Samtec連接器小課堂 | RF白皮書系列中篇： Via Stubs的影響評估與正確的接地環(huán)尺寸

【摘要/前言】

上接系列上篇，我們初步了解了RF 端點的定義，今天我們將繼續(xù)討論其四個關(guān)鍵領(lǐng)域中的前面2個：Via Stubs的影響與正確的接地環(huán)尺寸

【評估通孔的影響】

使用通孔轉(zhuǎn)接到內(nèi)層時，通孔在超出轉(zhuǎn)接的內(nèi)層之下的部分會產(chǎn)生一個截線(Stub)。頻寬目標越高，Stub對性能的影響越大。當Stub長度等于1/4波長的頻率時影響最嚴重(參見公式1)。

雖然f0是影響最顯著的頻率，但早在這個頻率之前，通孔Stub就開始降低通孔轉(zhuǎn)換的性能，因為它為端點增加額外電容。

將通孔Stub的影響降到最低的常用策略是，將大部分的Stub用背鉆去掉。在背鉆過程中，PCB制造商從連接器端點的另一側(cè)鉆掉通孔Stub。但沒有一個制造過程是完美的，背鉆不能接近訊號端點層，因為擔心會破壞通孔和導(dǎo)線之間的接點。因此，在背鉆過程中，總會有Stub留下，而剩余的長度也會產(chǎn)生公差。例如，一家PCB制造廠可能會說，剩余的Stub長度可以是8mil±4mil。在這種情況下，背鉆的通孔可能會留下4~12mil長的Stub，是相當大的范圍。這是一個保守的Stub長度變化，在許多情況下，有可能得到更小的Stub。

為了說明推動最短Stub長度的必要性，請看圖3的16條曲線，每一條都對應(yīng)著0~15mils之間的Stub長度。Stub長度越短，整個頻段的回波損耗就越好。

為了更好地觀察頻寬的影響，回波損耗越過15dB水平(VSWR=1.4)的頻率繪制成圖4。關(guān)于曲線的形狀，有兩個要點需要注意：

第一，曲線并非線性，較長的Stub長度會導(dǎo)致通孔轉(zhuǎn)換頻寬迅速下降；

第二，對于短Stub長度，頻寬的減少并不明顯。

因此，推動短的Stub和嚴格的公差，從增加端點工作頻寬和電路板上所有端點行為相似的兩種角度來看，都提供了明顯的好處。

到目前為止，只看了單個Stub的影響。每條內(nèi)層走線至少有兩個Stub，一個在端點端，另一個在設(shè)備端。因此，由Stub引入的任何性能下降都將經(jīng)由走線兩端的Stub之間建立的反射放大(圖5)。對于圖5所示的三種Stub長度中的每一個，在3吋長低損耗走線任一端的兩個通孔端點之間反彈的反射回波損耗影響以實線表示，而虛線顯示了單個端點的比較性能，在每一種情況下皆明顯優(yōu)于雙通孔的情況。

理想情況下，針對通孔Stub的最佳緩解策略是使用完全沒有Stub的雷射通孔。然而，如果必須使用背鉆通孔，也可以在端點設(shè)計中對Stub引入的電容進行有限補償。在設(shè)計補償結(jié)構(gòu)時，可能很想對最壞情況下的Stub長度進行補償。然而，如果Stub的公差很大，仍可能導(dǎo)致性能不佳。為理清這點，請看圖6。

這里假定6mil Nominal Stub的公差為4mil。端點補償?shù)脑O(shè)計是為最壞情況10mil的Stub長度提供最佳阻抗匹配。因此，對于10mil的Stub，端點的阻抗在標值的1歐姆(Ω)以內(nèi)。問題出現(xiàn)在Stub長度在公差另一端(2mil)的通孔中。對于這個Stub的長度，端點看起來相當有感應(yīng)。請記住，電路板上的每一個Stub不需要長度相同。±4mil的公差可能會導(dǎo)致一些通孔看起來是電感性的，另一些則不是，即使它們是相鄰的端點。

【正確的接地環(huán)尺寸】

內(nèi)接地環(huán)對端點的性能影響甚大，兩個主要因素決定內(nèi)GND孔環(huán)的直徑：

-----端點區(qū)域的阻抗

圖7展示透過將訊號鉆孔尺寸視為同軸電纜的中心導(dǎo)體直徑，將內(nèi)部GND環(huán)直徑視為同軸電纜的屏蔽層直徑，可以確定端點區(qū)域的阻抗。對于長通孔，可以使用標值的系統(tǒng)阻抗(例如50Ω)作為目標阻抗。然而，短通孔會受到端點與連接器本體末端之間相互作用造成的電容性負載強烈影響。出于這個原因，更高的目標Z0(如70Ω)更好。如此，連接器+端點的平均效應(yīng)就更接近于50Ω。

