朱文舉，陳 娜

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第13研究所 16專業(yè)部，河北 石家莊 050051)

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過(guò)孔傳輸射頻信號(hào)在多層PCB中的設(shè)計(jì)

朱文舉，陳 娜

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第13研究所 16專業(yè)部，河北 石家莊 050051)

為提高過(guò)孔傳輸射頻信號(hào)的工作頻率和頻率帶寬，文中通過(guò)仿真軟件對(duì)多層PCB上的過(guò)孔建立模型進(jìn)行仿真，經(jīng)過(guò)理論分析和參數(shù)優(yōu)化，得到最佳的過(guò)孔尺寸，并根據(jù)仿真結(jié)果加工實(shí)物，驗(yàn)證仿真結(jié)果的可靠性。測(cè)試結(jié)果表明，優(yōu)化后的過(guò)孔設(shè)計(jì)可以用于傳輸10～30 GHz的射頻信號(hào)，其端口駐波在2.0∶1以內(nèi)，插入損耗為1.2～4.3 dB，在10～26 GHz的頻率范圍內(nèi)，其插損<2.7 dB。

過(guò)孔；多層PCB；射頻信號(hào)傳輸

隨著組件產(chǎn)品日益增長(zhǎng)的小型化、輕量化的要求以及工作頻率和工作帶寬的不斷提高，設(shè)計(jì)中為了減小體積，一般采用多層PCB印制板，同時(shí)利用過(guò)孔傳輸射頻信號(hào)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的射頻連接器和微波同軸線纜的使用。一般來(lái)說(shuō)，在頻率低于1 GHz時(shí)，過(guò)孔能起到良好的連接作用，其寄生電容、電感可以忽略[1-4]。當(dāng)頻率高于1 GHz后，過(guò)孔的寄生效應(yīng)對(duì)信號(hào)完整性的影響就不能忽略，尤其是對(duì)寬頻帶的高頻信號(hào)，其寄生效應(yīng)更為復(fù)雜，此時(shí)過(guò)孔在傳輸路徑上表現(xiàn)為阻抗不連續(xù)的斷點(diǎn)，會(huì)產(chǎn)生信號(hào)的反射、延時(shí)、衰減等信號(hào)完整性問(wèn)題[5-7]。

目前，有關(guān)過(guò)孔研究基本是采用仿真軟件來(lái)模擬過(guò)孔參數(shù)對(duì)過(guò)孔阻抗及S參數(shù)的影響[8-10]。不能準(zhǔn)確給出過(guò)孔參數(shù)的影響程度，難以指導(dǎo)實(shí)際工程設(shè)計(jì)。為提高過(guò)孔傳輸射頻信號(hào)的頻率和工作帶寬，本文對(duì)多層PCB上的過(guò)孔進(jìn)行建模仿真，通過(guò)理論分析，優(yōu)化參數(shù)得到最佳的過(guò)孔尺寸。根據(jù)仿真結(jié)果，加工實(shí)物進(jìn)行測(cè)試，最后給出了達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)和結(jié)論。

1 過(guò)孔的定義

在多層PCB設(shè)計(jì)中，過(guò)孔一般指用作層間電氣連接的孔，可以用來(lái)連接電源和控制信號(hào)，也可以用來(lái)傳輸射頻信號(hào)[11]。過(guò)孔一般由金屬柱、焊盤(pán)和反焊盤(pán)組成，金屬柱是不同層之間的電氣互連通路，焊盤(pán)是金屬柱與層上傳輸線相連的過(guò)渡區(qū)域，反焊盤(pán)用以隔絕焊盤(pán)與信號(hào)層上其他傳輸線。在PCB設(shè)計(jì)中，過(guò)孔的尺寸越小越好，這樣可以節(jié)省布線空間，滿足小型化的要求，而且過(guò)孔越小，其寄生效應(yīng)越小，對(duì)產(chǎn)品性能所產(chǎn)生的影響也就越小。但是過(guò)孔越小，對(duì)PCB加工工藝的要求越高，提高加工成本，需要綜合考慮來(lái)平衡兩者之間的矛盾。

2 過(guò)孔的寄生效應(yīng)

