基于通孔根與同軸連接器的印刷電路板信號(hào)發(fā)射設(shè)計(jì)

在從事信號(hào)完整性/射頻工程師的工作當(dāng)中，遇到過的許多客戶曾提出要求，在用于同軸測(cè)試連接器的印刷電路板 （PCB） 信號(hào)發(fā)射的設(shè)計(jì)方面需要協(xié)助?？蛻粢话銓⑦@類連接器用于印刷電路板，從而測(cè)試其他產(chǎn)品，例如背板或 I/O 連接器等等。他們希望將測(cè)試連接器和印刷電路板信號(hào)發(fā)射的帶寬提高到最大程度，從而盡可能清楚的了解所需被測(cè)設(shè)備 （DUT）。鑒于這一目標(biāo)，我需要提問一些問題，以便了解客戶到底想要做些什么。這些問題包括：

1. 印刷電路板的材料是什么？

2. 印刷電路板的堆疊方式是什么？

3. 傳輸線的結(jié)構(gòu)是什么？

4. 信號(hào)路由所在的層有哪些？

5. 對(duì)于內(nèi)層上的信號(hào)，信號(hào)通孔采用反鉆還是盲孔？

6. 如果反鉆信號(hào)通孔，那么通孔根的最大可能長(zhǎng)度是多少？

7. 測(cè)試連接器與信號(hào)發(fā)射的所需性能如何（一般指回波損耗或 VSWR）？

在印刷電路板的設(shè)計(jì)領(lǐng)域，我個(gè)人常見的一般有三種通孔：經(jīng)由通孔、反鉆通孔和盲孔。示例如下。本文的目的在于提供一種相對(duì)簡(jiǎn)單的方式來為反鉆通孔建模，并且為無法使用或者不會(huì)使用電氣建模工具的人員提出一些簡(jiǎn)要的經(jīng)驗(yàn)法則。因此，我將回答前面列表中的最后三個(gè)問題。

對(duì)于問題 7，對(duì)于“良好”的信號(hào)發(fā)射，本人將其定義為在最大測(cè)試頻率下回波損耗不高于 20dB 的連接器/信號(hào)發(fā)射。此外，將信號(hào)發(fā)射的帶寬定義為回波損耗超出 20dB 時(shí)的最大頻率。

3 層上路由信號(hào)的反鉆通孔

2 層上路由信號(hào)的盲孔

鍍層經(jīng)由通孔（以移除所有無功能的連接墊）

模型

首先介紹連接器的信號(hào)發(fā)射的基本傳輸線路圖。該連接器稱為同軸線。

為了簡(jiǎn)化該模型以便可以專門研究通孔根，我們假設(shè)走線和負(fù)載處于理想條件，而同軸線和通孔則作為理想的傳輸線。換句話說，這些因素都不存在損耗，具有相同的特性阻抗。

Z同軸 = Z通孔 = Z走線 = Z根 = Z負(fù)載 = Z0

眾所周知，這些假設(shè)其實(shí)并不現(xiàn)實(shí)。比如說，走線在退出通孔時(shí)沒有參考平面，并且我們會(huì)忽略連接墊的任何雜散電容。然而，這些假設(shè)可以使我們清楚的了解通孔或者通孔根這一開路的影響?，F(xiàn)在我們了解通孔根和理想負(fù)載在并聯(lián)組合后所產(chǎn)生的輸入阻抗。

現(xiàn)在我們將單獨(dú)檢查開路通孔根。該通孔根的輸入阻抗為：

其中l(wèi) = 根長(zhǎng)度

此表達(dá)式可簡(jiǎn)化為：

在余切的參量中，需要替換掉

這樣可以獲得所需形式的開路通孔根的輸入阻抗。

該輸入阻抗與理想負(fù)載并聯(lián)。并聯(lián)組合的輸入阻抗為：

可以簡(jiǎn)化為：

將分母消根并簡(jiǎn)化后，最后獲得的輸入阻抗為

該等式在電子表格中可以方便的實(shí)現(xiàn)。

本人已經(jīng)在 ANSYS？ HFSS？ 中采用各種路由方式、印刷電路板材料和通孔根長(zhǎng)度來運(yùn)行 Molex SMA （73251-3480）、2.92 毫米 （73252-0090） 和 2.40 毫米 （73387-0020） 壓縮安裝測(cè)試連接器。

經(jīng)驗(yàn)法則：根據(jù)匯編的數(shù)據(jù)，考慮到采用的開路通孔根，連接器和發(fā)射信號(hào)的最大帶寬的估計(jì)值，對(duì)于 50 歐姆系統(tǒng)為阻抗幅值（幅值 （Z） 列）超過 48 歐姆下的頻率。（對(duì)于 75 歐姆系統(tǒng)為超過 72 歐姆下）

在下頁的表中，電子表格中的 48 歐姆列提供了電子表格幅值 （Z） 列約為 48 歐姆下以 GHz 計(jì)的頻率。RL 20dB 模型一列提供了 HFSS？ 模型回波損耗超過 20dB 下以 GHz 計(jì)的頻率。（參見本文末尾的圖表。）每個(gè)模型中都包含一個(gè)連接器和采用 5 毫米帶狀線走線的印刷電路板。

2.4 毫米連接器的所有帶寬估計(jì)值（電子表格中的 48 歐姆）都處于模型回波損耗 20dB 下實(shí)際頻率的 30% 范圍內(nèi)。48GHz 下超出最短根長(zhǎng)度限值，接近 2.40 毫米接口自身的額定帶寬。

紅色 = 幅值（百分誤差）大于 30；藍(lán)色 = 幅值（百分誤差）小于 30

對(duì)于 2.92 毫米連接器來說，0.15 毫米通孔根的限值也是 48GHz，超出 2.92 毫米接口的額定帶寬。換句話說，在該模型中開路通孔根不構(gòu)成限制因素。

此次特定的 SMA 信號(hào)發(fā)射對(duì)于采用盲孔的設(shè)計(jì)是首次嘗試，最終將升至 20 GHz。為了此次調(diào)查研究目的，在模型中添加了通孔根。經(jīng)驗(yàn)法則再次偏離了較短的通孔根，因?yàn)槌诉@些長(zhǎng)度的通孔根外，還存在其他問題限制著發(fā)射帶寬。

通孔根研究：SMA

通孔根研究：2.92 毫米

通孔根研究：2.4 毫米

結(jié)論

1.在應(yīng)該使系統(tǒng)帶寬達(dá)到最大的情況下，不得忽視反鉆通孔的開路通孔根。

2.以上所述的“經(jīng)驗(yàn)法則”似乎是對(duì)開路通孔根所施加帶寬限值的合理估計(jì)。再次強(qiáng)調(diào)，此估計(jì)值適用于無法使用或者不會(huì)使用電氣建模工具的人員。