【Maker電子學】淺談高頻系統的原理與設計—PART12：PCB 上的傳輸線設計(下)

Posted By Liang Bird on 12 月 19, 2022 in Maker電子學, 教學文, 電子學, 高頻系統 | 0 comments

上一回【Maker電子學】淺談高頻系統的原理與設計—PART11，我們介紹了 PCB 上的傳輸線設計以及它的數學模型。這一回我們要用實際的例子來看看 PCB 上的傳輸線要怎麼設計，以及設計的過程要如何迭代。

天線輸出

假設我們現在有這樣一個電路圖：

（圖片來源：Bird 提供）

ESP-01F 是一顆用 ESP8285/ESP8286 做出來的 2.4 GHz Wi-Fi 模組，它上面沒有天線，它的 RF 訊號在模組的第一腳輸出。我們要在 PCB 上設計一條傳輸線，將這個 2.4 GHz 的訊號傳送到板子上的另一個零件：SMA 連接器（SMA 連接器是一種很常用的小型 RF 連接器，它的特性阻抗是 50 ohm）。

大部分的 RF 系統都以 50 ohm 的特性阻抗來設計，這是實務上的一種慣例，它來自 1930 年代 RF 系統剛萌芽時，同軸電纜設計上的一個妥協。當年的 RF 系統頻率不高，但是為了要發送跨越長距離的 RF 訊號，從發射機到天線的同軸電纜要能傳輸上千瓦的 RF 訊號功率。

當時的材料技術還沒有現在這麼進步，大部分的同軸電纜都是以空氣作為絕緣層。設計同軸電纜的人們發現，在特性阻抗 77 ohm 時，電纜的傳輸損失最小；特性阻抗是 30 ohm 時，它可以承載最大的功率。雖然有一好沒兩好，但是工程師們就將 77 和 30 這兩個數字加起來除以二，再取個整數，就變 50 了。

至於有線電視系統的特性阻抗之所以是 75 ohm，是因為最常用的電視天線是 1/2 波長折疊偶極天線（folded dipole antenna），而這種天線輸出的特性阻抗是 300 ohm 平衡輸出，只要用一個 2:1 的平衡轉不平衡變壓器（balun，balance-unbalance transformer）就可以很容易地將訊號的特性阻抗轉換為 75 ohm。

我們之前說明過，特性阻抗是傳輸線上電壓與電流的比例，它符合歐姆定律 V=IR 的定義，因此將 300 ohm 特性阻抗轉換為 75 ohm 時，事實上就是讓訊號的電壓變為原來的四分之一、電流變為原來的四倍。平衡轉不平衡時，電壓會變成原來的二分之一，然後再加上 2:1 的變壓器，就得到了原來四分之一的電壓，將阻抗轉成四分之一。

好，回到 50 ohm。ESP-01F 這個 Wi-Fi 模組的天線接腳輸出是 50 ohm 的特性阻抗，而 SMA 接頭的輸入也是 50 ohm 的特性阻抗，因此我們要在 PCB 上設計一條特性阻抗為 50 ohm 的傳輸線，將訊號從 Wi-Fi 模組的 ANT 接腳傳送到 SMA 連接器，SMA 連接器就可以用來連接天線了。

雖然 50 ohm 是大部分 RF 系統設計的慣例，但並非所有的模組或是 IC 輸出的 RF 訊號都有 50 ohm 的特性阻抗，至於它們的輸出到底是不是 50 ohm，就需要查閱零件的 datasheet 才會知道。一般來說，如果是模組，大概十之八九會是 50 ohm 的輸出，但如果是 IC，除非它是 LTCC 之類的高階封裝技術做出來的 IC，否則一般 RF IC 的輸出接腳不太可能是 50 ohm 的特性阻抗，那如果特性阻抗不是 50 ohm 的話要怎麼辦呢？就要用電路做阻抗轉換或阻抗匹配，這個我們下一次再聊。現在先讓我們處理 50 ohm 的輸出就好。

設計微帶線傳輸線

電路圖上有個標示「50 ohm microstrip」，代表畫圖的人希望我們用上次提過的微帶線（microstrip）來設計這個 50 ohm 的傳輸線。