過(guò)孔本身存在寄生效應(yīng)，包括寄生電容和寄生電感。產(chǎn)品的工作頻率越高，寄生效應(yīng)對(duì)其工作性能的影響就越明顯。傳輸線經(jīng)過(guò)過(guò)孔時(shí)，阻抗通常會(huì)減小12%(具體與過(guò)孔的尺寸以及PCB的板材有關(guān))[12]。因此，通過(guò)選擇合適的板材以及過(guò)孔尺寸，可以降低由于阻抗不連續(xù)性所引起的反射。過(guò)孔結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 過(guò)孔結(jié)構(gòu)

2.1 過(guò)孔的寄生電容

假設(shè)PCB板材的介電常數(shù)為ε，則過(guò)孔的寄生電容大小可近似表示為[13]

(1)

其中，D1為過(guò)孔的外徑；h為過(guò)孔的長(zhǎng)度也就是PCB板的厚度；D2為反焊盤(pán)的直徑。

高頻電路中，采用介電常數(shù)較小、厚度較薄的板材，同時(shí)減小過(guò)孔焊盤(pán)直徑，增加反焊盤(pán)的直徑，可以達(dá)到減小過(guò)孔寄生電容的目的。

2.2 過(guò)孔的寄生電感

過(guò)孔的寄生電感會(huì)削弱旁路電容的作用，從而減弱整個(gè)電源系統(tǒng)的濾波效果，造成傳輸信號(hào)的泄露和串?dāng)_，對(duì)產(chǎn)品性能的影響更大。

過(guò)孔的寄生電感L為

(2)

其中，h表示表示PCB板的厚度；d表示過(guò)孔的內(nèi)徑。

可以看出，PCB板的厚度對(duì)其寄生電感的影響較大，減小其厚度可以降低過(guò)孔產(chǎn)生的寄生效應(yīng)。但是，在實(shí)際工程應(yīng)用中，越來(lái)越多的電路設(shè)計(jì)要求使用多層PCB實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的功能，使得PCB板的厚度無(wú)法太小，因此需要從其他方面入手來(lái)改善過(guò)孔的寄生效應(yīng)。

3 過(guò)孔模型仿真

通過(guò)上述分析，應(yīng)用仿真軟件對(duì)6層PCB板上的過(guò)孔建立模型如圖2所示。PCB采用聚四氟和環(huán)氧板材混壓的共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，該6層板總厚度為1.2 mm，頂層和底層都采用介電常數(shù)為2.2、厚度為0.254 mm的聚四氟板材，其它層使用環(huán)氧。模型中，設(shè)置射頻帶線的寬度為0.66 mm，與地之間的距離為0.5 mm；過(guò)孔的內(nèi)徑為0.4 mm，焊盤(pán)直徑為1.0 mm，反焊盤(pán)直徑為1.416 mm。仿真曲線如圖3所示，可以看出在DC～30 GHz的頻率范圍內(nèi)，端口的回波損耗S11和S22均在-20 dB以下。

圖2 過(guò)孔的仿真模型

圖3 過(guò)孔的仿真結(jié)果

4 過(guò)孔模型的實(shí)物驗(yàn)證

根據(jù)仿真結(jié)果加工樣品如圖4所示，輸入、輸出接插件采用SMA-K2.92，與帶線之間通過(guò)金帶連接。利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試，結(jié)果如圖5所示。在10～30 GHz以內(nèi)，樣品的端口駐波均在2.0以下，插損為1.2～4.3 dB；在10～26 GHz以內(nèi)，插損為1.2～2.7 dB。

圖4 樣品照片

圖5 樣品測(cè)試曲線

5 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)過(guò)孔進(jìn)行建模仿真，優(yōu)化參數(shù)得到最佳的過(guò)孔尺寸。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，在10～30 GHz的頻率范圍內(nèi)，過(guò)孔傳輸射頻信號(hào)完全可以滿足實(shí)際工程應(yīng)用的需求。

