PCB設計總有幾個(gè)阻抗沒(méi)法連續的地方，怎么辦？

大家都知道阻抗要連續，但是，正如羅永浩所說(shuō)“人生總有幾次踩到大便的時(shí)候”，PCB設計也總有阻抗不能連續的時(shí)候。怎么辦?

特性阻抗：又稱(chēng)“特征阻抗”，它不是直流電阻，屬于長(cháng)線(xiàn)傳輸中的概念。在高頻范圍內，信號傳輸過(guò)程中，信號沿到達的地方，信號線(xiàn)和參考平面(電源或地平面)間由于電場(chǎng)的建立，會(huì )產(chǎn)生一個(gè)瞬間電流，如果傳輸線(xiàn)是各向同性的，那么只要信號在傳輸，就始終存在一個(gè)電流I，而如果信號的輸出電平為V，在信號傳輸過(guò)程中，傳輸線(xiàn)就會(huì )等效成一個(gè)電阻，大小為V/I，把這個(gè)等效的電阻稱(chēng)為傳輸線(xiàn)的特性阻抗Z。信號在傳輸的過(guò)程中，如果傳輸路徑上的特性阻抗發(fā)生變化，信號就會(huì )在阻抗不連續的結點(diǎn)產(chǎn)生反射。影響特性阻抗的因素有：介電常數、介質(zhì)厚度、線(xiàn)寬、銅箔厚度。

【1】漸變線(xiàn)

一些RF器件封裝較小，SMD焊盤(pán)寬度可能小至12mils，而RF信號線(xiàn)寬可能達50mils以上，要用漸變線(xiàn)，禁止線(xiàn)寬突變。漸變線(xiàn)如圖所示，過(guò)渡部分的線(xiàn)不宜太長(cháng)。

【2】拐角

RF信號線(xiàn)如果走直角，拐角處的有效線(xiàn)寬會(huì )增大，阻抗不連續，引起信號反射。為了減小不連續性，要對拐角進(jìn)行處理，有兩種方法：切角和圓角。圓弧角的半徑應足夠大，一般來(lái)說(shuō)，要保證：R>3W。如圖右所示。

【3】大焊盤(pán)

當50歐細微帶線(xiàn)上有大焊盤(pán)時(shí)，大焊盤(pán)相當于分布電容，破壞了微帶線(xiàn)的特性阻抗連續性?？梢酝瑫r(shí)采取兩種方法改善：首先將微帶線(xiàn)介質(zhì)變厚，其次將焊盤(pán)下方的地平面挖空，都能減小焊盤(pán)的分布電容。如下圖。

【4】過(guò)孔

過(guò)孔是鍍在電路板頂層與底層之間的通孔外的金屬圓柱體。信號過(guò)孔連接不同層上的傳輸線(xiàn)。過(guò)孔殘樁是過(guò)孔上未使用的部分。過(guò)孔焊盤(pán)是圓環(huán)狀墊片，它們將過(guò)孔連接至頂部或內部傳輸線(xiàn)。隔離盤(pán)是每個(gè)電源或接地層內的環(huán)形空隙，以防止到電源和接地層的短路。

過(guò)孔的寄生參數

若經(jīng)過(guò)嚴格的物理理論推導和近似分析，可以把過(guò)孔的等效電路模型為一個(gè)電感兩端各串聯(lián)一個(gè)接地電容，如圖1所示。

過(guò)孔的等效電路模型

從等效電路模型可知，過(guò)孔本身存在對地的寄生電容，假設過(guò)孔反焊盤(pán)直徑為D2，過(guò)孔焊盤(pán)的直徑為D1，PCB板的厚度為T(mén),板基材介電常數為ε,則過(guò)孔的寄生電容大小近似于：

過(guò)孔的寄生電容可以導致信號上升時(shí)間延長(cháng)，傳輸速度減慢，從而惡化信號質(zhì)量。同樣，過(guò)孔同時(shí)也存在寄生電感，在高速數字PCB中，寄生電感帶來(lái)的危害往往大于寄生電容。它的寄生串聯(lián)電感會(huì )削弱旁路電容的貢獻，從而減弱整個(gè)電源系統的濾波效用。假設L為過(guò)孔的電感，h為過(guò)孔的長(cháng)度，d為中心鉆孔的直徑。過(guò)孔近似的寄生電感大小近似于：

過(guò)孔是引起RF 通道上阻抗不連續性的重要因素之一，如果信號頻率大于1GHz，就要考慮過(guò)孔的影響。減小過(guò)孔阻抗不連續性的常用方法有：采用無(wú)盤(pán)工藝、選擇出線(xiàn)方式、優(yōu)化反焊盤(pán)直徑等。優(yōu)化反焊盤(pán)直徑是一種最常用的減小阻抗不連續性的方法。由于過(guò)孔特性與孔徑、焊盤(pán)、反焊盤(pán)、層疊結構、出線(xiàn)方式等結構尺寸相關(guān)，建議每次設計時(shí)都要根據具體情況用HFSS和Optimetrics進(jìn)行優(yōu)化仿真。當采用參數化模型時(shí)，建模過(guò)程很簡(jiǎn)單。在審查時(shí)，需要PCB設計人員提供相應的仿真文檔。

過(guò)孔的直徑、焊盤(pán)直徑、深度、反焊盤(pán)，都會(huì )帶來(lái)變化，造成阻抗不連續性，反射和插入損耗的嚴重程度。

【5】通孔同軸連接器

與過(guò)孔結構類(lèi)似，通孔同軸連接器也存在阻抗不連續性，所以解決方法與過(guò)孔相同。減小通孔同軸連接器阻抗不連續性的常用方法同樣是：采用無(wú)盤(pán)工藝、合適的出線(xiàn)方式、優(yōu)化反焊盤(pán)直徑。