PCB设计阻抗不连续怎么办？

周三, 2 十二月 2020 - 15:41

作为PCB设计工程师，大家都知道阻抗要连续。但是，正如罗永浩所说“人生总有几次踩到大便的时候”，PCB设计也总有阻抗不能连续的时候，这时候该怎么办呢？

关于阻抗

先来澄清几个概念，我们经常会看到阻抗、特性阻抗、瞬时阻抗。严格来讲，他们是有区别的，但是万变不离其宗，它们仍然是阻抗的基本定义：

a）将传输线始端的输入阻抗简称为阻抗； 
b）将信号随时遇到的及时阻抗称为瞬时阻抗； 
c）如果传输线具有恒定不变的瞬时阻抗，就称之为传输线的特性阻抗。 
特性阻抗描述了信号沿传输线传播时所受到的瞬态阻抗，这是影响传输线电路中信号完整性的一个主要因素。

如果没有特殊说明，一般用特性阻抗来统称传输线阻抗。影响特性阻抗的因素有：介电常数、介质厚度、线宽、铜箔厚度。

什么是阻抗连续

阻抗连续类似：

水在一条均匀的水沟里稳定的流动，突然水沟来个转折并且加宽了。

那么水在拐弯的地方就会晃动，并且产生水波传播。

这就是阻抗不匹配导致的结果。

阻抗不连续解决方法

1. 渐变线

一些RF器件封装较小，SMD焊盘宽度可能小至12mils，而RF信号线宽可能达50mils以上，要用渐变线，禁止线宽突变。渐变线如图所示，过渡部分的线不宜太长。

2. 拐角

RF信号线如果走直角，拐角处的有效线宽会增大，阻抗不连续，引起信号反射。为了减小不连续性，要对拐角进行处理，有两种方法：切角和圆角。圆弧角的半径应足够大，一般来说，要保证：R>3W。如图右所示。

3. 大焊盘

当50欧细微带线上有大焊盘时，大焊盘相当于分布电容，破坏了微带线的特性阻抗连续性。可以同时采取两种方法改善：首先将微带线介质变厚，其次将焊盘下方的地平面挖空，都能减小焊盘的分布电容。如下图。

4. 过孔

过孔是镀在电路板顶层与底层之间的通孔外的金属圆柱体。信号过孔连接不同层上的传输线。过孔残桩是过孔上未使用的部分。过孔焊盘是圆环状垫片，它们将过孔连接至顶部或内部传输线。隔离盘是每个电源或接地层内的环形空隙，以防止到电源和接地层的短路。

过孔的寄生参数

若经过严格的物理理论推导和近似分析，可以把过孔的等效电路模型为一个电感两端各串联一个接地电容，如下图所示。

过孔的等效电路模型

从等效电路模型可知，过孔本身存在对地的寄生电容，假设过孔反焊盘直径为D2，过孔焊盘的直径为D1，PCB板的厚度为T，板基材介电常数为ε，则过孔的寄生电容大小近似于：

过孔的寄生电容可以导致信号上升时间延长，传输速度减慢，从而恶化信号质量。同样，过孔同时也存在寄生电感，在高速数字PCB中，寄生电感带来的危害往往大于寄生电容。

它的寄生串联电感会削弱旁路电容的贡献，从而减弱整个电源系统的滤波效用。假设L为过孔的电感，h为过孔的长度，d为中心钻孔的直径。过孔近似的寄生电感大小近似于：

过孔是引起RF通道上阻抗不连续性的重要因素之一，如果信号频率大于1GHz，就要考虑过孔的影响。

减小过孔阻抗不连续性的常用方法有：采用无盘工艺、选择出线方式、优化反焊盘直径等。优化反焊盘直径是一种常用的减小阻抗不连续性的方法。由于过孔特性与孔径、焊盘、反焊盘、层叠结构、出线方式等结构尺寸相关，建议每次设计时都要根据具体情况用HFSS和Optimetrics进行优化仿真。

当采用参数化模型时，建模过程很简单。在审查时，需要PCB设计人员提供相应的仿真文档。

过孔的直径、焊盘直径、深度、反焊盘，都会带来变化，造成阻抗不连续性，反射和插入损耗的严重程度。

5. 通孔同轴连接器

与过孔结构类似，通孔同轴连接器也存在阻抗不连续性，所以解决方法与过孔相同。减小通孔同轴连接器阻抗不连续性的常用方法同样是：采用无盘工艺、合适的出线方式、优化反焊盘直径。

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