-----端點所支援的高階模態(tài)的截止頻率

通常，在同軸RF連接器的端點中，只希望傳播基礎(chǔ)模式，這就是橫向電磁模式(TEM)。高于一定頻率稱為"截止頻率"，端點可以支援更高階模式。當這種情況發(fā)生時，能量會在不同的模式之間傳播，并由于傳播方式不同，訊號很快失真。為了防止這種情況，端點需要特別設(shè)計，使截止頻率位于想要的頻寬之外。圖7顯示截止頻率與GND環(huán)的大小和沿通孔傳播時的介電常數(shù)(εR)成反比。這些數(shù)字越高，截止頻率就越低，端點工作頻寬就越低。當直徑(Dv, DGND)以吋為單位時，圖7的fcutoff公式提供以GHz為單位的截止頻率。

阻抗和截止頻率也都與訊號沿孔道傳播時看到的介電常數(shù)成反比。值得注意的是，這個εR不需要與走線看到的值相匹配。原因是PCB由黏合在一起的層壓板組成。層壓板是復(fù)合材料，由玻璃纖維和樹脂組成，有芯板層和預(yù)浸層，每層都由玻璃纖維和樹脂層組成。由于每層介電性能各異，訊號看到的有效介電常數(shù)取決于其行進方向。換句話說，就介電常數(shù)而言，PCB各向異性。各向異性越高，通孔介電常數(shù)與走線相比差異越大。

為了實現(xiàn)高頻寬端點，樹脂和玻璃的介電常數(shù)應(yīng)該低且相等，這確保通孔周圍盡可能低的介電常數(shù)，也確保最高截止頻率。圖8顯示，要達到>90GHz的截止頻率，訊號鉆孔直徑需要<5mil和<3.1mil的介電常數(shù)。圖中的數(shù)值可以作為指導(dǎo)RF端點設(shè)計的一個有用的起點。

由圖8可以從數(shù)學(xué)上理解為什么端點的性能在截止頻率附近迅速下降。該情況的物理解釋，請參考圖9。此處端點和周圍的GND通孔的物理結(jié)構(gòu)顯示在圖的左邊。通孔的綠色部分(左圖通孔的上半部)代表希望訊號能量通過的部分。然而，由于GND通孔是貫通的，它們繼續(xù)在走線的參考層以下，在訊號參考層以下形成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。為了更直觀地了解這一點，在圖9右半部分顯示了一個概念性的示意圖。

圖9的右半部分顯示連接器將能量發(fā)射到端點的同軸部分，訊號能量沿著帶狀線傳播。然而，在布線參考層下面，GND通孔在訊號通孔下方形成圓形波導(dǎo)。在布線參考層下還有幾個由平面層和縫合的GND通孔形成的矩形通孔。在走線下方的圓形波導(dǎo)和矩形波導(dǎo)是非TEM結(jié)構(gòu)，這意味著它們不能傳播低于fcutoff的能量。

有了這個理解，請看看能量在不同頻率下是如何在端點中流動的。圖10是低于fcutoff (左半部)和高于fcutoff (右半部)的電場模式。在fcutoff以下，能量保持在帶狀線層內(nèi)，訊號通孔下方的圓形波導(dǎo)不能傳播能量，這正是原本希望發(fā)生的情況。不過，在fcutoff以上，圓形波導(dǎo)現(xiàn)在可以傳播能量并從TEM模式中去除沿帶狀線傳播的能量，并將其一部分透過參考層下方的矩形腔發(fā)送。這是不希望出現(xiàn)的情況，因為能量會經(jīng)由平面空腔傳播到電路板的其他部分，造成串擾、輻射和其他不良影響。因此，保持在fcutoff以下對于獲得高性能、大頻寬的端點至關(guān)重要。

雖然圖10中顯示的場圖有助于理解導(dǎo)致性能不佳的物理效應(yīng)，但計算場圖的計算量相當大且需要大量時間。有一種更快的方法可以查看端點性能是否因允許傳播高階模式而受到不利影響。圖11顯示一種稱為損耗因子的指標。損耗因子是未到達結(jié)構(gòu)任何埠的能量量度。對于兩個埠的結(jié)構(gòu)，例如∣S11∣2+∣S21∣2是流經(jīng)埠1的總能量。這個能量若非傳輸至埠2(即∣S21∣2)，就是反射到埠1(即∣S11∣2)。這種情況下，損耗因子是1-(∣S11∣2 + ∣S21∣2)。圖11顯示在fcutoff以下，能量損失逐漸增加，與銅和電介質(zhì)損失的能量相對應(yīng)。然而，在fcutoff以上，損耗因子迅速增加，表示高階模式正將能量帶到結(jié)構(gòu)的其他部分，端點表現(xiàn)不再如預(yù)期。

【Samtec解決方案 Solutions】

Samtec憑借多年的創(chuàng)新，為廣大客戶提供陣容龐大的RF產(chǎn)品體系，支持任何互聯(lián)需求——無論應(yīng)用、性能要求或環(huán)境如何，使客戶在選用Samtec產(chǎn)品時更得心應(yīng)手。

下一期，我們將來到系列終章