電路設計 - 如何在PCB設計中减少射頻效應？

由於頻率的新增，金屬導體的純電阻將隨著阻抗的新增而新增。 這是因為磁場的作用使電流的傳輸越來越傾向於金屬表面。 另一方面，如果對導體施加直流電，導體橫截面上的電流密度不同且均勻。 當頻率很高時，導體表面的電流傳輸深度很淺（內導體在外表面，外導體在內表面）。 這種現象被稱為皮膚效應。

電路板系統的互連包括晶片到電路板的互連, 網絡互聯 印刷電路板 以及 印刷電路板 和外部設備. 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, 包括設備安裝方法, 接線隔離及降低引線電感的措施.

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。 雖然這種高頻訊號科技遠遠超出毫米波科技（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高頻段產生的強電磁場效應。 這些電磁場會在相鄰的訊號線或印刷電路板線上感應訊號，導致惱人的串擾（干擾和總雜訊）並破壞系統性能。 回波損耗主要由阻抗失配引起，阻抗失配對訊號的影響與加性雜訊和干擾相同。

高回波損耗有兩個負面影響：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。

雖然數位系統只處理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。 建議數位系統的最高頻率（通常是較差的數據點）的總回波損耗為-25dB，相當於1.1的VSWR。

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地平面管理、佈線間距和减小引線電感。 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，尤其是在有狀態跳變的訊號線和地線之間。

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。 有必要對每個互聯點進行調查，並解决存在的問題。 電路板系統的互連包括晶片到電路板、印刷電路板內部的互連以及印刷電路板與外部設備之間的訊號輸入/輸出。

晶片與印刷電路板的互連

無論該方案是否有效，IC設計科技在高頻應用方面都遠遠領先於印刷電路板設計科技。

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.輸電線路轉角處應採用45°角，以减少反向損耗。

2.採用高性能絕緣電路板，絕緣定值嚴格按等級控制。 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.提高印刷電路板的蝕刻精度。 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趨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，應避免使用帶引線的元件。 在高頻環境中，首選表面貼裝組件。

5.對於訊號過孔，避免在敏感板上使用過孔加工（PTH）工藝，因為該工藝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到3時，引線電感可以影響層4到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。 電鍍表面可以為高頻電流提供更好的趨膚效果。 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.阻焊層可防止錫膏流動。 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。 焊料層通常用作阻焊層。

如果你不熟悉這些方法，你可以諮詢一比特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。 你可以和他們討論，得到更好的建議。 優秀的工程師可能不習慣考慮成本，但他們的建議也很有幫助。 現在，我們應該盡最大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，使其具有射頻效應處理能力。

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上的所有訊號管理問題，以及各種分立元件的互連問題。 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反向損失。 這種不匹配必須最小化，以避免雜訊和訊號干擾。

電路板中阻抗問題的管理是一個不容忽視的設計問題。 阻抗從電路板表面開始，然後通過焊點連接到連接器，最後在同軸電纜處結束。 由於阻抗隨頻率變化，頻率越高，管理阻抗就越困難。 使用更高頻率在寬帶上傳輸訊號的問題似乎是設計中的主要問題。