PCB科技 - 高速PCB設計指南之七：如何降低PCB互連設計中的射頻效應

電路板系統的互連包括三種類型的晶片與電路板之間的互連、PCB板內的互連以及PCB與外部設備之間的互連。 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。 本文介紹了上述三種互連設計的各種科技。 內容包括器件的安裝方法、佈線隔離以及降低引線電感的措施。 還有更多。

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加，資料傳輸所需的頻寬也將訊號頻率的上限提高到1GHz甚至更高。 儘管這種高頻訊號科技遠遠超出了毫米波科技（30GHz）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較高頻帶產生的更强的電磁場效應。 這些電磁場會在相鄰的訊號線或PCB線上感應訊號，導致令人不快的串擾（干擾和總雜訊），並可能損害系統性能。 回波損耗主要由阻抗失配引起，對訊號的影響與加性雜訊和干擾引起的影響相同。

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，使接收機更難區分雜訊和訊號；

2.由於輸入信號的形狀已經改變，任何反射訊號基本上將降低訊號質量。

儘管數位系統只處理1和0訊號，並且具有非常好的容錯性，但高速脈衝上升時產生的諧波會導致頻率越高，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，導致系統性能下降。 一個更好的解決方案是讓射頻效應幫助而不是削弱訊號的完整性。 建議數位系統在最高頻率（通常是較差的數據點）的總回波損耗為-25dB，相當於1.1的VSWR。

PCB設計的目標是更小、更快、更低的成本。 對於射頻PCB，高速訊號有時會限制PCB設計的小型化。 現時，解决串擾問題的主要方法是管理接地平面、間隔佈線和降低引線電感（螺柱電容）。 减小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以及有源訊號線和地線的隔離，特別是在具有過渡狀態的訊號線和地之間。

由於互連點是電路鏈中最薄弱的環節，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。 必須對每個互連點進行調查，並解决存在的問題。 電路板系統的互連包括三種類型的互連：晶片到電路板、PCB板內的互連以及PCB與外部設備之間的訊號輸入/輸出。

一、晶片與PCB板的互連

奔騰IV和包含大量輸入/輸出互連點的高速晶片已經上市。 就晶片本身而言，它的效能是可靠的，處理速率已經能够達到1GHz。 在最近的GHz互連研討會（www.az.ww.com）上，最令人興奮的事情是，處理不斷增加的I/O數量和頻率的方法已經廣為人知。 晶片和PCB之間互連的主要問題是互連密度過高，這將導致PCB資料的基本結構成為限制互連密度增長的因素。 會上提出了一種創新的解決方案，即在晶片內部使用本地無線發射器將資料傳輸到相鄰的電路板。

不管這個方案是否有效，與會者都非常清楚：在高頻應用方面，IC設計科技遠遠領先於PCB設計科技。

二、PCB板互連

高頻PCB設計的技巧和方法如下：

1.輸電線路的轉角應為45°，以减少回波損耗；

2.使用絕緣常數值嚴格按等級控制的高性能絕緣電路板。 這種方法有利於有效管理絕緣材料和相鄰佈線之間的電磁場。

3.突出的引線具有抽頭電感，囙此避免使用帶引線的元件。 在高頻環境中，最好使用表面安裝組件。

4.對於訊號過孔，避免在敏感板上使用過孔處理（pth）工藝，因為該工藝會導致過孔處的引線電感。 例如，當20層板上的過孔用於連接層1至3時，引線電感可以影響層4至19。

5.提供豐富的地平面。 使用模制孔連接這些接地平面，以防止3D電磁場影響電路板。

6.選擇化學鍍鎳或浸金工藝時，不要使用HASL法進行電鍍。 這種電鍍表面可以為高頻電流提供更好的趨膚效果（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。

7.阻焊劑可以防止焊膏的流動。 然而，由於厚度的不確定性和絕緣效能的未知性，電路板的整個表面都覆蓋著阻焊資料，這將導致微帶設計中的電磁能發生很大變化。 通常，焊料壩被用作焊料掩模。

8.改進與高精度蝕刻相關的PCB設計規範。 有必要考慮規定線寬的總誤差為+/-0.007英寸，應管理接線形狀的底切和橫截面，並規定接線側壁的電鍍條件。 佈線（導線）幾何形狀和塗層表面的整體管理對於解决與微波頻率相關的趨膚效應問題並實現這些規範非常重要。 如果你不熟悉這些方法，可以諮詢一比特有經驗的設計工程師，他曾從事過軍用微波電路板的設計。 你也可以和他們討論你能負擔得起的價格範圍。 例如，銅背共面微帶設計比帶狀線設計更經濟。 你可以與他們討論這個問題，以獲得更好的建議。 優秀的工程師可能不習慣考慮成本問題，但他們的建議也很有幫助。 現在，試著培養那些不熟悉射頻效應、缺乏處理射頻效應經驗的年輕工程師。 這將是一項長期工作。

此外，還可以採用其他解決方案，例如改進電腦類型，使其能够處理射頻效應。

三、PCB與外部設備互連

現在可以認為，我們已經解决了板上的所有訊號管理問題以及單個離散組件的互連問題。 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正在努力解决這個問題，並取得了一些重要進展（圖3）。 此外，請查看圖4中給出的電磁場。 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，接地層是交織的環形且均勻間隔的。 在微帶中，接地平面位於有源線下方。 這引入了某些邊緣效應，在設計過程中需要理解、預測和考慮這些效應。 當然，這種失配也會導致回波損耗，並且必須將這種失配最小化，以避免雜訊和訊號干擾。

電路板內阻抗問題的管理不是一個可以忽略的設計問題。 阻抗從電路板表面開始，然後通過焊點到達連接器，最後到達同軸電纜。 由於阻抗隨頻率變化，頻率越高，阻抗管理就越困難。使用更高的頻率在寬帶上傳輸訊號似乎是設計中面臨的主要問題。

本文總結如下：

PCB平臺科技需要不斷改進以滿足積體電路設計者的要求。 PCB設計中高頻訊號的管理和PCB電路板上訊號輸入/輸出的管理需要不斷改進。 無論未來會發生什麼令人興奮的創新，我認為頻寬會越來越高，而高頻訊號科技的使用是實現頻寬持續新增的先決條件。