【導(dǎo)讀】相信有些資歷的工程師都知道，用于同軸連接器的PCB信號發(fā)射，需要從旁協(xié)助。這一類的連接器被廣泛應(yīng)用于印刷電路板中，那么使用通孔根協(xié)助同軸連接器來發(fā)射PCB信號，這類連接器該如何設(shè)計？本文就來解答。
在從事信號完整性/射頻工程師的工作當(dāng)中，遇到過的許多客戶曾提出要求，在用于同軸測試連接器的印刷電路板(PCB)信號發(fā)射的設(shè)計方面需要協(xié)助。客戶一般將這類連接器用于印刷電路板，從而測試其他產(chǎn)品，例如背板或I/O連接器等等。他們希望將測試連接器和印刷電路板信號發(fā)射的帶寬提高到最大程度，從而盡可能清楚的了解所需被測設(shè)備(DUT)。鑒于這一目標(biāo)，我需要提問一些問題，以便了解客戶到底想要做些什么。這些問題包括：
1.印刷電路板的材料是什么？
2.印刷電路板的堆疊方式是什么？
3.傳輸線的結(jié)構(gòu)是什么？
4.信號路由所在的層有哪些？
5.對于內(nèi)層上的信號，信號通孔采用反鉆還是盲孔？
6.如果反鉆信號通孔，那么通孔根的最大可能長度是多少？
7.測試連接器與信號發(fā)射的所需性能如何（一般指回波損耗或VSWR）？
在印刷電路板的設(shè)計領(lǐng)域，我個人常見的一般有三種通孔：經(jīng)由通孔、反鉆通孔和盲孔。示例如下。本文的目的在于提供一種相對簡單的方式來為反鉆通孔建模，并且為無法使用或者不會使用電氣建模工具的人員提出一些簡要的經(jīng)驗法則。因此，我將回答前面列表中的最后三個問題。
對于問題7，對于“良好”的信號發(fā)射，本人將其定義為在最大測試頻率下回波損耗不高于20dB的連接器/信號發(fā)射。此外，將信號發(fā)射的帶寬定義為回波損耗超出20dB時的最大頻率。
圖1 3層上路由信號的反鉆通孔
圖2 2層上路由信號的盲孔
圖3 鍍層經(jīng)由通孔（以移除所有無功能的連接墊）
模型
首先介紹連接器的信號發(fā)射的基本傳輸線路圖。該連接器稱為同軸線。
圖4
為了簡化該模型以便可以專門研究通孔根，我們假設(shè)走線和負(fù)載處于理想條件，而同軸線和通孔則作為理想的傳輸線。換句話說，這些因素都不存在損耗，具有相同的特性阻抗。
Z同軸=Z通孔=Z走線=Z根=Z負(fù)載=Z0
眾所周知，這些假設(shè)其實并不現(xiàn)實。比如說，走線在退出通孔時沒有參考平面，并且我們會忽略連接墊的任何雜散電容。然而，這些假設(shè)可以使我們清楚的了解通孔或者通孔根這一開路的影響。現(xiàn)在我們了解通孔根和理想負(fù)載在并聯(lián)組合后所產(chǎn)生的輸入阻抗。
圖5
該等式在電子表格中可以方便的實現(xiàn)。
本人已經(jīng)在ANSYS?HFSS?中采用各種路由方式、印刷電路板材料和通孔根長度來運(yùn)行MolexSMA(73251-3480)、2.92毫米(73252-0090)和2.40毫米(73387-0020)壓縮安裝測試連接器。
經(jīng)驗法則：根據(jù)匯編的數(shù)據(jù)，考慮到采用的開路通孔根，連接器和發(fā)射信號的最大帶寬的估計值，對于50歐姆系統(tǒng)為阻抗幅值（幅值(Z)列）超過48歐姆下的頻率。（對于75歐姆系統(tǒng)為超過72歐姆下）
在下頁的表中，電子表格中的48歐姆列提供了電子表格幅值(Z)列約為48歐姆下以GHz計的頻率。RL20dB模型一列提供了HFSS?模型回波損耗超過20dB下以GHz計的頻率。（參見本文末尾的圖表。）每個模型中都包含一個連接器和采用5毫米帶狀線走線的印刷電路板。
2.4毫米連接器的所有帶寬估計值（電子表格中的48歐姆）都處于模型回波損耗20dB下實際頻率的30%范圍內(nèi)。48GHz下超出最短根長度限值，接近2.40毫米接口自身的額定帶寬。
圖6
圖7
紅色=幅值（百分誤差）大于30；藍(lán)色=幅值（百分誤差）小于30
對于2.92毫米連接器來說，0.15毫米通孔根的限值也是48GHz，超出2.92毫米接口的額定帶寬。換句話說，在該模型中開路通孔根不構(gòu)成限制因素。
此次特定的SMA信號發(fā)射對于采用盲孔的設(shè)計是首次嘗試，最終將升至20GHz。為了此次調(diào)查研究目的，在模型中添加了通孔根。經(jīng)驗法則再次偏離了較短的通孔根，因為除了這些長度的通孔根外，還存在其他問題限制著發(fā)射帶寬。
結(jié)語
1.在應(yīng)該使系統(tǒng)帶寬達(dá)到最大的情況下，不得忽視反鉆通孔的開路通孔根。
2.以上所述的“經(jīng)驗法則”似乎是對開路通孔根所施加帶寬限值的合理估計。再次強(qiáng)調(diào)，此估計值適用于無法使用或者不會使用電氣建模工具的人員。
相關(guān)閱讀：
PCB設(shè)計徹底解決電源散熱問題的契機(jī)在哪？
優(yōu)化PADS系列產(chǎn)品的復(fù)雜設(shè)計，且看IC封裝和PCB設(shè)計怎么表現(xiàn)
減少引腳數(shù)量還能改進(jìn)PCB設(shè)計的“秘密”——裸露焊盤
