共面波导(coplanar waveguide,CPW)是由C.P. Wen于1969年提出的一种所有导体都位于介质基片的同一表面上的平面传输线,共面波导结构和电磁场分布如图3.10所示。共面波导的导带与接地面处于同一个平面上,这样和地接通时不需要像微带那样在介质基片上打孔,给加工制作带来很大方便。共面波导传输的模式是准TEM模,不存在下限截止频率。准TEM模又可分为奇准TEM模和偶准TEM模,取决于两槽之间的电场是同向的还是反向的,同向的为前者,反向的为后者。
图3.10 共面波导结构和电磁场分布
假设金属厚度为零,介质基片无穷宽,在此条件下,共面波导的特性阻抗 Z c 近似表示为:
其中, 。 K 是第一类完全椭圆积分; K ( k )/ K ( k′ )和 的比值由式(3.44)定义。
共面波导的优点:
(1)由于导带和接地面共平面,更容易与有源、无源电路串联或并联而不需要在基片上打接地通孔,特别适合制作包含有源器件的混合电路和单片集成电路。相比之下,微带电路接地必须使用通孔。对于毫米波频段的微波单片集成电路(MMIC)设计,即使是难以触摸的接地效应也会变得明显起来。例如,两个靠得很近的通孔之间就有明显的耦合效应,在这种情况下,电流会拥挤到每个通孔的一边,电感量将远高于预期值。
(2)相邻信号线之间接地面的存在(相当于提供了屏蔽),使得信号之间的串扰很小,通过降低寄生参量(比如减小集总元件的寄生电容量),可以提高电路的密集程度。
(3)具有椭圆极化磁场,可以用来制作非互易铁氧体器件。
(4)特性阻抗由导带宽度和槽线宽度共同决定,设计的灵活度更大。给定的特性阻抗可通过任意导带和槽线宽度的组合来实现。
(5)传输的准TEM模色散非常低,具有构建宽带电路和器件的潜力。
(6)更适合设计毫米波电路。在毫米波频段,GaAs基片上共面波导的损耗和色散效应等于或者优于同一基片上的微带。在给定横截面的情况下,共面波导的最小损耗发生在特性阻抗约为60 Ω 处;而微带的最小损耗发生在其特性阻抗约为25 Ω 处,此时微带的物理尺寸远远大于共面波导。
共面波导与微带的特性对比见表3.4。
表3.4 共面波导和微带的特性对比
背面导体覆盖的共面波导(conductor-backed coplanar waveguide,CBCPW)有时也称为接地共面波导(grounded coplanar waveguide,GCPW),其物理结构和横截面示意图如图3.11所示。这种波导的导波结构结合了微带和共面波导的特点,由于背面金属导体的存在,不仅增强了电路的机械强度,也增加了功率容量 [8] ,背面导体还可以作为有源电路的散热片。CBCPW的两侧还可以封闭起来使基板上层的接地面和背面的接地面连接,构造侧面封闭的电路结构 [9] (如图3.12所示),进一步减少电磁泄漏。由于CBCPW不仅在介质底面有接地面,且在介质顶部信号传输线两侧也分布着接地面,因此具有更大的接地面积。得益于这种增强的接地结构,通过适当的设计,CBCPW电路能够获得比微带电路宽得多的阻抗范围,并且能够更好地抑制寄生模式。随着频率的变化,CBCPW的有效相对介电常数的变化比微带要小 [10] 。CBCPW电路能够显著地减少辐射损耗、色散,以及寄生模式传播,因此经常使用在比微带电路高得多的频率(如毫米波频段)上 [10] 。
图3.11 背面导体覆盖的共面波导(CBCPW)
图3.12 侧面封闭的CBCPW
CBCPW的有效相对介电常数 ε re 和特性阻抗 Z c 可以通过式(3.55)和式(3.56)计算 [11] :
式中, 。其中, h 为介质基板的厚度, ε r 为介质基板的相对介电常数, t 为介质基板四周金属镀层的厚度, W 为中心导体的宽度, s 为中心导体与两侧接地面之间的空气间隙宽度, K ( k )为第一类完全椭圆积分。上述计算公式也适用于侧面封闭的CBCPW。
CBCPW还可以构造折叠型电路,其折叠结构如图3.13所示,也就是将对称结构变为不对称结构。由于CBCPW背面有接地面,可以将正面的接地面折叠到背面来减小电路尺寸,同时不会引起电路性能的较大变化 [12] 。图3.13中折叠结构可看成将CBCPW正面的一半接地面折叠到背面,与背面的接地面相连(其中一部分重合)。其中,1、3、4为接地面,2为导带,5和6为侧面金属导体。
图3.13 CBCPW折叠结构
需要说明的是,共面波导(CPW)和CBCPW是两种不同的传输线,相同条件下两者的特性阻抗相差较大。CBCPW具有背面的接地,因此也可以打接地通孔,不仅可更灵活接地,还可抑制谐波,而且有可能构造类似基片集成波导(SIW)那样的新型电路。
共面带线(coplanar strips,CPS)的结构如图3.14所示。其特性阻抗 Z c 和有效相对介电常数 ε re 可分别表示为 [13]
图3.14 共面带线结构
式中,
K ( k′ )有时候也写作 K′ ( k )。