解锁 PCB 互连设计过程中降低的射频效应

电路板系统互连包括芯片到电路板互连、PCB板内部互连、PCB与外部器件互连三种。 在RF设计中，互连点处的电磁特性是PCB工程面临的主要问题之一。 本文介绍了上述三种互连设计的各种技术，包括器件安装方法、布线隔离和降低引线电感的措施。

目前，有迹象表明印刷设计的频率越来越高。 随着数据速率的不断增长，数据传输所需的带宽也使得信号频率的上限达到1GHz，甚至更高。 虽然这种高频信号技术远远超出了毫米波技术（30GHz）的范围，但它确实涉及射频和低端微波技术。

射频工程设计方法必须能够处理通常发生在较高频率的强电磁场效应。 这些电磁场会在相邻的信号线或 PCB 线上感应信号，导致恼人的串扰（干扰和总噪声）并损害系统性能。 回损主要是由阻抗不匹配引起的，它对信号的影响与加性噪声和干扰相同。

高回波损耗有两个负面影响： 1. 信号反射回信号源会增加系统噪声，使接收端更难区分噪声和信号； 2. 任何反射信号基本上都会降低信号质量，因为输入信号的形状会发生变化。

虽然数字系统只处理1和0信号，容错性很好，但是高速脉冲上升时产生的谐波会导致频率越高，信号越弱。 虽然前向纠错技术可以消除一些负面影响，但是系统的一部分带宽被用来传输冗余数据，导致系统性能下降。 更好的解决方案是让 RF 效应有助于信号完整性而不是破坏它。 建议数字系统最高频率（通常是不良数据点）的总回波损耗为-25dB，相当于VSWR为1.1。

PCB设计的目标是更小、更快和更低成本。 对于RF PCB，高速信号有时会限制PCB设计的小型化。 目前解决串扰问题的主要方法是管理地平面、间隔布线和降低引线电感。 降低回波损耗的主要方法是阻抗匹配。 这种方法包括绝缘材料的有效管理和有源信号线与地线的隔离，特别是有状态跳变的信号线与地线的隔离。

PCB设计

由于互连点是电路链中最薄弱的环节，互连点处的电磁特性是射频设计中工程设计面临的主要问题。 需要对每个互联点进行排查，解决存在的问题。 电路板系统的互连包括芯片到电路板、PCB板内部的互连以及PCB与外部设备之间的信号输入/输出。

芯片与PCB板互连

Pentium IV 和含有大量 I/O 互连点的高速芯片相继推出。 就芯片本身而言，其性能可靠，处理速度达到了1GHz。 在最近的 GHz互连研讨会上，最令人兴奋的是，应对不断增长的 I/O 数量和频率的方法广为人知。 芯片与PCB互连的主要问题是互连密度过高会导致PCB材料的基本结构成为限制互连密度增长的因素。 会上提出了一个创新的解决方案，即利用芯片内部的本地无线发射器将数据传输到相邻的电路板。

不管这个方案是否有效，与会者都很清楚：在高频应用方面，IC设计技术已经遥遥领先于PCB设计技术。

PCB内部互连

高频PCB设计的技巧和方法如下：

1、传输线转角采用45°角，减少回波损耗。

2、使用绝缘常数值严格控制的高性能绝缘电路板。 这种方法有利于有效管理绝缘材料与相邻布线之间的电磁场。

3、完善高精度蚀刻的PCB设计规范。 考虑到指定线宽的总误差为+/-0.0007英寸，管理布线形状的底切和横截面，并指定布线侧壁的电镀条件。 布线（导线）几何形状和涂层表面的整体管理对于解决与微波频率相关的集肤效应问题和实现这些规范非常重要。

4、突出引线中有抽头电感，应避免使用带引线元件。 在高频环境中，首选表面贴装元件。

5、对于信号过孔，避免在敏感板上使用过孔处理（pth）工艺，因为此工艺会导致过孔处产生引线电感。 如果 20 层板上的过孔用于连接第 1 层至第 3 层，则引线电感会影响第 4 层至第 19 层。

6、应提供充足的地平面。 模压孔用于连接这些接地层，以防止3D电磁场对电路板的影响。

7、应选用无电解镀镍或浸金工艺，不得采用喷锡法进行电镀。 电镀表面可以为高频电流提供更好的趋肤效应。 此外，这种高度可焊的涂层需要更少的引线，有助于减少环境污染。

8、阻焊层防止锡膏流动。 但是，由于厚度的不确定性和绝缘性能的不确定性，用阻焊材料覆盖整个板面会导致微带线设计中电磁能量发生较大变化。 阻焊层一般用作焊接屏障。

如果对这些方法不熟悉，可以咨询有经验的从事军用微波电路板设计的设计工程师。 您也可以与他们讨论您可以承受的价格范围。 例如，覆铜共面微带线设计比带状线设计更经济。 您可以与他们讨论这个问题以获得更好的建议。 好的工程师可能不习惯考虑成本，但他们的建议也很有帮助。 现在要尽量培养对射频效应不熟悉，缺乏处理射频效应经验的年轻工程师，这将是一个长期的工作。

此外，还可以采用其他解决方案，如改进计算机模型，使其具有射频效应处理能力。

PCB与外部设备互连

现在我们可以认为我们已经解决了板上和各种分立元件互连上的所有信号管理问题。 如何解决电路板到连接远程设备的线的信号输入/输出问题？ 同轴电缆技术的创新者 Trompeter Electronics 致力于解决这一问题，并取得了一些重要进展。

另外看看pcb给的电磁场。 在这种情况下，我们管理从微带线到同轴电缆的转换。 在同轴电缆中，接地层呈环形交错且间隔均匀。 在微带线中，地平面位于有源线下方。 这引入了一些需要在设计中理解、预测和考虑的边缘效应。 当然，这种不匹配也会导致回波损耗。 这种不匹配必须最小化以避免噪声和信号干扰。

电路板中阻抗问题的处理不是一个可以忽略的设计问题。 阻抗从电路板的表层开始，然后通过焊点到达连接器，最后终止于同轴电缆。 由于阻抗随频率变化，频率越高，管理阻抗就越困难。 使用更高频率在宽带上传输信号的问题似乎是设计中面临的主要问题。