于匹配传输线和器件管脚宽度差。在宽度渐变传输线的两侧铺接地铜皮，通过预设的计算方法设置所述接地铜皮与所述宽度渐变传输线之间的距离，来调整宽度渐变传输线阻抗，使其与匹配传输线阻抗相等，实现阻抗匹配。

采用上述方案，可有效减小因连接器件管脚处传输线宽度变化引起的反射。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (2)

1.一种射频微波电路板中传输线到器件的匹配连接方法，在射频微波电路板上设置若干器件及若干匹配传输线，其特征在于，还包括以下步骤：

步骤一：在所述匹配传输线与所述器件的管脚焊盘之间设置通过宽度渐变传输线进行连接，所述宽度渐变传输线与所述匹配传输线连接的一端的宽度与所述匹配传输线的宽度相等；所述宽度渐变传输线与所述器件的管脚焊盘连接的一端的宽度与所述器件的管脚焊盘的宽度相等；

步骤二：在所述宽度渐变传输线的两侧铺设有多边形的接地铜皮，根据预设的计算方法设置所述接地铜皮与所述宽度渐变传输线之间的距离；所述宽度渐变传输线的长度大于所述匹配传输线与所述器件的管脚焊盘之间的宽度差；所述步骤二中的预设的计算方法，包括如下步骤：

步骤201：设置器件的管脚的宽度为W1，设置匹配传输线的宽度为W2，设置宽度渐变传输线与器件的管脚连接处与接地铜皮最窄一侧的距离为S1，设置宽度渐变传输线与传输线连接处与接地铜皮最宽一侧的距离为S2，设置宽度渐变传输线的阻抗为Z₀，其计算公式一如下：

$z_0=\frac{60*\mathrm{\π}}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{eff}}}\frac{1}{ROE\left(k_1\right)+ROE\left(k_2\right)}$

其中，ε_eff为印制板介质的有效介电常数；k₁、k₂为模数，ROE(K₁)、ROE(K₂)为k1、k2的椭圆积分函数近似表达式

步骤202：公式一中k₁、k₂、ROE(K₁)、ROE(K₂)计算方法如下：

$\begin{array}{cc}{k}_1=W/\left(w+2s\right)& k_2=\frac{\tanh \left\{\frac{\mathrm{\π}w}{4h}\right\}}{\tanh \[\frac{\mathrm{\π}\left(w+2s\right)}{4h}\]}\end{array}$

$ROE\left(k_1\right)=\left\{\begin{array}{cc}\frac{\mathrm{\π}}{\ln \left\{2\frac{1+\sqrt{{k_1}^{\′}}}{1-\sqrt{{k_1}^{\′}}}\right\}}& 0\≤{k_1}^2\≤0.5\\ \frac{1}{\mathrm{\π}}\ln \left\{2\frac{1+\sqrt{k_1}}{1-\sqrt{k_1}}\right\}& 0.5\≤{k_1}^2\≤1\end{array}\right.$

$ROE\left(k_2\right)=\left\{\begin{array}{cc}\frac{\mathrm{\π}}{\ln \left\{2\frac{1+\sqrt{{k_2}^{\′}}}{1-\sqrt{{k_2}^{\′}}}\right\}}& 0\≤{k_2}^2\≤0.5\\ \frac{1}{\mathrm{\π}}\ln \left\{2\frac{1+\sqrt{k_2}}{1-\sqrt{k_2}}\right\}& 0.5\≤{k_2}^2\≤1\end{array}\right.$

$\begin{array}{cc}{k_1}^{\′}=\sqrt{1-{k_1}^2}& {k_2}^{\′}=\sqrt{1-{k_2}^2}\end{array}$

其中，k₁′、k₂′为k₁、k₂的补模，W为宽度渐变传输线宽度，在宽度渐变传输线两端，其值分别为W1、W2；S为宽度渐变传输线与接地铜皮的距离，在宽度渐变传输线两端，其值分别为S1、S2；h为印刷电路板介质厚度；

步骤203：当W1和Z₀确定时，计算出S1的值，当W2和Z₀确定时，计算出S2的值，根据S1、S2的值确定接地铜皮的两个端点。

2.如权利要求1所述的匹配连接方法，其特征在于，根据所述两端点设置所述接地铜皮与所述宽度渐变传输线之间的距离，将根据S1、S2确定接地铜皮的两个端点用直线连接起来，以此直线为边界向宽度渐变传输线的外侧铺接地铜皮，接地铜皮铺设宽度需不小于宽度渐变传输线的最小宽度。