matlab-assemble-pcb-layout

组装自定义 PCB 元件

适用场景

• 构建目录对象（如 microstripLine、coupledMicrostripLine 等）未涵盖的自定义 PCB 结构
• 构建多层堆叠，并在每一层上使用自定义金属形状
• 使用布尔运算（并集、差集、交集）组合基本形状
• 通过在接地平面上刻蚀图案来创建缺陷接地结构（DGS）
• 放置馈电端口、过孔，或使用高级 FeedDefinitions（同轴、边缘、间隙馈电）
• 组装带状线或屏蔽外壳结构

不适用场景

• 设计标准传输线——请使用 matlab-design-pcb-transmission-line
• 从 Gerber、ODB++ 或 Allegro 导入布局——请使用 matlab-read-pcb-layout
• 定义介质或金属材料——请使用 matlab-manage-pcb-material
• 组装后运行 EM 分析——请使用 matlab-analyze-em
• 级联或连接多个 pcbComponents——请使用 matlab-integrate-pcb-circuit

典型工作流

1. 之前： matlab-manage-pcb-material — 设置基板和导体
2. 本技能： 使用 pcbComponent、形状和馈电构建自定义 PCB 结构
3. 之后： matlab-analyze-em — 验证 S 参数 → matlab-optimize-pcb-design — 调整尺寸 → matlab-write-pcb-layout — 导出 Gerber

快速参考

任务	代码
创建 pcbComponent	pcb = pcbComponent
指定各层	pcb.Layers = {signal, substrate, ground}
设置板形状	pcb.BoardShape = ground
设置厚度	pcb.BoardThickness = 1.6e-3
放置馈电点	pcb.FeedLocations = [x1 y1 1 3; x2 y2 1 3]
馈电直径	pcb.FeedDiameter = W/2
设置导体	pcb.Conductor = metal("Copper")
添加过孔	pcb.ViaLocations = [x y topLayer botLayer]
可视化	show(pcb)
布局视图	layout(pcb)
布尔并集	shape = s1 + s2
布尔差集	shape = s1 - s2
布尔交集	shape = s1 & s2

pcbComponent 结构

pcbComponent 是用于自定义 RF PCB 结构的通用容器。

最简 2 层微带线

pcb = pcbComponent;
substrate = dielectric("FR4");
substrate.Thickness = 1.6e-3;

signal = traceRectangular(Length=20e-3, Width=3e-3);
ground = traceRectangular(Length=30e-3, Width=20e-3);

pcb.Layers = {signal, substrate, ground};
pcb.BoardShape = ground;
pcb.BoardThickness = substrate.Thickness;
pcb.Conductor = metal("Copper");
pcb.FeedDiameter = 1.5e-3;
pcb.FeedLocations = [-10e-3 0 1 3; 10e-3 0 1 3];
show(pcb);

5 层带状线结构

pcb = pcbComponent;
sub = dielectric(Name="FR4", EpsilonR=4.4, LossTangent=0.02, Thickness=0.8e-3);

topGnd = traceRectangular(Length=40e-3, Width=20e-3);
signal = traceRectangular(Length=30e-3, Width=2e-3);
botGnd = traceRectangular(Length=40e-3, Width=20e-3);

pcb.BoardThickness = 2 * sub.Thickness;          % Set BEFORE Layers
pcb.Layers = {topGnd, sub, signal, sub, botGnd};
pcb.BoardShape = topGnd;
pcb.Conductor = metal("Copper");
pcb.FeedLocations = [-15e-3 0 3 1; 15e-3 0 3 5];
pcb.FeedDiameter = 1e-3;
show(pcb);

关键属性

属性	格式	说明
Layers	元胞数组	交替排列：金属形状、介质、金属形状……
BoardShape	形状对象	PCB 的外边界
BoardThickness	标量（m）	必须等于介质厚度之和
FeedLocations	N×4 矩阵	每个端口对应 [x, y, signalLayer, groundLayer]
FeedDiameter	标量（m）	馈电过孔/探针的直径
ViaLocations	M×4 矩阵	每个过孔对应 [x, y, topLayer, bottomLayer]
ViaDiameter	标量（m）	过孔桶径
FeedViaModel	字符串	'strip'、'square'、'octagon'、'hexagon'
Conductor	metal 对象	所有金属层的导体
SolverType	字符串	'MoM' 或 'FEM'

基本形状

矩形走线

rect = traceRectangular(Length=20e-3, Width=5e-3, Center=[0 0]);

折线走线（含多个线段和弯折）

tl = traceLine;
tl.Length = [10 5*sqrt(2) 10]*1e-3;
tl.Angle = [0 45 0];
tl.Width = 3e-3;
tl.Corner = 1;          % 1 = Miter, 2 = Smooth (default: Sharp)
show(tl);

