Samtec連接器小課堂 | RF白皮書(shū)系列中篇： Via Stubs的影響評(píng)估與正確的接地環(huán)尺寸

【摘要/前言】

上接系列上篇，我們初步了解了RF 端點(diǎn)的定義，今天我們將繼續(xù)討論其四個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域中的前面2個(gè)：Via Stubs的影響與正確的接地環(huán)尺寸

【評(píng)估通孔的影響】

使用通孔轉(zhuǎn)接到內(nèi)層時(shí)，通孔在超出轉(zhuǎn)接的內(nèi)層之下的部分會(huì)產(chǎn)生一個(gè)截線(xiàn)(Stub)。頻寬目標(biāo)越高，Stub對(duì)性能的影響越大。當(dāng)Stub長(zhǎng)度等于1/4波長(zhǎng)的頻率時(shí)影響最嚴(yán)重(參見(jiàn)公式1)。

雖然f0是影響最顯著的頻率，但早在這個(gè)頻率之前，通孔Stub就開(kāi)始降低通孔轉(zhuǎn)換的性能，因?yàn)?b>它為端點(diǎn)增加額外電容。

將通孔Stub的影響降到最低的常用策略是，將大部分的Stub用背鉆去掉。在背鉆過(guò)程中，PCB制造商從連接器端點(diǎn)的另一側(cè)鉆掉通孔Stub。但沒(méi)有一個(gè)制造過(guò)程是完美的，背鉆不能接近訊號(hào)端點(diǎn)層，因?yàn)閾?dān)心會(huì)破壞通孔和導(dǎo)線(xiàn)之間的接點(diǎn)。因此，在背鉆過(guò)程中，總會(huì)有Stub留下，而剩余的長(zhǎng)度也會(huì)產(chǎn)生公差。例如，一家PCB制造廠可能會(huì)說(shuō)，剩余的Stub長(zhǎng)度可以是8mil±4mil。在這種情況下，背鉆的通孔可能會(huì)留下4~12mil長(zhǎng)的Stub，是相當(dāng)大的范圍。這是一個(gè)保守的Stub長(zhǎng)度變化，在許多情況下，有可能得到更小的Stub。

為了說(shuō)明推動(dòng)最短Stub長(zhǎng)度的必要性，請(qǐng)看圖3的16條曲線(xiàn)，每一條都對(duì)應(yīng)著0~15mils之間的Stub長(zhǎng)度。Stub長(zhǎng)度越短，整個(gè)頻段的回波損耗就越好。

為了更好地觀察頻寬的影響，回波損耗越過(guò)15dB水平(VSWR=1.4)的頻率繪制成圖4。關(guān)于曲線(xiàn)的形狀，有兩個(gè)要點(diǎn)需要注意：

第一，曲線(xiàn)并非線(xiàn)性，較長(zhǎng)的Stub長(zhǎng)度會(huì)導(dǎo)致通孔轉(zhuǎn)換頻寬迅速下降；

第二，對(duì)于短Stub長(zhǎng)度，頻寬的減少并不明顯。

因此，推動(dòng)短的Stub和嚴(yán)格的公差，從增加端點(diǎn)工作頻寬和電路板上所有端點(diǎn)行為相似的兩種角度來(lái)看，都提供了明顯的好處。

到目前為止，只看了單個(gè)Stub的影響。每條內(nèi)層走線(xiàn)至少有兩個(gè)Stub，一個(gè)在端點(diǎn)端，另一個(gè)在設(shè)備端。因此，由Stub引入的任何性能下降都將經(jīng)由走線(xiàn)兩端的Stub之間建立的反射放大(圖5)。對(duì)于圖5所示的三種Stub長(zhǎng)度中的每一個(gè)，在3吋長(zhǎng)低損耗走線(xiàn)任一端的兩個(gè)通孔端點(diǎn)之間反彈的反射回波損耗影響以實(shí)線(xiàn)表示，而虛線(xiàn)顯示了單個(gè)端點(diǎn)的比較性能，在每一種情況下皆明顯優(yōu)于雙通孔的情況。