由于該過(guò)孔模型是建立在理想邊界條件下，即PCB板接地面與盒體接觸良好，在實(shí)際應(yīng)用中，PCB板與盒體間必然有一定的縫隙，輸入、輸出端口與帶線之間的不連續(xù)，導(dǎo)致實(shí)測(cè)結(jié)果比仿真曲線略有惡化[14]。一般而言，不連續(xù)性是一種輻射源，它將產(chǎn)生輻射和高次模，引起信號(hào)的衰減、有害的耦合和串?dāng)_，從而引起傳輸性能的惡化，隨著頻率的升高，這種不連續(xù)的影響將愈發(fā)突出[15]。在后續(xù)的研究中，可以考慮將PCB板側(cè)壁進(jìn)行金屬化處理，使各層地之間通過(guò)側(cè)壁連接在一起，再與盒體緊密接觸，降低這種不連續(xù)性對(duì)傳輸性能的影響，進(jìn)一步提高過(guò)孔傳輸射頻信號(hào)的頻率。

[1] Richard W Y C,See K Y,Chua E K.Comprehensive analysis of the impact of via design on high-speed signal integrity[C]. Combridge,USA:9th Electronics Packaging Technology Conference,2007.

[2] Laermans E,Geest J D,Zutter D D,et al.Modeling complex vìa hole structures[J].IEEE Transactions on Advanced Packaging,2002,25(2):206-214.

[3] Kohlmeier D.Via modeling[J].Printed Circuit Design & Manufacture,2005,22(12):26-28.

[4] 王紅飛,陳蓓.高速PCB單端過(guò)孔研究[J].印制電路信息,2014(7):10-11.

[5] 胡勁松.LVDS信號(hào)完整性分析及高速背板設(shè)計(jì)[D].南京:東南大學(xué),2004.

[6] 金煒東.高速PCB信號(hào)完整性分析及應(yīng)用[D].成都:西南交通大學(xué),2006.

[7] Bogatin E.信號(hào)完整性分析[M].李玉山,李麗平,譯.北京:電子工業(yè)出版社,2005.

[8] Cai X W,Tian Y,Tong L.Electromagnetic characterization analysis of the connecting structure of the via in multilayered microwave circuit[C].Nanjing,China:Global Symposium Millimeter Waves,2008.

[9] Kim Y W,Kim J H,Yang H W,et al.A new via hole structure of MLB (Multi-Layered printed circuit Board) for RF and high speed systems[C].Lake Buena Vista,USA:55th Electronic Components & Technology Conference,2005.

[10] Wang C,Fan J,Knighten J L,et al.The effects of via transition on differential signals[C]. Singapore:IEEE Electrical Performance of Electronic Packaging,2001.

[11] 吳成,盧滿宏,周三文,等.多層高速PCB通孔分析與設(shè)計(jì)[J].遙測(cè)遙控,2015,36(2):33-34.

[12] 王紅飛,李志東.高速PCB過(guò)孔設(shè)計(jì)研究進(jìn)展[J].印制電路信息,2012(5):18-19.

[13] 王永軍,王俊鳴.高速多層PCB 板中過(guò)孔的建模、仿真及分析[J].電子科技,2013,26(9):41-42.

[14] 張松松,劉飛飛.高速電路板級(jí)信號(hào)完整性設(shè)計(jì)[J].電子科技,2013,26(10):106-109.

[15] 甘體國(guó).毫米波工程[M].成都:電子科技大學(xué)出版社,2006.

Design of RF Signal Transmission on Multilayer PCBs by Vias

ZHU Wenju,CHEN Na

(16thDepartment, 13thInstitute of China Electronics Technology Group Corporation, Shijiazhuang 050051, China)

In order to improve the operation frequency and frequency width of RF (radio frequency) signal transmission by vias in the design of multilayer PCBs, the via model is constructed through simulation software and the optimum via parameters are obtained by theoretical analysis and optimization of the model parameters. Based on the simulation results, a module is manufactured which validated the reliability of the simulation. Test results show that vias can be used to transmit the RF signal of 10～30 GHz with a port VSWR less than 2.0∶1, a insertion loss between 1.2 dB and 4.3 dB, a frequency range between 10 GHz and 26 GHz, and an insertion loss less than 2.7 dB.

via; multilayer PCB; RF signal transmission

2016- 12- 19

朱文舉(1983-)，男，碩士，工程師。研究方向：多通道寬帶接收機(jī)等。陳娜(1989-)，女，碩士，助理工程師。研究方向：微波寬帶接收機(jī)等。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.07.036

TN817

A

1007-7820(2017)07-130-03