由点定义的走线

tp = tracePoint;
tp.TracePoints = [0 0; 10e-3 0; 15e-3 5e-3; 25e-3 5e-3];
tp.Width = 2e-3;
tp.Corner = 2;          % 2 = Smooth

螺旋走线

sp = traceSpiral;
sp.NumTurns = 3;
sp.InnerDiameter = 4e-3;
sp.Spacing = 0.5e-3;
sp.TraceWidth = 0.5e-3;
show(sp);

渐变走线

tt = traceTapered;
tt.Length = 10e-3;
tt.InputWidth = 1e-3;
tt.OutputWidth = 3e-3;

弯折

弯折的 Width 是一个 2 元素向量 [w1 w2]，分别表示两条臂的宽度：

bc = bendCurved;
bc.Width = [2e-3 2e-3];
bc.CurveRadius = 5e-3;

bm = bendMitered;
bm.Width = [2e-3 2e-3];

br = bendRightAngle;
br.Width = [2e-3 2e-3];

U 形弯折

U 形弯折的 Width 是一个 3 元素向量 [arm1 bottom arm2]：

uc = ubendCurved;
uc.Width = [2e-3 2e-3 2e-3];
uc.CurveRadius = 3e-3;

um = ubendMitered;
um.Width = [2e-3 2e-3 2e-3];

其他形状

d = delta;
d.OuterRadius = 5e-3;                           % Triangle/delta

db = dumbbell;
db.SideLength = 6e-3;                           % Head size (square Type, default)
db.ArmLength = 10e-3;
db.ArmWidth = 0.5e-3;                           % Dumbbell (for DGS)
% Note: Type='Square' uses SideLength; Type='Circle' uses Diameter

rt = racetrack;
rt.Length = 15e-3;
rt.Width = 5e-3;                                % Racetrack

rd = radial;
rd.OuterRadius = 5e-3;
rd.Angle = 60;                                  % Radial sector

ar = ringAnnular;
ar.InnerRadius = 1e-3;
ar.Width = 4e-3;                                % Annular ring (InnerRadius must be > 0)

sr = splitRing;
sr.RingDiameter = 10e-3;
sr.TraceWidth = 0.5e-3;
sr.SplitGap = 0.5e-3;                           % Split ring resonator

布尔运算

使用运算符组合形状，以构建复杂几何结构。

并集（+）

left = traceRectangular(Length=10e-3, Width=5e-3, Center=[-5e-3 0]);
right = traceRectangular(Length=10e-3, Width=5e-3, Center=[5e-3 0]);
combined = left + right;
show(combined);

差集（-）

创建槽、间隙或刻蚀图案：

base = traceRectangular(Length=20e-3, Width=10e-3);
slot = traceRectangular(Length=15e-3, Width=1e-3);
slotted = base - slot;
show(slotted);

交集（&）

ring = ringAnnular;
ring.InnerRadius = 1e-3;
ring.Width = 9e-3;
rect = traceRectangular(Length=15e-3, Width=15e-3);
clipped = ring & rect;

复杂示例：U-CSRR 滤波器

% Create feeding microstrip
ZA = traceRectangular(Length=4e-3, Width=4e-3, Center=[-7e-3 0]);
Cell = traceRectangular(Length=5e-3, Width=5e-3, Center=[-2.5e-3 0]);
LeftSection = ZA + Cell;

% Create slots using traceLine
s1 = traceLine(StartPoint=[-2.5e-3-0.1e-3, -1.9e-3], ...
    Angle=[-180 -270 0], Length=[1.75e-3 3.8e-3 1.75e-3], Width=0.2e-3);
s2 = traceLine(StartPoint=[-2.5e-3+0.1e-3, -1.9e-3], ...
    Angle=[0 90 180], Length=[1.75e-3 3.8e-3 1.75e-3], Width=0.2e-3);

% Subtract slots from base
LeftSection = LeftSection - s1 - s2;

% Mirror for right section
RightSection = copy(LeftSection);
RightSection = mirrorY(RightSection);

% Complete filter
filter = LeftSection + RightSection;
show(filter);

馈电点放置

FeedLocations 格式

每行：[x, y, signalLayerIndex, groundLayerIndex]

• Layers 元胞数组中金属层的索引为奇数（1、3、5……）
• 第 1 层 = 第一层金属（顶层），第 3 层 = 第二层金属，依此类推。

% 2-port microstrip (signal on layer 1, ground on layer 3)
pcb.FeedLocations = [-10e-3 0 1 3;    % Port 1: left edge
                      10e-3 0 1 3];    % Port 2: right edge