理想情況下，針對(duì)通孔Stub的最佳緩解策略是使用完全沒(méi)有Stub的雷射通孔。然而，如果必須使用背鉆通孔，也可以在端點(diǎn)設(shè)計(jì)中對(duì)Stub引入的電容進(jìn)行有限補(bǔ)償。在設(shè)計(jì)補(bǔ)償結(jié)構(gòu)時(shí)，可能很想對(duì)最壞情況下的Stub長(zhǎng)度進(jìn)行補(bǔ)償。然而，如果Stub的公差很大，仍可能導(dǎo)致性能不佳。為理清這點(diǎn)，請(qǐng)看圖6。

這里假定6mil Nominal Stub的公差為4mil。端點(diǎn)補(bǔ)償?shù)脑O(shè)計(jì)是為最壞情況10mil的Stub長(zhǎng)度提供最佳阻抗匹配。因此，對(duì)于10mil的Stub，端點(diǎn)的阻抗在標(biāo)值的1歐姆(Ω)以?xún)?nèi)。問(wèn)題出現(xiàn)在Stub長(zhǎng)度在公差另一端(2mil)的通孔中。對(duì)于這個(gè)Stub的長(zhǎng)度，端點(diǎn)看起來(lái)相當(dāng)有感應(yīng)。請(qǐng)記住，電路板上的每一個(gè)Stub不需要長(zhǎng)度相同?！?mil的公差可能會(huì)導(dǎo)致一些通孔看起來(lái)是電感性的，另一些則不是，即使它們是相鄰的端點(diǎn)。

【正確的接地環(huán)尺寸】

內(nèi)接地環(huán)對(duì)端點(diǎn)的性能影響甚大，兩個(gè)主要因素決定內(nèi)GND孔環(huán)的直徑：

-----端點(diǎn)區(qū)域的阻抗

圖7展示透過(guò)將訊號(hào)鉆孔尺寸視為同軸電纜的中心導(dǎo)體直徑，將內(nèi)部GND環(huán)直徑視為同軸電纜的屏蔽層直徑，可以確定端點(diǎn)區(qū)域的阻抗。對(duì)于長(zhǎng)通孔，可以使用標(biāo)值的系統(tǒng)阻抗(例如50Ω)作為目標(biāo)阻抗。然而，短通孔會(huì)受到端點(diǎn)與連接器本體末端之間相互作用造成的電容性負(fù)載強(qiáng)烈影響。出于這個(gè)原因，更高的目標(biāo)Z0(如70Ω)更好。如此，連接器+端點(diǎn)的平均效應(yīng)就更接近于50Ω。

-----端點(diǎn)所支援的高階模態(tài)的截止頻率

通常，在同軸RF連接器的端點(diǎn)中，只希望傳播基礎(chǔ)模式，這就是橫向電磁模式(TEM)。高于一定頻率稱(chēng)為"截止頻率"，端點(diǎn)可以支援更高階模式。當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，能量會(huì)在不同的模式之間傳播，并由于傳播方式不同，訊號(hào)很快失真。為了防止這種情況，端點(diǎn)需要特別設(shè)計(jì)，使截止頻率位于想要的頻寬之外。圖7顯示截止頻率與GND環(huán)的大小和沿通孔傳播時(shí)的介電常數(shù)(εR)成反比。這些數(shù)字越高，截止頻率就越低，端點(diǎn)工作頻寬就越低。當(dāng)直徑(Dv, DGND)以吋為單位時(shí)，圖7的fcutoff公式提供以GHz為單位的截止頻率。

阻抗和截止頻率也都與訊號(hào)沿孔道傳播時(shí)看到的介電常數(shù)成反比。值得注意的是，這個(gè)εR不需要與走線(xiàn)看到的值相匹配。原因是PCB由黏合在一起的層壓板組成。層壓板是復(fù)合材料，由玻璃纖維和樹(shù)脂組成，有芯板層和預(yù)浸層，每層都由玻璃纖維和樹(shù)脂層組成。由于每層介電性能各異，訊號(hào)看到的有效介電常數(shù)取決于其行進(jìn)方向。換句話(huà)說(shuō)，就介電常數(shù)而言，PCB各向異性。各向異性越高，通孔介電常數(shù)與走線(xiàn)相比差異越大。

