【導(dǎo)讀】相信有些資歷的工程師都知道，用于同軸連接器的PCB信號(hào)發(fā)射，需要從旁協(xié)助。這一類的連接器被廣泛應(yīng)用于印刷電路板中，那么使用通孔根協(xié)助同軸連接器來(lái)發(fā)射PCB信號(hào)，這類連接器該如何設(shè)計(jì)？本文就來(lái)解答。
在從事信號(hào)完整性/射頻工程師的工作當(dāng)中，遇到過(guò)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。客戶一般將這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(wèn)一些問(wèn)題，以便了解客戶到底想要做些什么。這些問(wèn)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(jiàn)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(lái)為反鉆通孔建模，并且為無(wú)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(wèn)題。
對(duì)于問(wèn)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。
圖1 3層上路由信號(hào)的反鉆通孔
圖2 2層上路由信號(hào)的盲孔
圖3 鍍層經(jīng)由通孔（以移除所有無(wú)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。
圖4
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(shuō)，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(shuō)，走線在退出通孔時(shí)沒(méi)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。
圖5
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(lái)運(yùn)行MolexSMA(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(guò)48歐姆下的頻率。（對(duì)于75歐姆系統(tǒng)為超過(guò)72歐姆下）
在下頁(yè)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。RL20dB模型一列提供了HFSS?模型回波損耗超過(guò)20dB下以GHz計(jì)的頻率。（參見(jiàn)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。
圖6
圖7
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(lái)說(shuō)，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(shuō)，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20GHz。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(wèn)題限制著發(fā)射帶寬。
結(jié)語(yǔ)
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(wú)法使用或者不會(huì)使用電氣建模工具的人員。
相關(guān)閱讀：
PCB設(shè)計(jì)徹底解決電源散熱問(wèn)題的契機(jī)在哪？
優(yōu)化PADS系列產(chǎn)品的復(fù)雜設(shè)計(jì)，且看IC封裝和PCB設(shè)計(jì)怎么表現(xiàn)
減少引腳數(shù)量還能改進(jìn)PCB設(shè)計(jì)的“秘密”——裸露焊盤