4 端口耦合走线

pcb.FeedLocations = [0 0 1 3;         % Port 1
                     40e-3 0 1 3;      % Port 2
                     40e-3 -5e-3 1 3;  % Port 3
                     0 -5e-3 1 3];     % Port 4

馈电直径

pcb.FeedDiameter = traceWidth / 2;  % Must fit within the trace

内部端口（用于集总元件）

为集总元件的内部连接定义额外的馈电位置（有关带有 PortNumber/PortValue 的 pcbElement，请参阅 matlab-integrate-pcb-circuit 技能）。

DGS — 缺陷地结构

使用 dgs 方法在接地平面上蚀刻图案：

ms = microstripLine;
ms.Length = 20e-3;
ms.Width = 3e-3;

% Create a dumbbell DGS under the trace
dgsShape = dumbbell;
dgsShape.SideLength = 4e-3;       % Head size (default Type='Square')
dgsShape.ArmLength = 8e-3;
dgsShape.ArmWidth = 0.5e-3;
ms = dgs(ms, {dgsShape});   % Must capture return value — does not modify in place
show(ms);
memoryEstimate(ms, 10e9, 'RetainMesh', true);  % Check mesh before solving
sp = sparameters(ms, linspace(1e9, 10e9, 51), 'SweepOption', 'interp');
rfplot(sp);

DGS 可增加带阻特性，并提升耦合器的方向性或滤波器的抑制效果。

屏蔽外壳

为屏蔽分析添加导电盖板：

pcb = pcbComponent;
% ... set up layers ...
pcb.IsShielded = true;   % Adds PEC enclosure walls and lid
show(pcb);

对于外壳内滤波器问题，屏蔽会影响谐振频率和耦合。

形状操作

shape = translate(shape, [dx, dy, 0]);  % Translate
shape = rotateZ(shape, angle);          % Rotate about z-axis (degrees)
shape = rotateX(shape, angle);          % Rotate about x-axis
shape = mirrorX(shape);                 % Mirror about x-axis
shape = mirrorY(shape);                 % Mirror about y-axis
shapeCopy = copy(shape);                % Deep copy
shape = scale(shape, factor);           % Uniform scaling
a = area(shape);                        % Shape area (m²)

对于目录对象，使用 shapes() 按层提取形状：

s = shapes(obj);              % Struct of shapes by layer name
boardArea = area(s.GroundPlane);

对于 pcbComponent，形状位于 Layers 和 BoardShape 中：

boardArea = area(pcb.BoardShape);

查找可用方法

使用 methods(obj) 列出任意对象的所有可用操作：

methods(pcb)                  % List all pcbComponent methods
methods(traceRectangular)     % List all shape methods

可视化

show(pcb);          % 3-D structure view
layout(pcb);        % Top-down layout with feeds and vias
mesh(pcb);          % Mesh visualization
info(pcb);          % Print structure summary

高级馈电设置（FeedDefinitions API）

默认情况下，pcbComponent 使用 FeedLocations（XY 坐标 + 层）设置简单的探针馈电。对于高级馈电类型——同轴、边缘、差分间隙、有限间隙——请切换到 FeedDefinitions API：

pcb = pcbComponent;
pcb.FeedFormat = 'FeedDefinitions';     % Enable FeedDefinitions mode

馈电类型

馈电类型	使用场景	关键属性
ProbeFeed	垂直通孔探针（贴片天线）	SignalLocations、SignalLayers、GroundLayers、ViaDiameter、ViaModel
CoaxialFeed	带有明确焊盘/反焊盘几何形状的探针	PadShape、AntipadShape、SignalLayers、GroundLayers
EdgeFeed	带状线式边缘激励	SignalLocations、SignalLayers、GroundLayers、SignalWidths
DeltaGapFeed	带有电流方向的内部端口	SignalLocations、SignalLayers、SignalWidths、CurrentDirection
FiniteGapFeed	内部间隙端口（信号 + 接地）	SignalLocations、GroundLocations、SignalLayers、SignalWidths
ArbitraryFiniteGapFeed	完全可控的共面端口	SignalLocations、GroundLocations、SignalWidths、GroundWidths、SignalLayers、GroundLayers

ProbeFeed（最常见）

f = ProbeFeed('SignalLocations', [-0.0187, 0], ...
    'SignalLayers', 1, 'GroundLayers', 3, ...
    'ViaDiameter', 1e-3, 'ViaModel', 'square');
pcb.FeedDefinitions = f;

