过孔传输射频信号在多层PCB中的设计

朱文举，陈 娜

(中国电子科技集团公司第13研究所 16专业部，河北 石家庄 050051)



过孔传输射频信号在多层PCB中的设计

朱文举，陈 娜

(中国电子科技集团公司第13研究所 16专业部，河北 石家庄 050051)

为提高过孔传输射频信号的工作频率和频率带宽，文中通过仿真软件对多层PCB上的过孔建立模型进行仿真，经过理论分析和参数优化，得到最佳的过孔尺寸，并根据仿真结果加工实物，验证仿真结果的可靠性。测试结果表明，优化后的过孔设计可以用于传输10～30 GHz的射频信号，其端口驻波在2.0∶1以内，插入损耗为1.2～4.3 dB，在10～26 GHz的频率范围内，其插损<2.7 dB。

过孔；多层PCB；射频信号传输

随着组件产品日益增长的小型化、轻量化的要求以及工作频率和工作带宽的不断提高，设计中为了减小体积，一般采用多层PCB印制板，同时利用过孔传输射频信号，代替传统的射频连接器和微波同轴线缆的使用。一般来说，在频率低于1 GHz时，过孔能起到良好的连接作用，其寄生电容、电感可以忽略[1-4]。当频率高于1 GHz后，过孔的寄生效应对信号完整性的影响就不能忽略，尤其是对宽频带的高频信号，其寄生效应更为复杂，此时过孔在传输路径上表现为阻抗不连续的断点，会产生信号的反射、延时、衰减等信号完整性问题[5-7]。

目前，有关过孔研究基本是采用仿真软件来模拟过孔参数对过孔阻抗及S参数的影响[8-10]。不能准确给出过孔参数的影响程度，难以指导实际工程设计。为提高过孔传输射频信号的频率和工作带宽，本文对多层PCB上的过孔进行建模仿真，通过理论分析，优化参数得到最佳的过孔尺寸。根据仿真结果，加工实物进行测试，最后给出了达到的技术指标和结论。

1 过孔的定义

在多层PCB设计中，过孔一般指用作层间电气连接的孔，可以用来连接电源和控制信号，也可以用来传输射频信号[11]。过孔一般由金属柱、焊盘和反焊盘组成，金属柱是不同层之间的电气互连通路，焊盘是金属柱与层上传输线相连的过渡区域，反焊盘用以隔绝焊盘与信号层上其他传输线。在PCB设计中，过孔的尺寸越小越好，这样可以节省布线空间，满足小型化的要求，而且过孔越小，其寄生效应越小，对产品性能所产生的影响也就越小。但是过孔越小，对PCB加工工艺的要求越高，提高加工成本，需要综合考虑来平衡两者之间的矛盾。

2 过孔的寄生效应

过孔本身存在寄生效应，包括寄生电容和寄生电感。产品的工作频率越高，寄生效应对其工作性能的影响就越明显。传输线经过过孔时，阻抗通常会减小12%(具体与过孔的尺寸以及PCB的板材有关)[12]。因此，通过选择合适的板材以及过孔尺寸，可以降低由于阻抗不连续性所引起的反射。过孔结构如图1所示。

图1 过孔结构

2.1 过孔的寄生电容

假设PCB板材的介电常数为ε，则过孔的寄生电容大小可近似表示为[13]

(1)

其中，D1为过孔的外径；h为过孔的长度也就是PCB板的厚度；D2为反焊盘的直径。

高频电路中，采用介电常数较小、厚度较薄的板材，同时减小过孔焊盘直径，增加反焊盘的直径，可以达到减小过孔寄生电容的目的。

2.2 过孔的寄生电感

过孔的寄生电感会削弱旁路电容的作用，从而减弱整个电源系统的滤波效果，造成传输信号的泄露和串扰，对产品性能的影响更大。

过孔的寄生电感L为

(2)

其中，h表示表示PCB板的厚度；d表示过孔的内径。

可以看出，PCB板的厚度对其寄生电感的影响较大，减小其厚度可以降低过孔产生的寄生效应。但是，在实际工程应用中，越来越多的电路设计要求使用多层PCB实现复杂的功能，使得PCB板的厚度无法太小，因此需要从其他方面入手来改善过孔的寄生效应。

3 过孔模型仿真

通过上述分析，应用仿真软件对6层PCB板上的过孔建立模型如图2所示。PCB采用聚四氟和环氧板材混压的共面波导结构，该6层板总厚度为1.2 mm，顶层和底层都采用介电常数为2.2、厚度为0.254 mm的聚四氟板材，其它层使用环氧。模型中，设置射频带线的宽度为0.66 mm，与地之间的距离为0.5 mm；过孔的内径为0.4 mm，焊盘直径为1.0 mm，反焊盘直径为1.416 mm。仿真曲线如图3所示，可以看出在DC～30 GHz的频率范围内，端口的回波损耗S11和S22均在-20 dB以下。