為了實(shí)現(xiàn)高頻寬端點(diǎn)，樹(shù)脂和玻璃的介電常數(shù)應(yīng)該低且相等，這確保通孔周?chē)M可能低的介電常數(shù)，也確保最高截止頻率。圖8顯示，要達(dá)到>90GHz的截止頻率，訊號(hào)鉆孔直徑需要<5mil和<3.1mil的介電常數(shù)。圖中的數(shù)值可以作為指導(dǎo)RF端點(diǎn)設(shè)計(jì)的一個(gè)有用的起點(diǎn)。

由圖8可以從數(shù)學(xué)上理解為什么端點(diǎn)的性能在截止頻率附近迅速下降。該情況的物理解釋?zhuān)?qǐng)參考圖9。此處端點(diǎn)和周?chē)腉ND通孔的物理結(jié)構(gòu)顯示在圖的左邊。通孔的綠色部分(左圖通孔的上半部)代表希望訊號(hào)能量通過(guò)的部分。然而，由于GND通孔是貫通的，它們繼續(xù)在走線(xiàn)的參考層以下，在訊號(hào)參考層以下形成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。為了更直觀地了解這一點(diǎn)，在圖9右半部分顯示了一個(gè)概念性的示意圖。

圖9的右半部分顯示連接器將能量發(fā)射到端點(diǎn)的同軸部分，訊號(hào)能量沿著帶狀線(xiàn)傳播。然而，在布線(xiàn)參考層下面，GND通孔在訊號(hào)通孔下方形成圓形波導(dǎo)。在布線(xiàn)參考層下還有幾個(gè)由平面層和縫合的GND通孔形成的矩形通孔。在走線(xiàn)下方的圓形波導(dǎo)和矩形波導(dǎo)是非TEM結(jié)構(gòu)，這意味著它們不能傳播低于fcutoff的能量。

有了這個(gè)理解，請(qǐng)看看能量在不同頻率下是如何在端點(diǎn)中流動(dòng)的。圖10是低于fcutoff (左半部)和高于fcutoff (右半部)的電場(chǎng)模式。在fcutoff以下，能量保持在帶狀線(xiàn)層內(nèi)，訊號(hào)通孔下方的圓形波導(dǎo)不能傳播能量，這正是原本希望發(fā)生的情況。不過(guò)，在fcutoff以上，圓形波導(dǎo)現(xiàn)在可以傳播能量并從TEM模式中去除沿帶狀線(xiàn)傳播的能量，并將其一部分透過(guò)參考層下方的矩形腔發(fā)送。這是不希望出現(xiàn)的情況，因?yàn)槟芰繒?huì)經(jīng)由平面空腔傳播到電路板的其他部分，造成串?dāng)_、輻射和其他不良影響。因此，保持在fcutoff以下對(duì)于獲得高性能、大頻寬的端點(diǎn)至關(guān)重要。

雖然圖10中顯示的場(chǎng)圖有助于理解導(dǎo)致性能不佳的物理效應(yīng)，但計(jì)算場(chǎng)圖的計(jì)算量相當(dāng)大且需要大量時(shí)間。有一種更快的方法可以查看端點(diǎn)性能是否因允許傳播高階模式而受到不利影響。圖11顯示一種稱(chēng)為損耗因子的指標(biāo)。損耗因子是未到達(dá)結(jié)構(gòu)任何埠的能量量度。對(duì)于兩個(gè)埠的結(jié)構(gòu)，例如∣S11∣2+∣S21∣2是流經(jīng)埠1的總能量。這個(gè)能量若非傳輸至埠2(即∣S21∣2)，就是反射到埠1(即∣S11∣2)。這種情況下，損耗因子是1-(∣S11∣2 + ∣S21∣2)。圖11顯示在fcutoff以下，能量損失逐漸增加，與銅和電介質(zhì)損失的能量相對(duì)應(yīng)。然而，在fcutoff以上，損耗因子迅速增加，表示高階模式正將能量帶到結(jié)構(gòu)的其他部分，端點(diǎn)表現(xiàn)不再如預(yù)期。

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