EdgeFeed（带状线结构）

对于信号位于第 3 层、接地位于第 1 层和第 5 层的 5 层带状线结构：

f1 = EdgeFeed('SignalLocations', feed1_xy, 'SignalLayers', 3, ...
    'GroundLayers', [1; 5], 'SignalWidths', trace_width);
f2 = EdgeFeed('SignalLocations', feed2_xy, 'SignalLayers', 3, ...
    'GroundLayers', [1; 5], 'SignalWidths', trace_width);
pcb.FeedDefinitions = [f1, f2];

CoaxialFeed（自定义焊盘/反焊盘几何形状）

pad = antenna.Circle('Radius', 0.5e-3);
antipad = antenna.Circle('Radius', 1e-3);
f = CoaxialFeed('PadShape', pad, 'AntipadShape', antipad, ...
    'SignalLayers', 1, 'GroundLayers', 3);
pcb.FeedDefinitions = f;

DeltaGapFeed（内部端口）

f = DeltaGapFeed('SignalLocations', [x, y], 'SignalLayers', 1, ...
    'SignalWidths', 0.5e-3, 'CurrentDirection', [0, 1]);
pcb.FeedDefinitions(end+1) = f;     % Append to existing feeds

多个馈电

通过拼接或追加来构建馈电阵列：

pcb.FeedDefinitions = [f1, f2];          % Row array at once
pcb.FeedDefinitions(end+1) = f3;         % Append incrementally

形状基元参考

有关所有形状基元（走线、弯折、曲线、环形及特殊形状）的完整目录、属性和常见操作，请参阅 references/shape-primitives.md。

注意事项

1. 馈电点位于金属之外：馈电圆（FeedDiameter）必须完全位于馈电位置的金属走线内。距离任何走线边缘至少留出 FeedDiameter/2 的间距，否则会导致求解器报错。

2. BoardThickness 不匹配——设置 Layers 前先设置：BoardThickness 必须与 Layers 中所有介质层的厚度总和完全相等。Layers setter 会根据当前 BoardThickness 进行验证，因此，当总厚度与默认值（1.6 mm）不同时，请先设置 BoardThickness，再设置 Layers。若先设置 Layers，且总厚度不是默认值，则会报错。

3. 层索引：在 Layers 单元格数组中，金属层的索引为奇数（1、3、5……），介质层的索引为偶数（2、4……）。FeedLocations 仅引用金属层索引。

4. 布尔运算顺序：减法与运算顺序有关（A - B ≠ B - A）。第一个操作数定义基体，第二个操作数会从基体中移除。

5. 并集操作中的形状重叠：形状必须重叠或接触，+ 才能生成连通几何体。不相连的形状会生成多体结构，可能导致求解器无法正常处理。

6. 带状线的 FeedViaModel：对于 5 层（带状线）结构，请设置 FeedViaModel，以控制连接内部信号层与外部端口参考的馈电过孔形状。

7. Corner 属性的值为整数：请使用整数设置 Corner：1 = Miter，2 = Smooth（默认值为 Sharp）。使用 "Miter" 等字符串值会导致报错。

8. DGS：捕获返回值并使用单元格数组：dgs 不会原地修改对象，必须捕获输出：ms = dgs(ms, {dgsShape})。此外，请使用单元格数组传入形状，而不是直接传入形状：使用 {dgsShape}，不要使用 dgsShape。

9. IsShielded 会自动切换到 FEM：将 pcb.IsShielded = true 会自动把 SolverType 改为 'FEM'。这是预期行为，但会显著增加求解时间。

10. 绕 z 轴旋转请使用 rotateZ，而不是 rotate：rotate(shape, angle) 需要 4 个参数（角度和定义旋转轴的两个 3D 点）。进行简单的 z 轴旋转时，请使用 rotateZ(shape, angle)。绕其他轴旋转时，同样请分别使用 rotateX 和 rotateY。

11. **FeedFormat 具有排他性。**设置 FeedFormat = 'FeedDefinitions' 会禁用 FeedLocations。不能混用这两种模式，必须二选一。

12. **多接地层的 GroundLayers 使用列向量。**对于两侧均有接地层的带状线结构，请将 GroundLayers 设为列向量：[1; 5]，而不是 [1, 5]。

13. Layers 中的每个介质层都必须是单层对象：不要将多层 dielectric（即 Thickness/EpsilonR 为向量的对象）作为单个条目放入 Layers 单元格数组。每个介质层都必须是独立的 dielectric 对象，且属性值为标量。对于 5 层叠层：pcb.Layers = {metal1, diel1, metal2, diel2, metal3}，其中每个 diel 的 Thickness 都是标量。

相关技能

• matlab-manage-pcb-material — 定义层的介质和金属
• matlab-analyze-em — 分析组装后的结构
• matlab-design-pcb-filter — 使用自定义 pcbComponent 几何体设计滤波器
• matlab-integrate-pcb-circuit — 将多个 pcbComponent 连接起来

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