在過去二十年中，多層 PCB 幾乎已成為所有電子設(shè)計(jì)的必需品。這有幾個(gè)原因：
· IC 上更高的引腳密度和引腳數(shù)量增加了我們?cè)O(shè)計(jì)的布線密度。
· 二十年前，日常使用中還沒有 QFN 和 144 引腳封裝。
· 我們的電路運(yùn)行速度可能增加了四倍。
· 二十年前，射頻通常被定義為 1 GHz 以下的一切;現(xiàn)在 RF 是 6 GHz 以下的一切。
這些速度和密度也推動(dòng)了 PCB 設(shè)計(jì)。 20 年前，我們可能僅使用微帶線作為 RF 走線，而如今，我們?cè)诙鄬釉O(shè)計(jì)中使用微帶線、共面波導(dǎo)和帶狀線 [1][2]。
在射頻設(shè)計(jì)中，我們通常只需要使用基頻工作。例如：在 2.4 GHz RF 設(shè)計(jì)中，目標(biāo)是在我們的電路板上產(chǎn)生良好的 2.4 GHz 正弦波，且諧波較低。我們需要關(guān)注的頻率實(shí)際上是 2.4 GHz。
在數(shù)字設(shè)計(jì)中，目標(biāo)是在我們的板上有一個(gè)漂亮的方波。 1 GHz 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)需要是方形的才能獲得良好的眼圖。這意味著這些跡線的真實(shí)工作帶寬需要至少是基頻的五倍或 5 GHz。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于高質(zhì)量的數(shù)字信號(hào)，您至少需要通過該信號(hào)的 5次 諧波。
當(dāng)然，這兩條規(guī)則也有例外，但對(duì)于我們遇到的大多數(shù)信號(hào)和設(shè)計(jì)來說，它們都是正確的。
在 6 GHz 時(shí)，F(xiàn)R-4 PCB 材料上的波長僅為約 1 英寸。以我們今天使用的速度和頻率，我們可以輕松地在電路板上獲得一個(gè)或更多波長，因此過孔間距開始成為一個(gè)重要問題。
PCB 的正確過孔間距是多少?如果弄錯(cuò)了會(huì)怎樣?
接地過孔
多層 PCB，特別是為 RF 設(shè)計(jì)時(shí)，可能有多層接地;甚至信號(hào)層通常也有接地。這些接地需要全部連接在一起，以防止它們本身像短截線或傳輸線段一樣?；蛘邠Q句話說，它們需要在 PCB 的所有工作頻率下都具有低阻抗，否則它們看起來不再像接地 – 它們開始看起來對(duì)其上的信號(hào)有反應(yīng)。
任何銅片，如果沒有終止其特性阻抗，都可以在其中流動(dòng)的電流頻率的 1/4 波長處(以及此后的每 1/2 波長處)諧振。通常，我們通過在接地層周圍以一定間隔放置縫合過孔來控制這一點(diǎn)。但這個(gè)間隔是多少呢?
我見過工作頻率為 100 MHz 的小型 FM 發(fā)射器模塊，過孔間距為 30 密耳，而且我親自構(gòu)建過過孔間距為 250 密耳的 1 GHz 射頻電路(參見圖 1)。顯然，30 密耳間距的 FM 發(fā)射器可以發(fā)揮作用，因?yàn)樗?1/4 波長更近，但這樣是否太過分了?
圖 1：1 GHz 接收器中使用的 1 GHz PLL 合成器的一部分。小灰色網(wǎng)格點(diǎn)的間距為 0.05 英寸。接地過孔(黃色圓圈)的平均間距約為 250 密耳。該電路在這種通孔間距下運(yùn)行良好，沒有接地阻抗問題的跡象。
間距計(jì)算
幾年前，我聽到了一條經(jīng)驗(yàn)法則：“如果您將接地過孔的間距控制在 1/8 波長或更小，那么您的接地平面將看起來像堅(jiān)實(shí)的地面?！?
這是基于一般的 RF 短截線長度原理：“當(dāng)走線上的短截線接近 1/8 波長時(shí)，它就開始成為問題?！倍探鼐€是從終止走線延伸出去的任何一塊銅片 。
有效的短截線也可以形成在接地平面上。在銅接地層的一部分上，兩端均通過接地過孔終止，但中間不終止。當(dāng)接地通孔之間的間距長度超過波長的 1/8 時(shí)，中間部分的阻抗實(shí)際上看起來非?；钴S。
在我們以 6 GHz 運(yùn)行的 FR-4 PCB 示例中，波長可以根據(jù)眾所周知的公式計(jì)算得出：
其中 F = MHz，λ(波長)= 米，Er = 4.4(對(duì)于典型的 FR-4 PCB 材料 [6])。
對(duì)于 FR-4 PCB 材料的表格形式，波長的 1/8 大約為：
圖 2：計(jì)算出 FR-4 PCB 材料上不同頻率的 1/8 波長。
圖 2 顯示了一個(gè)有趣的結(jié)果：例如，對(duì)于以 100 MHz 運(yùn)行的小型 2×2 英寸 FM 發(fā)射器 PCB，電路板每個(gè)角上的單個(gè)過孔將遠(yuǎn)小于波長的 1/8!從 RF 角度來看，該板可以正常工作!
