克服高频 PCB 设计中的常见陷阱

高频（HF）和射频（RF）在航空航天、国防和医疗等多个领域是基础，并且在通信系统、雷达设备和成像设备中经常遇到。然而，高频通常涉及 PCB 设计人员通常在非高频设计中不会遇到挑战，例如阻抗匹配、集肤效应、串扰、EMI 问题和反射。

高频设计的特性

高频电路并非由设计中的最高时钟频率决定；而是由高速信号的上升时间决定是否为高频电路。高频电路中通常上升时间低于 5ns。更快的数字信号具有更短的上升时间，因此在频域中具有更高的带宽。

在高频设计中，无源元件用于阻抗匹配、滤波、调谐和信号耦合。它们塑造信号的特性而不放大它。相反，有源元件用于信号放大、调制、解调和频率转换。它们在信号强度增强和处理中起着至关重要的作用。

高频设计中传输线的趋肤效应及问题

传输线在 PCB 板上传输射频信号，跨越 HF 组件之间的长距离，理想情况下应保持信号完整性，并尽量减少相邻走线之间的失真和串扰。在射频设计中，传输线通常需要长度匹配，并且走线必须设计成具有特定的阻抗，具体取决于目标应用。设计具有特定阻抗的传输线有助于减少信号反射、驻波、信号衰减和 EMI 问题。

理想导体不会有电容损耗或其他副作用，如集肤效应。然而，铜不是理想的导体；因此，在 HF 设计中考虑集肤效应至关重要。传输线中的集肤效应损耗会随着传输信号频率的增加而增加。这个问题可以总结为电场在 HF 传输线边缘集中的现象。在非常高的频率下，电场没有足够的时间在整个导电表面扩散。因此，电流集中在铜表面的部分区域，而不是整个走线。频率越高，这个区域就越窄。

这种能量表现为一个磁场，在整条走线的所有方向上扩散，而不仅仅是在下一个参考平面的方向上。这种现象在微带线走线中尤其成问题，因为走线的一侧没有明确的低阻抗返回路径到参考平面。在这种情况下，如果不加以考虑，信号可能会在附近的传输线中感应出电感串扰。

这张图片说明了没有清晰、低阻抗的返回路径的传输线如何在附近的走线上感应串扰。

PCB 设计人员采用各种方法来应对这些问题。首先，通过改变堆叠结构，使关键的高频传输线作为具有两侧独立参考平面的带状线进行制造，有助于减少趋肤效应损耗，同时同时抑制 EMI 噪声。然而，对于足够短以至于不能作为分布式传输线的走线，由于额外的过孔损耗，它们不会从这种措施中受益。

在高频 PCB 设计中，将电流分布在较大的铜区也可以帮助减轻集肤效应损耗。工程师可以选择加宽走线或增加其厚度，只要这些变化与走线的目标阻抗相一致。增加走线宽度进一步降低了走线电感，并有助于减少传输线之间的感性串扰。类似地，设计人员可以选择更平滑的铜类型，因为铜的粗糙度对集肤效应损耗有显著影响，尤其是在非常高的频率下。此外，改变电路板的基板会改变介电常数，因此也会影响集肤效应损耗。

高频设计中的长度匹配

除了为特定目标阻抗设计走线外，长度匹配是确保高频设计可靠性和正确性的关键工具。匹配走线长度有两个目的。在匹配对数字信号中，一条线路的信号与其他线路不同步到达会导致接收端解码的数字状态过短，从而导致数据传输错误。其次，如果发送端的噪声在差分对的两条线路中同时感应，噪声可能会被抵消。但是，如果噪声信号不同步，它们就不会被抵消，在最坏的情况下会加剧噪声模式。

 该图说明了不同步的配对信号可能引起的两个问题。
因此，在较短的线路上添加长度匹配结构，可以确保走线长度和更重要的是信号传输时间几乎相同。设计人员可以选择各种图案，只要添加的结构是对称的。然而，蛇形布线和单簧管长度匹配是最受欢迎的。当匹配多个长度匹配对时，所有较短的组中的两条走线都应延伸以匹配最长的组。如果适用，设计人员应将长度匹配结构添加到发射端而不是接收端，以确保信号在更长的距离上同步传输，防止它们在沿走线传播时漂移分离。

最后，在 PCB 上保持高频线路尽可能远，并保持合理的距离。走线应至少与涉及传输线到其下一个合适参考平面的最短距离的三倍分开。

通孔引脚在 HF 设计中的作用

过孔在高频设计中起着至关重要的作用，工程师在处理信号完整性和低阻抗返回路径方面应与常规 PCB 一样谨慎。在这方面，在信号过孔旁边添加接地过孔有助于为信号在层间传输时提供确定的低阻抗返回路径。

此外，过孔引脚需要更仔细的处理，因为如果不考虑它们在高频设计中的影响，它们可以作为未端接的传输线，导致阻抗失配和信号反射。模拟信号和数字信号的不同波长分量会与过孔引脚相互作用，它们可能会失真，导致接收器无法读取原始信号。

这张图片说明了如何通过背钻去除过孔引脚（红色高亮所示），以消除未设计、未连接的传输线。

在这些情况下，设计人员应尽量缩短过孔引脚长度以满足其设计的频率要求。然而，由于理想的长度目标可能无法实现，因此可能需要进行后钻孔以去除剩余的引脚。

理想情况下，设计人员希望避免在高频传输线中使用过孔，通过将逻辑相关的组件分组并保持它们之间的连接短来实现。但是，如果需要使用传输线过孔，请使用较小的过孔以减少电感。

过孔缝合和过孔围栏

战略性地放置在敏感组件或易受影响的 功能组周围的过孔围栏可以通过创建导电屏障来屏蔽它们免受 EMI 的影响。这些过孔围栏连接到参考平面，并提供低阻抗的返回路径。

这张图片展示了高速 PCB 设计中关键走线周围的过孔围栏。图片由 Altium 提供。

过孔缝合是一种类似的技术，试图在 PCB 堆叠的多个层上连接相同的参考平面。这种技术在最小化地环路和减少高频电路中的噪声方面特别有效。如果需要在层之间转换时进行额外的阻抗控制，设计人员可以采用锥形过孔，它们提供逐渐减小的直径，以帮助最小化阻抗变化和信号反射。

这张图片说明了添加过孔如何帮助在 PCB 设计中缝合兼容的参考平面。图片由 Altium 提供。