高性能 PCB 上的过孔间距

[导读]在射频设计中，我们通常只需要使用基频工作。例如：在 2.4 GHz RF 设计中，目标是在我们的电路板上产生良好的 2.4 GHz 正弦波，且谐波较低。我们需要关注的频率实际上是 2.4 GHz。

在过去二十年中，多层 PCB 几乎已成为所有电子设计的必需品。这有几个原因：

· IC 上更高的引脚密度和引脚数量增加了我们设计的布线密度。

· 二十年前，日常使用中还没有 QFN 和 144 引脚封装。

· 我们的电路运行速度可能增加了四倍。

· 二十年前，射频通常被定义为 1 GHz 以下的一切;现在 RF 是 6 GHz 以下的一切。

这些速度和密度也推动了 PCB 设计。 20 年前，我们可能仅使用微带线作为 RF 走线，而如今，我们在多层设计中使用微带线、共面波导和带状线 [1][2]。

在射频设计中，我们通常只需要使用基频工作。例如：在 2.4 GHz RF 设计中，目标是在我们的电路板上产生良好的 2.4 GHz 正弦波，且谐波较低。我们需要关注的频率实际上是 2.4 GHz。

在数字设计中，目标是在我们的板上有一个漂亮的方波。 1 GHz 数字数据信号需要是方形的才能获得良好的眼图。这意味着这些迹线的真实工作带宽需要至少是基频的五倍或 5 GHz。根据经验，对于高质量的数字信号，您至少需要通过该信号的 5次谐波。

当然，这两条规则也有例外，但对于我们遇到的大多数信号和设计来说，它们都是正确的。

在 6 GHz 时，FR-4 PCB 材料上的波长仅为约 1 英寸。以我们今天使用的速度和频率，我们可以轻松地在电路板上获得一个或更多波长，因此过孔间距开始成为一个重要问题。

PCB 的正确过孔间距是多少?如果弄错了会怎样?

接地过孔

多层 PCB，特别是为 RF 设计时，可能有多层接地;甚至信号层通常也有接地。这些接地需要全部连接在一起，以防止它们本身像短截线或传输线段一样。或者换句话说，它们需要在 PCB 的所有工作频率下都具有低阻抗，否则它们看起来不再像接地 – 它们开始看起来对其上的信号有反应。

任何铜片，如果没有终止其特性阻抗，都可以在其中流动的电流频率的 1/4 波长处(以及此后的每 1/2 波长处)谐振。通常，我们通过在接地层周围以一定间隔放置缝合过孔来控制这一点。但这个间隔是多少呢?

我见过工作频率为 100 MHz 的小型 FM 发射器模块，过孔间距为 30 密耳，而且我亲自构建过过孔间距为 250 密耳的 1 GHz 射频电路(参见图 1)。显然，30 密耳间距的 FM 发射器可以发挥作用，因为它比 1/4 波长更近，但这样是否太过分了?

图 1：1 GHz 接收器中使用的 1 GHz PLL 合成器的一部分。小灰色网格点的间距为 0.05 英寸。接地过孔(黄色圆圈)的平均间距约为 250 密耳。该电路在这种通孔间距下运行良好，没有接地阻抗问题的迹象。

间距计算

几年前，我听到了一条经验法则：“如果您将接地过孔的间距控制在 1/8 波长或更小，那么您的接地平面将看起来像坚实的地面。”

这是基于一般的 RF 短截线长度原理：“当走线上的短截线接近 1/8 波长时，它就开始成为问题。”短截线是从终止走线延伸出去的任何一块铜片。

有效的短截线也可以形成在接地平面上。在铜接地层的一部分上，两端均通过接地过孔终止，但中间不终止。当接地通孔之间的间距长度超过波长的 1/8 时，中间部分的阻抗实际上看起来非常活跃。

在我们以 6 GHz 运行的 FR-4 PCB 示例中，波长可以根据众所周知的公式计算得出：

其中 F = MHz，λ(波长)= 米，Er = 4.4(对于典型的 FR-4 PCB 材料 [6])。

对于 FR-4 PCB 材料的表格形式，波长的 1/8 大约为：

图 2：计算出 FR-4 PCB 材料上不同频率的 1/8 波长。

图 2 显示了一个有趣的结果：例如，对于以 100 MHz 运行的小型 2×2 英寸 FM 发射器 PCB，电路板每个角上的单个过孔将远小于波长的 1/8!从 RF 角度来看，该板可以正常工作!

然而，有

一些电路警告需要注意：在模拟设计中，特别是用宽带放大器和其他具有增益的宽带部件设计的电路，我们可能会设计一个 1 GHz 电路，其中可能包含具有以下功能的放大器：带宽超过 6-10 GHz 或更高。我们可能希望在电路的所有有用带宽上保持接地牢固和低阻抗，否则我们可能会错误地构建振荡器。如果我们电路的某些部分(甚至是接地层)在放大器的有用增益带宽中以足够的增益和足够高的 Q 值谐振以引起振荡，则可能会发生这种情况。

第二个警告：此间距原则可能不适用于 IC(尤其是数字 IC)周围电源电路或去耦电路中使用的接地过孔。请记住，数字信号必须至少以良好的保真度通过 5 次谐波，才能保持这些方波真正为方波。

测量

为了向自己证明这一点，我制作了一个简单的波导共面 PCB 样本，并沿迹线以 200 密耳的间隔间隔开过孔。然后，我使用网络分析仪运行了 S21 直通测量(图 3)。

理论上，200 密耳的间距约为 4 GHz 波长的 1/8。果然，在大约 5 GHz 时可以看到 S21 响应中的一些轻微偏差，但直到大约 9 GHz 时，情况才真正失控，出现相当大的下降;过了这一步，反应就真的崩溃了。这都是因为接地过孔之间的接地平面部分不再看起来像低阻抗接地，而是实际上正在谐振。

其他间距注意事项

有时，构建过孔栅栏是为了将一个电路的各个部分与另一个电路隔离开。这在射频和模拟设计中特别有用，因为电路的一个部分必须与另一部分隔离。

将接地过孔间隔在 1/8 波长处也能提供良好的隔离，但对于可用的最终隔离(即大于现代网络分析仪可以测量的 120 dB)，我们发现应保持过孔间隔至波长的 1/20 或更小。这里的设计问题实际上是“波导超出截止”类型的设计问题，并且过去已经以这种方式进行了分析[7][8]。此类分析的结果与 1/20 波长的经验法则以及我设计极高隔离度开关矩阵 PCB 的经验相当。