如何实现高频信号在PCB上的有效传输？

时间： 2019-07-10 来源：微波杂志

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在射频/微波系统中高频信号会经过多种媒介的传输,最具挑战性之一就是信号从同轴连接器传输到PCB板。若想在信号没有任何反射的情况下成功完成转换，连接器与PCB不仅要做合适的机械对齐,而且更需要细致的电气优化。信号可以在许多不同种类的同轴连接器和不同类型的PCB板材中传播，连接处的适当处理可以形成无缝的转换。以下的一些常用准则，有助于提高射频/微波信号在双层和多层PCB板上的传输的效果,特别是PCB板包含不同类型的传输线形式,如微带、带状线和共面波导传输线。

成功传输高频信号需要同轴连接器和电路板严格匹配。因为每种连接器和PCB都有很多的选择,随意连接并不能确保它们都能严格匹配。但幸运的是，基于以下一些基本的设计准则和计算机仿真软件，如商业三维(3 D)电磁(EM)仿真器，可以有助于优化信号从同轴连接器到PCB的传输。在一般情况下,信号传输需要同轴连接器和PCB传输线间良好的阻抗匹配。良好的信号传输在较低频处更容易实现,并且一般窄带设计比宽带设计更容易实现。

许多不同类型的同轴连接器可应用于高频电路,包括BNC、N型,和SMA连接器,每个都有自己适用的频段和机械、电气特性。连接器是由阴性阳性(公或母)以及不同的类型区分的,比如标准直插连接器,PCB侧边连接器，PCB直转角连接器。通常,这些连接器和它们连接的同轴电缆,都会有一个特性阻抗,如50或75 Ω。将信号良好的传输到PCB上的关键就是将对从连接器的中心导体到PCB金属传输线的阻抗的不连续性降至最低,使得高频信号可以自连接器到PCB传输线的传输或信号流动没有任何插入损耗或反射(回波损耗)。

信号及其电磁（ EM）场通过电缆和连接器的传播是圆柱形场，相对于在PCB上的传播，他们都是平面或矩形场。从连接器转化到印刷电路板传播时，信号会改变场的方式以适应新的传播媒质，这种不一致性会以信号损耗或反射的形式呈现。PCB上不同类型的传输线在连接器到印刷电路板的转换过程中具有不同的挑战，其中最简单的是接地的共面波导（ GCPW ）传输线，其次是微带传输线，然后是带状线传输线。带状线由于其自身 “埋在介质基板内”，实现连续性是最困难的。

电路设计人员在将信号从不同种类的连接器到不同类型的传输线和PCB板的设计过程中已经掌握了一些技巧。首先，在任何成功实现信号从连接器到PCB的转换过程中，PCB上的接地路径都是一个非常重要的部分，这是由于在将高频信号连续地，低损耗的从连接器传播到PCB的过程中连续的接地回路是必不可少的。接地路径的长度会影响它们之间的信号传输的质量。其次，将同轴连接器金属部件和PCB板导体金属的焊接部分的电导率差异减小也可提高信号传输效率和传播性能，特别是在较高频处。这些小的损耗和阻抗失配随着频率增高越来越明显。

一种实现良好信号传输的最基本做法是，将连接器导体和与它相连的PCB电路导体之间的尺寸差异最小化。相对于低频应用，较高频时连接器的尺寸会变小，与PCB导体宽度相比多半宽很多，从而导致在从连接器导体到PCB电路板导体的过渡处出现寄生电容。电路设计人员已经掌握了通过将导体渐进变窄的方法以实现与同轴连接器的过渡，这种过渡带实质上增加感性和减小容性，从而减小或降低在不连续过渡处引起的电容效应。在连接器和PCB板间信号传输连接处的阻抗失配是由于该电路的电气特性（阻抗）改变了。连接处的电感效应增加会引起阻抗增加，而连接处的电容效应增加会导致阻抗减小。

改变同轴连接器到PCB连接处过渡带的感性或容性特性将改变信号输入处电路的频响特性。PCB板的地平面间隔距离也在这些随频率变化的电路中起到关键作用，这种作用取决于它如何改变PCB和连接过渡处的电感/电容特性。PCB线宽到同轴线导体宽度之间的微带渐进线长度也会影响电路的频率响应。

如何选择PCB材料从而满足高频信号的高性能传输呢？任意电路材料实现良好信号传输的较重要的特征之一是整个材料均匀的介电常数（ Dk）值。这不仅会确保PCB板上传输线阻抗的连续性，也有助于在同轴连接器与PCB板的连接过渡处实现需要的阻抗匹配。电路材料Dk值的选择会在给定频率影响电路尺寸，相比于具有较低Dk值的电路材料，较高的Dk值会得到较窄的导体宽度和较小的电路。PCB板材的厚度也会影响从连接器到PCB板的连续性，由于在相同的阻抗情况下，较厚的PCB板将得到更宽的传输线导体宽度，这就可能需要在PCB上附加渐进线以实现能更紧密地匹配同轴连接器导体宽度的线宽。

多层电路板（通常根据导体层数）在实现与同轴连接器间良好的信号传输过程中本身就有一系列令人头疼的问题，因为它们更加复杂度，甚至可能包含结合在一起的不同的传输线技术。同轴连接器通常安装在多层板的顶层，并通过打孔（PTHs）创建电气路径以实现PCB不同导体层的连接。对内层导体的连接来说可能会更加困难，但是用于实现良好信号传输的基本方法，例如试图匹配连接器和PCB板的导体尺寸的方法仍然有效。