然而，有
一些電路警告需要注意：在模擬設(shè)計(jì)中，特別是用寬帶放大器和其他具有增益的寬帶部件設(shè)計(jì)的電路，我們可能會(huì)設(shè)計(jì)一個(gè) 1 GHz 電路，其中可能包含具有以下功能的放大器：帶寬超過 6-10 GHz 或更高。我們可能希望在電路的所有有用帶寬上保持接地牢固和低阻抗，否則我們可能會(huì)錯(cuò)誤地構(gòu)建振蕩器。如果我們電路的某些部分(甚至是接地層)在放大器的有用增益帶寬中以足夠的增益和足夠高的 Q 值諧振以引起振蕩，則可能會(huì)發(fā)生這種情況。
第二個(gè)警告：此間距原則可能不適用于 IC(尤其是數(shù)字 IC)周圍電源電路或去耦電路中使用的接地過孔。請(qǐng)記住，數(shù)字信號(hào)必須至少以良好的保真度通過 5 次諧波，才能保持這些方波真正為方波。
測量
為了向自己證明這一點(diǎn)，我制作了一個(gè)簡單的波導(dǎo)共面 PCB 樣本 ，并沿跡線以 200 密耳的間隔間隔開過孔。然后，我使用網(wǎng)絡(luò)分析儀運(yùn)行了 S21 直通測量(圖 3)。
理論上，200 密耳的間距約為 4 GHz 波長的 1/8。果然，在大約 5 GHz 時(shí)可以看到 S21 響應(yīng)中的一些輕微偏差，但直到大約 9 GHz 時(shí)，情況才真正失控，出現(xiàn)相當(dāng)大的下降;過了這一步，反應(yīng)就真的崩潰了。這都是因?yàn)榻拥剡^孔之間的接地平面部分不再看起來像低阻抗接地，而是實(shí)際上正在諧振。
其他間距注意事項(xiàng)
有時(shí)，構(gòu)建過孔柵欄是為了將一個(gè)電路的各個(gè)部分與另一個(gè)電路隔離開。這在射頻和模擬設(shè)計(jì)中特別有用，因?yàn)殡娐返囊粋€(gè)部分必須與另一部分隔離。
將接地過孔間隔在 1/8 波長處也能提供良好的隔離，但對(duì)于可用的最終隔離(即大于現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)分析儀可以測量的 120 dB)，我們發(fā)現(xiàn)應(yīng)保持過孔間隔至波長的 1/20 或更小。這里的設(shè)計(jì)問題實(shí)際上是“波導(dǎo)超出截止”類型的設(shè)計(jì)問題，并且過去已經(jīng)以這種方式進(jìn)行了分析[7][8]。此類分析的結(jié)果與 1/20 波長的經(jīng)驗(yàn)法則以及我設(shè)計(jì)極高隔離度開關(guān)矩陣 PCB 的經(jīng)驗(yàn)相當(dāng)。
圖 3：根據(jù)參考文獻(xiàn) 1 構(gòu)建了波導(dǎo) PCB 共面樣本。通孔間距設(shè)置為 200 密耳，這對(duì)應(yīng)于約 4 GHz 的 1/8 波長間距?？梢钥闯觯己弥本€損耗偏差的第一個(gè)跡象出現(xiàn)在 5 GHz 左右。在 9 GHz 時(shí)會(huì)出現(xiàn)相當(dāng)大的偏差，此后響應(yīng)確實(shí)會(huì)變得非常錯(cuò)誤。
總結(jié)
最重要的點(diǎn)是，大多數(shù)類型的數(shù)字和模擬電路的接地過孔間距相當(dāng)寬松。即使在高性能電路上，100 密耳間距也能在超過 6 GHz 的頻率下可靠運(yùn)行。
我發(fā)現(xiàn) PCB 設(shè)計(jì)師失眠的另一件事是：設(shè)計(jì)的某些部分總是無法按照您想要的間隔擠入接地過孔。由于大多數(shù)設(shè)計(jì)人員放置的過孔數(shù)量超出了絕對(duì)必要的數(shù)量，因此缺少一兩個(gè)通常不會(huì)產(chǎn)生任何影響。
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