图2 过孔的仿真模型

图3 过孔的仿真结果

4 过孔模型的实物验证

根据仿真结果加工样品如图4所示，输入、输出接插件采用SMA-K2.92，与带线之间通过金带连接。利用矢量网络分析仪测试，结果如图5所示。在10～30 GHz以内，样品的端口驻波均在2.0以下，插损为1.2～4.3 dB；在10～26 GHz以内，插损为1.2～2.7 dB。

图4 样品照片

图5 样品测试曲线

5 结束语

本文对过孔进行建模仿真，优化参数得到最佳的过孔尺寸。实测结果表明，在10～30 GHz的频率范围内，过孔传输射频信号完全可以满足实际工程应用的需求。

由于该过孔模型是建立在理想边界条件下，即PCB板接地面与盒体接触良好，在实际应用中，PCB板与盒体间必然有一定的缝隙，输入、输出端口与带线之间的不连续，导致实测结果比仿真曲线略有恶化[14]。一般而言，不连续性是一种辐射源，它将产生辐射和高次模，引起信号的衰减、有害的耦合和串扰，从而引起传输性能的恶化，随着频率的升高，这种不连续的影响将愈发突出[15]。在后续的研究中，可以考虑将PCB板侧壁进行金属化处理，使各层地之间通过侧壁连接在一起，再与盒体紧密接触，降低这种不连续性对传输性能的影响，进一步提高过孔传输射频信号的频率。

[1] Richard W Y C,See K Y,Chua E K.Comprehensive analysis of the impact of via design on high-speed signal integrity[C]. Combridge,USA:9th Electronics Packaging Technology Conference,2007.

[2] Laermans E,Geest J D,Zutter D D,et al.Modeling complex vìa hole structures[J].IEEE Transactions on Advanced Packaging,2002,25(2):206-214.

[3] Kohlmeier D.Via modeling[J].Printed Circuit Design & Manufacture,2005,22(12):26-28.

[4] 王红飞,陈蓓.高速PCB单端过孔研究[J].印制电路信息,2014(7):10-11.

[5] 胡劲松.LVDS信号完整性分析及高速背板设计[D].南京:东南大学,2004.

[6] 金炜东.高速PCB信号完整性分析及应用[D].成都:西南交通大学,2006.

[7] Bogatin E.信号完整性分析[M].李玉山,李丽平,译.北京:电子工业出版社,2005.

[8] Cai X W,Tian Y,Tong L.Electromagnetic characterization analysis of the connecting structure of the via in multilayered microwave circuit[C].Nanjing,China:Global Symposium Millimeter Waves,2008.

[9] Kim Y W,Kim J H,Yang H W,et al.A new via hole structure of MLB (Multi-Layered printed circuit Board) for RF and high speed systems[C].Lake Buena Vista,USA:55th Electronic Components & Technology Conference,2005.

[10] Wang C,Fan J,Knighten J L,et al.The effects of via transition on differential signals[C]. Singapore:IEEE Electrical Performance of Electronic Packaging,2001.

[11] 吴成,卢满宏,周三文,等.多层高速PCB通孔分析与设计[J].遥测遥控,2015,36(2):33-34.

[12] 王红飞,李志东.高速PCB过孔设计研究进展[J].印制电路信息,2012(5):18-19.

[13] 王永军,王俊鸣.高速多层PCB 板中过孔的建模、仿真及分析[J].电子科技,2013,26(9):41-42.

[14] 张松松,刘飞飞.高速电路板级信号完整性设计[J].电子科技,2013,26(10):106-109.

[15] 甘体国.毫米波工程[M].成都:电子科技大学出版社,2006.

Design of RF Signal Transmission on Multilayer PCBs by Vias

ZHU Wenju,CHEN Na

(16thDepartment, 13thInstitute of China Electronics Technology Group Corporation, Shijiazhuang 050051, China)

In order to improve the operation frequency and frequency width of RF (radio frequency) signal transmission by vias in the design of multilayer PCBs, the via model is constructed through simulation software and the optimum via parameters are obtained by theoretical analysis and optimization of the model parameters. Based on the simulation results, a module is manufactured which validated the reliability of the simulation. Test results show that vias can be used to transmit the RF signal of 10～30 GHz with a port VSWR less than 2.0∶1, a insertion loss between 1.2 dB and 4.3 dB, a frequency range between 10 GHz and 26 GHz, and an insertion loss less than 2.7 dB.

via; multilayer PCB; RF signal transmission

2016- 12- 19

朱文举(1983-)，男，硕士，工程师。研究方向：多通道宽带接收机等。陈娜(1989-)，女，硕士，助理工程师。研究方向：微波宽带接收机等。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.07.036

TN817

A

1007-7820(2017)07-130-03