微波射頻設計經驗法則

5G通信射頻有源無源 2022-04-08 00:00

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本文翻譯自Microwaves101 | Microwave Rules of Thumb

匯總了一些微波電路中的經驗法則（Rules of Thumb）

所謂經驗法則，就是一些長期總結出來的規律，多數情況下適用，但并不是任何時候都適用，請讀者自行斟酌。

1、

對于直徑1mil（25um）的金絲，等效的電感量（以nH為單位）約等于其長度（以mm為單位），這可是公制單位相較于英制單位的一個優點！

我們換個方式來表述一下，以便棒球運動愛好者也能使用：長度1mil的鍵合線等效電感量約為25pH，或者說長度40mil的鍵合線電感量約為1nH。

2、

要能當做一個集總參數元件來對待，那么一個電路結構的任何一個特征尺寸都不能超過該電路最高工作頻率對應波長的1/10。

3、

微帶電路板的介質厚度不能超過該電路最高工作頻率對應波長的1/10，否則不能使用。

4、

如何看一眼波導就知道其型號WR后面的數字？WR后面的數字就是波導寬邊長度以mil為單位，除以10。

作者注：例如WR34表示波導的寬邊長度為340mil；我國的標準矩形波導命名規則是BJ##，后面數字代表主模中心頻率以GHz為單位乘以10，例如BJ260表示主模中心頻率為26GHz的標準矩形波導。

5、

一個記住矩形波導E面和H面的好方法是：當你彎曲它，沿著E面彎折是很容易的，而沿著H面彎折就很困難。

6、

對于Si或SiGe半導體，110℃是器件可靠工作的最大結溫（平均無故障時間MTTF=1,000,000小時）。

硅工藝的LDMOS是例外，據一個主流LDMOS供應商的說法，它可以在175℃溫度下工作800年。

GaAs的FET（或者說pHEMT）溝道溫度不能超過150℃才能確保長期可靠工作。對于GaN HEMT而言，最大溝道溫度175℃是一個合理值。

7、

為了截止掉雜散模式，封裝（腔體）的寬度一般不要超過最高工作頻率對應在真空中的半個波長。

8、

X波段及以下的微帶線和帶狀線最小轉彎半徑不要低于三倍線寬，頻率更高時最小轉彎半徑取五倍線寬，最好的做法是使用最佳切角代替曲線轉彎！

9、

一個脈沖信號的10%-90%上升時間，以ns為單位時，近似等于0.35除以網絡的帶寬，以GHz為單位。

作者舉例？？：假設一個低通網絡的截止頻率是1GHz，則傳輸一個矩形脈沖時，10%-90%上升時間約為0.35ns。

10、

如果你想用1/4短截線來實現射頻短路，那么應該使用低阻線，而且最好是使用扇形枝節。

11、平面對上單位面積的回路電感是33PHx 介質厚度(MIL)。
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12、過孔的直徑越大，它的擴散電感就越低。一個直徑為25MIL 過孔的擴散電感約為50PH。
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13、如果有一個出沙孔區域，當空閑面積占到50%時，將會使平面對間的回路電感增加25%。
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14、銅的趨膚深度與頻率的平方跟成反比。1GHZ 時，其為2UM。所以，10MHZ 時，銅的趨膚是20UM。
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15、在50 歐姆的1 盎司銅傳輸線中，當頻率約高于50MHZ 時，單位長度回路電感為一常數。這說明在頻率高于50MHZ 時，特性阻抗時一常數。
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16、銅中電子的速度極慢，相當于螞蟻的速度，也就是1CM/S。
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17、信號在空氣中的速度約是12IN/NS。大多數聚合材料中的信號速度約為6IN/NS。
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18、大多數輾壓材料中，線延遲1/V 約是170PS/IN。
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19、信號的空間延伸等于上升時間X 速度，即RTx6IN/NS。
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20、傳輸線的特性阻抗與單位長度電容成反比。
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21、 FR4 中，所有50 歐姆傳輸線的單位長度電容約為3.3PF/IN。
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22、 FR4 中，所有50 歐姆傳輸線的單位長度電感約為8.3NH/IN。
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23、對于FR4 中的50 歐姆微帶線，其介質厚度約是線寬的一半。
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24、對于FR4 中的50 歐姆帶狀線，其平面間的間隔時信號線線寬的2倍。
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25、在遠小于信號的返回時間之內，傳輸線的阻抗就是特性阻抗。例如，當驅動一段3IN 長的50 歐姆傳輸線時，所有上升時間短與1NS 的驅動源在沿線傳輸并發生上升跳變時間內感受到的就是50 歐姆恒定負載。
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26、一段傳輸線的總電容和時延的關系為C=TD/Z0。

27、一段傳輸線的總回路電感和時延的關系為L=TDxZ0。
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28、如果50 歐姆微帶線中的返回路徑寬度與信號線寬相等，則其特性阻抗比返回路徑無限寬時的特性阻抗高20%。
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29、如果50 歐姆微帶線中的返回路徑寬度至少時信號線寬的3 倍，則其特性阻抗與返回路徑無限寬時的特性阻抗的偏差小于1%。
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30、布線的厚度可以影響特性阻抗，厚度增加1MIL,阻抗就減少2歐姆。
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31、微帶線定部的阻焊厚度會使特性阻抗減小，厚度增加1MIL,阻抗減少2歐姆。
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32、為了得到精確的集總電路近似，在每個上升時間的空間延伸里至少需要有3.5 個LC 節。
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33、單節LC 模型的帶寬是0.1/TD。
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34、如果傳輸線時延比信號上升時間的20%短，就不需要對傳輸線進行端接。
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35、在50 歐姆系統中，5 歐姆的阻抗變化引起的反射系數是5%。
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36、保持所有的突變(IN)盡量短于上升時間(NS)的量值。
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37、遠端容性負載會增加信號的上升時間。10-90 上升時間約是(100xC)PS,其中C 的單位是PF。
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38、如果突變的電容小于0.004XRT,則可能不會產生問題。
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39、 50 歐姆傳輸線中拐角的電容(Ff)是線寬(MIL)的2 倍。
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40、容性突變會使50%點的時延約增加0.5XZ0XC。
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41、如果突變的電感(NH)小于上升時間(NS)的10 倍，則不會產生問題。
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42、對上升時間少于1NS 的信號，回路電感約為10NH 的軸向引腳電阻可能會產生較多的反射噪聲，這時可換成片式電阻。
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43、在50 歐姆系統中，需要用4PF 電容來補償10NH 的電感。
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44、 1GHZ 時，1 盎司銅線的電阻約是其在DC 狀態下電阻的15 倍。
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45、 1GHZ 時，8MIL 寬的線條的電阻產生的衰減與介質此材料產生的衰減相當，并且介質材料產生的衰減隨著頻率變化得更快。
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46、對于3MIL或更寬的線條而言，低損耗狀態全是發生在10MHZ頻率以上。在低損耗狀態時，特性阻抗以及信號速度與損耗和頻率無關。在常見的級互連中不存在由損耗引起的色散現象。
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47、 -3DB 衰減相當于初始信號功率減小到50%，初始電壓幅度減小到70%。
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48、 -20DB 衰減相當于初始信號功率減小到1%，初始電壓幅度減小到10%。
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49、當處于趨膚效應狀態時，信號路徑與返回路徑的單位長度串聯約是(8/W)Xsqrt(f)(其中線寬W:MIL;頻率F:GHZ)。
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50、 50 歐姆的傳輸線中，由導體產生的單位長度衰減約是36/(Wz0)DB/IN。
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