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共面波导计算器

为射频、毫米波和5G应用设计CPW、GCPW和CBCPW传输线。计算阻抗、有效介电常数,并优化高达100+ GHz频率的几何结构。

底部接地 (GCPW)
介质 (H)
GND
G
SIG
G
GND
W
过孔栅栏

GCPW(接地共面波导)横截面

CPW配置类型

根据频率、隔离和制造要求选择合适的CPW变体

标准CPW

仅具有共面接地的信号,无底部接地平面

优势
  • 寄生电容最低
  • 最适合倒装芯片
  • 简单的2层设计
注意事项
  • 辐射损耗较高
  • 需要宽接地区域
  • 对接地宽度敏感
最适用于

芯片探针、倒装芯片、简单射频

GCPW(接地)

具有底部接地平面和缝合过孔的CPW

优势
  • 辐射损耗低
  • 屏蔽性更好
  • 阻抗一致
注意事项
  • 需要过孔缝合
  • 设计更复杂
  • 高频下的过孔电感
最适用于

大多数PCB射频设计、5G、毫米波

CBCPW

导体背板CPW,有底部接地但无顶部过孔缝合

优势
  • 更好的散热路径
  • 中等屏蔽
  • 比GCPW简单
注意事项
  • 平行板模式风险
  • 隔离性不如GCPW
最适用于

功率放大器、热管理

CPW设计方程

CPW特性阻抗

Z₀ = [30π / √εeff] × [K(k') / K(k)]
k = W / (W + 2G)
k' = √(1 - k²)
K(k) = 第一类完全椭圆积分

简化:Z₀ ≈ (60/√εeff) × ln(2(1+√k)/(1-√k)) 用于实际使用

GCPW(带底部接地)

Z₀_gcpw ≈ Z₀_cpw || Z₀_ms
GCPW = CPW和微带线的并联组合
Z₀低于标准CPW
由W/H或W/G比率中的较小者主导

经验法则:Z₀_gcpw ≈ 0.7 - 0.85 × Z₀_cpw

有效介电常数

标准CPW
εeff ≈ (εr + 1) / 2
对称空气/基板
GCPW
εeff → εr
接近基板Dk
传播
~120-140 ps/in
比带状线快

CPW应用

5G毫米波

28GHz、39GHz和60GHz天线馈电和转换。GCPW在毫米波下提供低损耗。

汽车雷达

77GHz ADAS雷达系统,使用GCPW用于天线阵列馈电和功率分配器。

射频IC探针

晶圆上测试和倒装芯片安装。CPW提供出色的探针焊盘转换。

转换

CPW到微带线、CPW到波导和CPW到同轴转换,用于系统集成。

CPW设计指南

过孔栅栏设计(GCPW)

  • 过孔间距:λg/10或更小

    在28GHz,εr=3.5时,λg ≈ 5.7mm → 过孔间距 ≤ 0.57mm

  • 过孔与信号的距离:约2G到3G

    足够近以抑制模式,足够远以避免场干扰

  • 使用实际可行的最小过孔直径

    减少过孔电感;毫米波典型8-10mil直径

几何尺寸建议

FR-4上的50Ω (εr = 4.0)
W = 10 mil, G = 5 mil, H = 10 mil
Rogers 4350上的50Ω (εr = 3.48)
W = 12 mil, G = 6 mil, H = 10 mil
Rogers 3003上的50Ω (εr = 3.0)
W = 15 mil, G = 7 mil, H = 10 mil

始终使用场求解器验证;这些是起点

避免平行板模式

在没有过孔缝合的GCPW中,寄生平行板模式可以在共面接地和底部接地之间传播,导致谐振和损耗。使用过孔栅栏将接地短接在一起并抑制此模式,特别是在10GHz以上。

CPW与微带线的射频设计对比

参数GCPW微带线备注
频率范围DC to 100+ GHzDC to ~40 GHzCPW在毫米波下扩展性更好
色散较低较高高频下脉冲形状更好
元件安装直接(无过孔)通过过孔接地更容易的SMT集成
接地定义局部(共面)需要过孔更适合射频转换
布线密度较低较高CPW需要共面接地
设计复杂度较高较低需要过孔栅栏

常见问题

什么是共面波导(CPW)?

共面波导是一种传输线,其中信号走线和接地导体位于同一层,信号走线位于两个由间隙分隔的接地区域之间。它易于与表面贴装元件集成,在毫米波频率下性能良好。电场集中在间隙中。

CPW和GCPW有什么区别?

标准CPW仅在信号层有接地平面(共面接地)。GCPW(接地CPW)在下层添加接地平面,通过过孔连接到共面接地。GCPW提供更好的屏蔽、更低的辐射损耗和更一致的阻抗,使其成为大多数PCB应用的首选。

何时应该使用CPW而不是微带线?

在以下情况下首选CPW:(1)工作在10GHz以上,微带线损耗增加时;(2)需要轻松连接表面贴装元件而无需过孔;(3)设计不同传输线类型之间的转换;(4)希望在高频下减少色散;(5)需要在信号走线附近紧密定义接地。

如何控制CPW阻抗?

CPW阻抗由信号宽度(W)与间隙宽度(G)的比率控制:间隙越宽或信号越窄=阻抗越高。对于GCPW,基板高度(H)也很重要:基板越薄=阻抗越低。FR-4上50Ω的典型尺寸:W=10mil,G=5mil,或根据您的基板调整。

CPW设计中的过孔栅栏是什么?

过孔栅栏是沿GCPW线两侧放置的接地过孔行,连接共面接地到底部接地平面。它们抑制平行板模式,减少串扰,改善隔离。在10GHz以上的频率下,将过孔间距设置为λ/10或更小,以防止模式转换。