高頻（HF）和射頻（RF）在航空航天、國(guó)防和醫(yī)療等多個(gè)領(lǐng)域是基礎(chǔ)，并且在通信系統(tǒng)、雷達(dá)設(shè)備和成像設(shè)備中經(jīng)常遇到。然而，高頻通常涉及 PCB 設(shè)計(jì)人員通常在非高頻設(shè)計(jì)中不會(huì)遇到挑戰(zhàn)，例如阻抗匹配、集膚效應(yīng)、串?dāng)_、EMI 問(wèn)題和反射。

高頻設(shè)計(jì)的特性

高頻電路并非由設(shè)計(jì)中的最高時(shí)鐘頻率決定；而是由高速信號(hào)的上升時(shí)間決定是否為高頻電路。高頻電路中通常上升時(shí)間低于 5ns。更快的數(shù)字信號(hào)具有更短的上升時(shí)間，因此在頻域中具有更高的帶寬。

在高頻設(shè)計(jì)中，無(wú)源元件用于阻抗匹配、濾波、調(diào)諧和信號(hào)耦合。它們塑造信號(hào)的特性而不放大它。相反，有源元件用于信號(hào)放大、調(diào)制、解調(diào)和頻率轉(zhuǎn)換。它們?cè)谛盘?hào)強(qiáng)度增強(qiáng)和處理中起著至關(guān)重要的作用。

高頻設(shè)計(jì)中傳輸線的趨膚效應(yīng)及問(wèn)題

傳輸線在 PCB 板上傳輸射頻信號(hào)，跨越 HF 組件之間的長(zhǎng)距離，理想情況下應(yīng)保持信號(hào)完整性，并盡量減少相鄰走線之間的失真和串?dāng)_。在射頻設(shè)計(jì)中，傳輸線通常需要長(zhǎng)度匹配，并且走線必須設(shè)計(jì)成具有特定的阻抗，具體取決于目標(biāo)應(yīng)用。設(shè)計(jì)具有特定阻抗的傳輸線有助于減少信號(hào)反射、駐波、信號(hào)衰減和 EMI 問(wèn)題。

理想導(dǎo)體不會(huì)有電容損耗或其他副作用，如集膚效應(yīng)。然而，銅不是理想的導(dǎo)體；因此，在 HF 設(shè)計(jì)中考慮集膚效應(yīng)至關(guān)重要。傳輸線中的集膚效應(yīng)損耗會(huì)隨著傳輸信號(hào)頻率的增加而增加。這個(gè)問(wèn)題可以總結(jié)為電場(chǎng)在 HF 傳輸線邊緣集中的現(xiàn)象。在非常高的頻率下，電場(chǎng)沒(méi)有足夠的時(shí)間在整個(gè)導(dǎo)電表面擴(kuò)散。因此，電流集中在銅表面的部分區(qū)域，而不是整個(gè)走線。頻率越高，這個(gè)區(qū)域就越窄。

這種能量表現(xiàn)為一個(gè)磁場(chǎng)，在整條走線的所有方向上擴(kuò)散，而不僅僅是在下一個(gè)參考平面的方向上。這種現(xiàn)象在微帶線走線中尤其成問(wèn)題，因?yàn)樽呔€的一側(cè)沒(méi)有明確的低阻抗返回路徑到參考平面。在這種情況下，如果不加以考慮，信號(hào)可能會(huì)在附近的傳輸線中感應(yīng)出電感串?dāng)_。

這張圖片說(shuō)明了沒(méi)有清晰、低阻抗的返回路徑的傳輸線如何在附近的走線上感應(yīng)串?dāng)_。

PCB 設(shè)計(jì)人員采用各種方法來(lái)應(yīng)對(duì)這些問(wèn)題。首先，通過(guò)改變堆疊結(jié)構(gòu)，使關(guān)鍵的高頻傳輸線作為具有兩側(cè)獨(dú)立參考平面的帶狀線進(jìn)行制造，有助于減少趨膚效應(yīng)損耗，同時(shí)同時(shí)抑制 EMI 噪聲。然而，對(duì)于足夠短以至于不能作為分布式傳輸線的走線，由于額外的過(guò)孔損耗，它們不會(huì)從這種措施中受益。

在高頻 PCB 設(shè)計(jì)中，將電流分布在較大的銅區(qū)也可以幫助減輕集膚效應(yīng)損耗。工程師可以選擇加寬走線或增加其厚度，只要這些變化與走線的目標(biāo)阻抗相一致。增加走線寬度進(jìn)一步降低了走線電感，并有助于減少傳輸線之間的感性串?dāng)_。類似地，設(shè)計(jì)人員可以選擇更平滑的銅類型，因?yàn)殂~的粗糙度對(duì)集膚效應(yīng)損耗有顯著影響，尤其是在非常高的頻率下。此外，改變電路板的基板會(huì)改變介電常數(shù)，因此也會(huì)影響集膚效應(yīng)損耗。

