PCB科技 - 减少PCB互連設計中射頻效應的技巧

本文介紹了晶片到電路板的各種技巧, 互連 <一 href="/tw/pcb.html" target="_self" title="印刷電路板">印刷電路板 之間的互連設計 印刷電路板 和外部設備, 包括設備安裝, 接線隔離和降低引線電感的措施, 從而幫助設計師降低射頻效應 印刷電路板 互連設計.

電路板系統的互連包括晶片到電路板、印刷電路板內的互連以及印刷電路板與外部設備的互連。 在射頻設計中，互連點的電磁特性是工程設計面臨的主要問題之一。 本文介紹了上述3種互連設計的各種技巧，包括器件安裝方法、佈線隔離和降低引線電感的措施。

現時，有迹象表明印刷電路板設計的頻率越來越高。 隨著資料速率的不斷增長，資料傳輸所需的頻寬也使得訊號頻率上限達到1GHz甚至更高。 儘管這種高頻訊號科技遠遠超出毫米波科技（3.0ghz）的範圍，但它也涉及射頻和低端微波技術。

射頻工程設計方法必須能够處理通常在高頻段產生的強電磁場效應. 這些電磁場可以在相鄰的訊號線上或 印刷電路板線路, resulting in annoying crosstalk (interference and total noise) and damaging system performance. 回波損耗主要由阻抗失配引起, 對訊號的影響與附加雜訊和干擾相同.

高回報損失有兩個負面影響：

1、反射回信號源的訊號會新增系統雜訊，使接收器更難區分雜訊和訊號；

2、由於輸入信號的形狀發生變化，任何反射訊號基本上都會降低訊號質量。

雖然數位系統僅處理1和0訊號，並且具有很好的容錯性，但高速脈衝上升時產生的諧波將導致頻率越高，訊號越弱。 雖然前向糾錯科技可以消除一些負面影響，但部分系統頻寬用於傳輸冗餘數據，導致系統性能降低。 更好的解決方案是讓射頻效應幫助而不是破壞訊號的完整性。 建議在數位系統頻率（通常為不良數據點）下的總回波損耗為-25dB，相當於1.1的駐波比

印刷電路板設計的目標是更小、更快和更低的成本。 對於rfpcb，高速訊號有時會限制印刷電路板設計的小型化。 現時，解决串擾問題的主要方法是接地層管理、佈線間距和减少引線電感。 降低回波損耗的主要方法是阻抗匹配。 該方法包括絕緣材料的有效管理和有源訊號線和地線的隔離，尤其是訊號線和具有狀態躍變的接地之間的隔離。

由於互連點是電路鏈中的薄弱環節，互連點的電磁特性是射頻設計中工程設計面臨的主要問題。 有必要調查每個互連點並解决存在的問題。 電路板系統的互連包括晶片到電路板、印刷電路板內的互連以及印刷電路板與外部設備之間的訊號輸入/輸出。

a、晶片和印刷電路板之間的互連

奔騰IV和包含大量輸入/輸出互連點的高速晶片已經可用。 就晶片本身而言，其性能可靠，處理速率已達到1GHz。 在近GHz互連研討會上，令人興奮的是，處理不斷增加的輸入/輸出數量和頻率的方法已廣為人知。 晶片與印刷電路板互連的主要問題是，過高的互連密度將導致印刷電路板資料的基本結構成為限制互連密度增長的因素。 會議提出了一種創新的解決方案，即使用晶片內的本地無線發射器將資料傳輸到相鄰的電路板。 無論該方案是否有效，參與者都非常清楚：就高頻應用而言，積體電路設計科技遠遠不是印刷電路板設計科技。

b、印刷電路板中的互連

高頻印刷電路板設計的技巧和方法如下：

1、輸電線路轉角採用45°角，以减少反向損耗

2、採用高性能絕緣電路板，絕緣定值嚴格按電平控制。 這種方法有助於有效管理絕緣材料和相鄰接線之間的電磁場。

3、完善印刷電路板設計規範，實現高精度蝕刻。 考慮指定+/-0.0007英寸的匯流排寬誤差，管理接線形狀的咬邊和橫截面，並指定接線側壁電鍍條件。 佈線（導線）幾何形狀和塗層表面的全面管理對於解决與微波頻率相關的集膚效應問題並實現這些規範非常重要。

4、突出的引線有抽頭電感，應避免有引線的元件。 在高頻環境中使用表面貼裝組件。

5.對於訊號過孔，避免在敏感板上使用過孔加工（PTH）過程，因為該過程將導致過孔處的引線電感。 例如，當20層板上的通孔用於連接層1至3時，引線電感可能會影響層4至19。

6、提供充足的地平面。 應使用模制孔連接這些接地層，以防止3D電磁場對電路板的影響。

7、應選擇非電解鍍鎳或浸金工藝，不得採用HASL法進行電鍍。 這種電鍍表面可以為高頻電流提供更好的集膚效應（圖2）。 此外，這種高度可焊接的塗層需要更少的鉛，這有助於减少環境污染。

8、阻焊層可以防止錫膏的流動。 然而，由於厚度的不確定性和絕緣效能的不確定性，整個板表面覆蓋著阻焊資料，這將導致微帶設計中電磁能量的巨大變化。 焊接層通常用作阻焊層。

如果您不熟悉這些方法，可以諮詢從事軍用微波電路板設計的經驗豐富的設計工程師。 你也可以和他們討論你能負擔得起的價格範圍。 例如，使用銅背共面微帶設計比帶狀線設計更經濟。 你可以與他們討論，以獲得更好的建議。 我們的工程師可能不習慣考慮成本，但他們的建議也很有幫助。 現時，我們應該努力培養不熟悉射頻效應、缺乏射頻效應處理經驗的年輕工程師，這將是一項長期的工作。

此外，還可以採用其他解決方案，例如改進電腦類型以具有射頻效應處理能力。

c、與外部設備的印刷電路板互連

現在可以認為，我們已經解决了電路板和各種離散組件互連上的所有訊號管理問題。 那麼，如何解决從電路板到連接遠程設備的導線的訊號輸入/輸出問題呢？ 同軸電纜科技的創新者Trompeter electronics正致力於解决這一問題，並取得了一些重要進展（圖3）。 此外，請看下圖4所示的電磁場。 在這種情況下，我們管理從微帶到同軸電纜的轉換。 在同軸電纜中，地線層是環形交錯且均勻分佈的。 在微帶中，地平面位於有源線下方。 這引入了一些需要在設計中理解、預測和考慮的邊緣效應。 當然，這種不匹配也會導致回輸。 必須减少這種失配，以避免雜訊和訊號干擾。

The management of impedance problem in circuit board is not a negligible 設計 problem. 阻抗從電路板表面開始, 然後通過焊點連接到連接器，並在同軸電纜處結束. 因為阻抗隨頻率變化, 頻率越高, 管理阻抗越困難. 使用更高頻率在寬帶上傳輸訊號的問題似乎是該領域的主要問題 印刷電路板設計.