淺析射頻電路的接地孔與回流問題

前沿

下圖是PCB走線排板時常見的微帶線(左圖)和帶狀線(右圖)的電磁場分布示意圖，其電力線從走線層發(fā)出，終止于相關(guān)平面層，相關(guān)平面層不一定是地線層，可以是電源層，甚至是任意的網(wǎng)絡(luò)層，在終止的相關(guān)平面層里會產(chǎn)生鏡像電流，這個電流就叫走線層電流的"回流"，回流與信號電流構(gòu)成閉合回路，頻率不是太高時滿足電路理論的基爾霍夫電流定律，兩者相等。

一般高速信號線的回流，我們都會盡量有意安排在地線層或某電源層上，而不是某信號走線層上，否則其串?dāng)_可能很大，不適合高速走線，具體分析見后面(三)

一、微帶線的回流分布

微帶線回流密度的大小分布如下圖所示?；亓鞣植荚谖Ь€的下方，且隨著距離微帶線正下方的距離越遠(yuǎn)(d越大)，回流電流密度越小。

回流電流密度的分布，可以近似用以下公式表示：

隨著d的距離的增大，在距離d范圍以內(nèi)的回流電流越多，其數(shù)據(jù)關(guān)系如下表所示：

表中也可以通過對上式電流密度I(d)積分，然后進(jìn)行計(jì)算得到。比如對于d/h=2時，則在d=2h以外的電流歸一化數(shù)值為(對I0/(pi*h)歸一化)：

而歸一化的總電流為

所以包含在-d~d以內(nèi)的電流的百分比為：

與上表中吻合。按同樣的計(jì)算方法，可計(jì)算出當(dāng)d=3h/5h/10h/20h時，分別對應(yīng)的值為79.5%、87.4%、93.7%96.8%，也非常吻合。

二、帶狀線的回流分布

上圖是帶狀線的回流分布，每個回流層的電流密度依然滿足公式，只不過I0分別對應(yīng) I上和I下：

上下兩個回流層的電流總和等于中間走線層的總電流，即I走線 = I上+I下

它們的比例 I上/I下 = h下/h上 。

下圖是上下兩回流層占總走線電流比例的仿真計(jì)算結(jié)果，例如下層厚度10mil，上層厚度30mil時，從圖示可知上層回流占總回流的比例為25%，則下層為75%，剛好是上下層厚度比例的倒數(shù)！

三、相互干擾

當(dāng)兩根PCB走線靠近時，由上分析可知它們的回流會出現(xiàn)交疊，會相互干擾，靠得越近，交疊越多，干擾越大，如下圖所示：

當(dāng)d=3h時，根據(jù)前式計(jì)算可知其密度已經(jīng)減小為中心位置處的10%，包含的總電流如前計(jì)算達(dá)到信號電流的79.5%，工程應(yīng)用中認(rèn)為d>3h時，相互交疊的影響已經(jīng)比較小，可以不考慮，這就是抗串?dāng)_的走線3h準(zhǔn)則。對于射頻模擬信號，簡單使用3h準(zhǔn)則是不行的，3h準(zhǔn)則主要針對高速數(shù)字信號線，而射頻微波的模擬信號走線線，一般都是要加屏蔽的，走成共面波導(dǎo) CPWG ，CPWG要求兩邊大面積接地，如下圖所示：

CPWG兩邊的接地線打了很多過孔，連接到地平面上

四、CPWG接地孔怎么加？

射頻板上一眼望去，都是密密麻麻的接地孔，據(jù)說密集綜合癥者看了會起雞皮疙瘩。接地孔，主要就是防止干擾別人以及被別人干擾。那接地孔一般怎么打？基本規(guī)則就是遵循λg/20規(guī)則，當(dāng)然此規(guī)則的要求相當(dāng)?shù)停瑢?shí)際操作時會進(jìn)行改進(jìn)。

微帶線周圍加"接地孔"的步驟：

(1) 首先用EDA軟件計(jì)算合適的走線寬度和間距，這是在PCB疊層設(shè)計(jì)時就需要確定的參數(shù)，CPWG的信號線到兩邊地線的距離即是我們要知道的接地孔距離微帶線的距離。計(jì)算軟件可以使用si9000，這是絕大多數(shù)電路板廠家計(jì)算阻抗的工具，allegro里面的計(jì)算主要針對普通微帶線，無法計(jì)算CPWG傳輸線。

(2) 然后按照λg/20來估算接地孔之間的距離，比如信號頻率100MHz, 板材介電常數(shù)4.3，那么等效波長λg=c/(f*sqrt(Eff)), Eff為等效介電常數(shù)，由于微帶線的上面是空氣，介電常數(shù)為1，下面是4.3，所以等效的介電常數(shù)既不是1也不是4.3，而是介于兩者之間，和介質(zhì)厚度密切相關(guān)，可以借助keysight的ads里的傳輸線計(jì)算工具計(jì)算如下:

則λg/20=82.2mm。

對于CPWG傳輸線也是類似的：

如果從這個計(jì)算來看的話，整個射頻板可能只需要打幾個過孔就行了，不過一般射頻板都是被打成篩子狀，主要原因有兩個：

• 如果是CPWG傳輸線，盡量沿著銅皮的邊界打孔，保證孔的焊盤與所在的銅皮的邊界重疊；在文獻(xiàn)”Southwest microwave,Optimizing Test Boards for 50 GHz End Launch Connectors“中提到，沿著邊界打接地孔，可以拓展CPWG信號的帶寬。

下圖是沿邊界打接地孔，其S21在25GHz頻率以上時明顯衰減小于上圖，話又說回來，有多少設(shè)計(jì)的板子需要工作在25GHz以上？所以普通的射頻微波電路板，沒有那么高工作頻率時，可以不一定非要沿邊界打接地孔，前后偏移一些問題不大

• 打密集接地孔可以增加隔離度
  在文獻(xiàn)”Peter Vizmuller, “RF Design Guide: Systems, Circuits and Equations,” 1995, Artech House“中利用波導(dǎo)截止頻率的觀點(diǎn)分析指出：打密集的接地過孔可以使PCB的CPWG走線向CPWG外其他地方的輻射降低數(shù)個db(3-5db），這是把射頻板子打成篩子的主要原因之一，另外一個原因就是實(shí)現(xiàn)充分良好接地。

實(shí)際操作時，如果計(jì)算出來的λg/20比較大(通常都是這樣)，可以選擇2mm~2.5mm的間隔打接地孔，如果λg/20比較小就適當(dāng)減小間隔，但是需要保證：

• 滿足PCB廠家加工要求，接地孔太密集，PCB廠家加工有問題
• 接地孔不要把其他平面層打破，這樣會造成回流面積增大，容易引起信號完整性問題，特別是使用通孔時這個問題要注意，有時板子密度非常大，無法滿足不要把其他平面層打破且明顯引起信號完整性問題，此時可以使用埋孔或盲孔(當(dāng)然成本會比較高)。

五、差分線的保護(hù)地

如果需要給差分信號加保護(hù)地，為了不破壞差分線之間的對稱平衡關(guān)系，要求兩邊都要同時加地，而且要求地與差分線的距離至少要大于兩倍的差分線的間距，如下圖。