高頻設(shè)計(jì)中的長(zhǎng)度匹配

除了為特定目標(biāo)阻抗設(shè)計(jì)走線外，長(zhǎng)度匹配是確保高頻設(shè)計(jì)可靠性和正確性的關(guān)鍵工具。匹配走線長(zhǎng)度有兩個(gè)目的。在匹配對(duì)數(shù)字信號(hào)中，一條線路的信號(hào)與其他線路不同步到達(dá)會(huì)導(dǎo)致接收端解碼的數(shù)字狀態(tài)過(guò)短，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤。其次，如果發(fā)送端的噪聲在差分對(duì)的兩條線路中同時(shí)感應(yīng)，噪聲可能會(huì)被抵消。但是，如果噪聲信號(hào)不同步，它們就不會(huì)被抵消，在最壞的情況下會(huì)加劇噪聲模式。

 該圖說(shuō)明了不同步的配對(duì)信號(hào)可能引起的兩個(gè)問(wèn)題。
因此，在較短的線路上添加長(zhǎng)度匹配結(jié)構(gòu)，可以確保走線長(zhǎng)度和更重要的是信號(hào)傳輸時(shí)間幾乎相同。設(shè)計(jì)人員可以選擇各種圖案，只要添加的結(jié)構(gòu)是對(duì)稱的。然而，蛇形布線和單簧管長(zhǎng)度匹配是最受歡迎的。當(dāng)匹配多個(gè)長(zhǎng)度匹配對(duì)時(shí)，所有較短的組中的兩條走線都應(yīng)延伸以匹配最長(zhǎng)的組。如果適用，設(shè)計(jì)人員應(yīng)將長(zhǎng)度匹配結(jié)構(gòu)添加到發(fā)射端而不是接收端，以確保信號(hào)在更長(zhǎng)的距離上同步傳輸，防止它們?cè)谘刈呔€傳播時(shí)漂移分離。

最后，在 PCB 上保持高頻線路盡可能遠(yuǎn)，并保持合理的距離。走線應(yīng)至少與涉及傳輸線到其下一個(gè)合適參考平面的最短距離的三倍分開(kāi)。

通孔引腳在 HF 設(shè)計(jì)中的作用

過(guò)孔在高頻設(shè)計(jì)中起著至關(guān)重要的作用，工程師在處理信號(hào)完整性和低阻抗返回路徑方面應(yīng)與常規(guī) PCB 一樣謹(jǐn)慎。在這方面，在信號(hào)過(guò)孔旁邊添加接地過(guò)孔有助于為信號(hào)在層間傳輸時(shí)提供確定的低阻抗返回路徑。

此外，過(guò)孔引腳需要更仔細(xì)的處理，因?yàn)槿绻豢紤]它們?cè)诟哳l設(shè)計(jì)中的影響，它們可以作為未端接的傳輸線，導(dǎo)致阻抗失配和信號(hào)反射。模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)的不同波長(zhǎng)分量會(huì)與過(guò)孔引腳相互作用，它們可能會(huì)失真，導(dǎo)致接收器無(wú)法讀取原始信號(hào)。

這張圖片說(shuō)明了如何通過(guò)背鉆去除過(guò)孔引腳（紅色高亮所示），以消除未設(shè)計(jì)、未連接的傳輸線。

在這些情況下，設(shè)計(jì)人員應(yīng)盡量縮短過(guò)孔引腳長(zhǎng)度以滿足其設(shè)計(jì)的頻率要求。然而，由于理想的長(zhǎng)度目標(biāo)可能無(wú)法實(shí)現(xiàn)，因此可能需要進(jìn)行后鉆孔以去除剩余的引腳。

理想情況下，設(shè)計(jì)人員希望避免在高頻傳輸線中使用過(guò)孔，通過(guò)將邏輯相關(guān)的組件分組并保持它們之間的連接短來(lái)實(shí)現(xiàn)。但是，如果需要使用傳輸線過(guò)孔，請(qǐng)使用較小的過(guò)孔以減少電感。

過(guò)孔縫合和過(guò)孔圍欄

戰(zhàn)略性地放置在敏感組件或易受影響的 功能組周圍的過(guò)孔圍欄可以通過(guò)創(chuàng)建導(dǎo)電屏障來(lái)屏蔽它們免受 EMI 的影響。這些過(guò)孔圍欄連接到參考平面，并提供低阻抗的返回路徑。

這張圖片展示了高速 PCB 設(shè)計(jì)中關(guān)鍵走線周圍的過(guò)孔圍欄。圖片由 Altium 提供。

過(guò)孔縫合是一種類似的技術(shù)，試圖在 PCB 堆疊的多個(gè)層上連接相同的參考平面。這種技術(shù)在最小化地環(huán)路和減少高頻電路中的噪聲方面特別有效。如果需要在層之間轉(zhuǎn)換時(shí)進(jìn)行額外的阻抗控制，設(shè)計(jì)人員可以采用錐形過(guò)孔，它們提供逐漸減小的直徑，以幫助最小化阻抗變化和信號(hào)反射。

這張圖片說(shuō)明了添加過(guò)孔如何幫助在 PCB 設(shè)計(jì)中縫合兼容的參考平面。圖片由 Altium 提供。