改進高頻信號傳輸中的SMT焊盤阻抗失配的方法驗證

在高頻領(lǐng)域，信號或電磁波必須沿著具有均勻特征阻抗的傳輸路徑傳播。當(dāng)遇到了阻抗失配或不連續(xù)現(xiàn)象時，一部分信號將被反射回發(fā)送端，剩余部分電磁波將繼續(xù)傳輸?shù)浇邮斩?。信號反射和衰減的程度取決于阻抗不連續(xù)的程度。當(dāng)失配阻抗幅度增加時，更大部分的信號會被反射，接收端觀察到的信號衰減或劣化也就更多。
阻抗失配現(xiàn)象在交流耦合(又稱隔直)電容的SMT焊盤、板到板連接器以及電纜到板連接器(如SMA)處經(jīng)常會遇到。
在如圖1所示的交流耦合電容SMT焊盤的案例中，沿著具有100Ω差分阻抗和5mil銅箔寬度的PCB走線傳播的信號，在到達具有更寬銅箔(如0603封裝的30mil寬)的SMT焊盤時將遇到阻抗不連續(xù)性。這種現(xiàn)象可以用式(1)和式(2)解釋。銅箔的橫截面積或?qū)挾鹊脑黾訉⒃龃髼l狀電容，進而給傳輸通道的特征阻抗帶來電容不連續(xù)性，即負的浪涌。

為了盡量減小電容的不連續(xù)性，需要裁剪掉位于SMT焊盤正下方的參考平面區(qū)域，并在內(nèi)層創(chuàng)建銅填充，分別如圖2和圖3所示。這樣可以增加SMT焊盤與其參考平面或返回路徑之間的距離，從而減小電容的不連續(xù)性。同時應(yīng)插入微型縫合過孔，用于在原始參考平面和內(nèi)層新參考銅箔之間提供電氣和物理連接，以建立正確的信號返回路徑，避免EMI輻射問題。

但是，距離“d ”不應(yīng)增加得太大，否則將使條狀電感超過條狀電容并引起電感不連續(xù)性。式中：C =條狀電容(單位：pF)；L =條狀電感(單位：nH)；Zo =特征阻抗(單位：Ω)；ε=介電常數(shù)；w =SMT焊盤寬度；l =SMT焊盤長度；d =SMT焊盤和下方參考平面之間的距離；t =SMT焊盤的厚度。相同概念也可以應(yīng)用于板到板(B2B)和電纜到板(C2B)連接器的SMT焊盤。下面將通過TDR和插損分析完成上述概念的驗證。分析是通過在EMPro軟件中建立SMT焊盤3D 模型，然后導(dǎo)入KeysightADS中進行TDR和插損仿真完成的。 分析交流耦合電容的SMT焊盤效應(yīng)在EMPro中建立一個具有中等損耗基板的SMT的3D模型，其中一對微帶差分走線長2英寸、寬5mil，采用單端模式，與其參考平面距離3.5mil，這對走線從30mil寬SMT焊盤的一端進入，并從另一端引出。

圖4和圖5分別顯示了仿真得到的TDR和插損圖。參考平面沒有裁剪的SMT設(shè)計造成的阻抗失配是12Ω，插損在20GHz時為-6.5dB。一旦對SMT焊盤下方的參考平面區(qū)域進行了裁剪(其中“d ”設(shè)為10mil)，失配阻抗就可以減小到2Ω，20GHz時的插損減小到-3dB。進一步增加“d ”會導(dǎo)致條狀電感超過電容，從而引起電感不連續(xù)性，轉(zhuǎn)而使插損變差(即-4.5dB)。 分析B2B連接器的SMT焊盤效應(yīng)在EMPro中建立一個B2B連接器的SMT焊盤的3D模型，其中連接器引腳間距是20mil，引腳寬度是6mil，焊盤連接到一對長5英寸、寬5mil，采用單端模式的微帶差分走線，走線距其參考平面3.5mil。SMT焊盤的厚度是40mil，包括連接器引腳和焊錫在內(nèi)的這個厚度幾乎是微帶PCB走線厚度的40倍。

銅厚度的增加將導(dǎo)致電容的不連續(xù)性和更高的信號衰減。這種現(xiàn)象可以分別由圖6和圖7所示的TDR和插損仿真圖中看出來。通過裁剪掉SMT焊盤正下方適當(dāng)間距“d ”(即7mil)的銅區(qū)域，可以最大限度地減小阻抗失配。小結(jié)本文的分析證明，裁剪掉SMT焊盤正下方的參考平面區(qū)域可以減小阻抗失配，增加傳輸線的帶寬。SMT焊盤與內(nèi)部參考銅箔之間的距離取決于SMT焊盤的寬度以及包括連接器引腳和焊錫在內(nèi)的SMT焊盤有效厚度。在PCB投產(chǎn)之前應(yīng)先進行3D建模和仿真，確保構(gòu)建的傳輸通道具有良好的信號完整性。