過孔傳輸射頻信號在多層PCB中的設計

朱文舉，陳 娜

(中國電子科技集團公司第13研究所 16專業部，河北 石家莊 050051)

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過孔傳輸射頻信號在多層PCB中的設計

朱文舉，陳 娜

(中國電子科技集團公司第13研究所 16專業部，河北 石家莊 050051)

為提高過孔傳輸射頻信號的工作頻率和頻率帶寬，文中通過仿真軟件對多層PCB上的過孔建立模型進行仿真，經過理論分析和參數優化，得到最佳的過孔尺寸，并根據仿真結果加工實物，驗證仿真結果的可靠性。測試結果表明，優化后的過孔設計可以用于傳輸10～30 GHz的射頻信號，其端口駐波在2.0∶1以內，插入損耗為1.2～4.3 dB，在10～26 GHz的頻率范圍內，其插損<2.7 dB。

過孔；多層PCB；射頻信號傳輸

隨著組件產品日益增長的小型化、輕量化的要求以及工作頻率和工作帶寬的不斷提高，設計中為了減小體積，一般采用多層PCB印制板，同時利用過孔傳輸射頻信號，代替傳統的射頻連接器和微波同軸線纜的使用。一般來說，在頻率低于1 GHz時，過孔能起到良好的連接作用，其寄生電容、電感可以忽略[1-4]。當頻率高于1 GHz后，過孔的寄生效應對信號完整性的影響就不能忽略，尤其是對寬頻帶的高頻信號，其寄生效應更為復雜，此時過孔在傳輸路徑上表現為阻抗不連續的斷點，會產生信號的反射、延時、衰減等信號完整性問題[5-7]。

目前，有關過孔研究基本是采用仿真軟件來模擬過孔參數對過孔阻抗及S參數的影響[8-10]。不能準確給出過孔參數的影響程度，難以指導實際工程設計。為提高過孔傳輸射頻信號的頻率和工作帶寬，本文對多層PCB上的過孔進行建模仿真，通過理論分析，優化參數得到最佳的過孔尺寸。根據仿真結果，加工實物進行測試，最后給出了達到的技術指標和結論。

1 過孔的定義

在多層PCB設計中，過孔一般指用作層間電氣連接的孔，可以用來連接電源和控制信號，也可以用來傳輸射頻信號[11]。過孔一般由金屬柱、焊盤和反焊盤組成，金屬柱是不同層之間的電氣互連通路，焊盤是金屬柱與層上傳輸線相連的過渡區域，反焊盤用以隔絕焊盤與信號層上其他傳輸線。在PCB設計中，過孔的尺寸越小越好，這樣可以節省布線空間，滿足小型化的要求，而且過孔越小，其寄生效應越小，對產品性能所產生的影響也就越小。但是過孔越小，對PCB加工工藝的要求越高，提高加工成本，需要綜合考慮來平衡兩者之間的矛盾。

2 過孔的寄生效應

過孔本身存在寄生效應，包括寄生電容和寄生電感。產品的工作頻率越高，寄生效應對其工作性能的影響就越明顯。傳輸線經過過孔時，阻抗通常會減小12%(具體與過孔的尺寸以及PCB的板材有關)[12]。因此，通過選擇合適的板材以及過孔尺寸，可以降低由于阻抗不連續性所引起的反射。過孔結構如圖1所示。

圖1 過孔結構

2.1 過孔的寄生電容

假設PCB板材的介電常數為ε，則過孔的寄生電容大小可近似表示為[13]

(1)

其中，D1為過孔的外徑；h為過孔的長度也就是PCB板的厚度；D2為反焊盤的直徑。

高頻電路中，采用介電常數較小、厚度較薄的板材，同時減小過孔焊盤直徑，增加反焊盤的直徑，可以達到減小過孔寄生電容的目的。

2.2 過孔的寄生電感

過孔的寄生電感會削弱旁路電容的作用，從而減弱整個電源系統的濾波效果，造成傳輸信號的泄露和串擾，對產品性能的影響更大。

過孔的寄生電感L為

(2)

其中，h表示表示PCB板的厚度；d表示過孔的內徑。

可以看出，PCB板的厚度對其寄生電感的影響較大，減小其厚度可以降低過孔產生的寄生效應。但是，在實際工程應用中，越來越多的電路設計要求使用多層PCB實現復雜的功能，使得PCB板的厚度無法太小，因此需要從其他方面入手來改善過孔的寄生效應。

3 過孔模型仿真

通過上述分析，應用仿真軟件對6層PCB板上的過孔建立模型如圖2所示。PCB采用聚四氟和環氧板材混壓的共面波導結構，該6層板總厚度為1.2 mm，頂層和底層都采用介電常數為2.2、厚度為0.254 mm的聚四氟板材，其它層使用環氧。模型中，設置射頻帶線的寬度為0.66 mm，與地之間的距離為0.5 mm；過孔的內徑為0.4 mm，焊盤直徑為1.0 mm，反焊盤直徑為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，端口的回波損耗S11和S22均在-20 dB以下。

圖2 過孔的仿真模型

圖3 過孔的仿真結果

4 過孔模型的實物驗證

根據仿真結果加工樣品如圖4所示，輸入、輸出接插件采用SMA-K2.92，與帶線之間通過金帶連接。利用矢量網絡分析儀測試，結果如圖5所示。在10～30 GHz以內，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，插損為1.2～2.7 dB。

圖4 樣品照片

圖5 樣品測試曲線

5 結束語

本文對過孔進行建模仿真，優化參數得到最佳的過孔尺寸。實測結果表明，在10～30 GHz的頻率范圍內，過孔傳輸射頻信號完全可以滿足實際工程應用的需求。

由于該過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，在實際應用中，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，導致實測結果比仿真曲線略有惡化[14]。一般而言，不連續性是一種輻射源，它將產生輻射和高次模，引起信號的衰減、有害的耦合和串擾，從而引起傳輸性能的惡化，隨著頻率的升高，這種不連續的影響將愈發突出[15]。在后續的研究中，可以考慮將PCB板側壁進行金屬化處理，使各層地之間通過側壁連接在一起，再與盒體緊密接觸，降低這種不連續性對傳輸性能的影響，進一步提高過孔傳輸射頻信號的頻率。

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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：多通道寬帶接收機等。陳娜(1989-)，女，碩士，助理工程師。研究方向：微波寬帶接收機等。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.07.036

TN817

A

1007-7820(2017)07-130-03