在擔(dān)任訊號(hào)完整性/射頻工程師時(shí)，許多客戶要求我協(xié)助他們?cè)O(shè)計(jì)針對(duì)同軸測(cè)試連接器的印刷電路板訊號(hào)發(fā)射(PCB launch) ，例如 Molex 零件編號(hào) 73387-0020。客戶一般會(huì)將這類連接器應(yīng)用在那些為測(cè)試其他產(chǎn)品(例如背板或 I/O 連接器)而設(shè)計(jì)的印刷電路板上。為了充分地瞭解待測(cè)件(DUT)，他們希望將測(cè)試連接器和印刷電路板訊號(hào)發(fā)射的頻寬提高到最大。為了達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，我會(huì)向客戶提出一連串問(wèn)題，以瞭解客戶到底想要做什麼。這些問(wèn)題包括：
1. 印刷電路板的材料是什麼？
2. 印刷電路板採(cǎi)用什麼堆疊方式？
3. 傳輸線採(cǎi)用什麼結(jié)構(gòu)？
4. 訊號(hào)路由所在的位置，是在哪一層或哪些層？
5. 對(duì)於內(nèi)層上的訊號(hào)，訊號(hào)通孔採(cǎi)用反鑽(back-drilled)還是盲孔？
6. 如果使用反鑽訊號(hào)通孔，那麼短截線(stub)的最大可能長(zhǎng)度是多少？
7. 測(cè)試連接器與訊號(hào)發(fā)射的所需性能如何(一般指回波損耗或 VSWR)？
在設(shè)計(jì)印刷電路板時(shí)，一般常見(jiàn)到的通孔型式有三種：貫穿通孔(through-hole)、反鑽通孔和盲孔。如下圖所示。本文之目的在於提供一種相對(duì)簡(jiǎn)單的方式來(lái)為反鑽通孔建模，並且為不使用或無(wú)法獲得電氣建模工具的人員提供一些簡(jiǎn)要的經(jīng)驗(yàn)法則。因此，我將探討上文所列的最後三個(gè)問(wèn)題。
關(guān)於問(wèn)題 7，對(duì)於「良好」的訊號(hào)發(fā)射，本人將其定義為在最大測(cè)試頻率下回波損耗不高於 20dB 的連接器/訊號(hào)發(fā)射。此外，我將訊號(hào)發(fā)射的頻寬定義為回波損耗超出 20dB 時(shí)的最大頻率。
模型
首先介紹連接器訊號(hào)發(fā)射的基本傳輸線路圖。我們以同軸線代表該連接器。
為了簡(jiǎn)化該模型以便專注研究通孔短截線，我們假設(shè)走線和負(fù)載成為了理想的負(fù)載，而同軸線和通孔則是理想的傳輸線；換句話說(shuō)，這些器件都不存在損耗，而且具有相同的特性阻抗。
誠(chéng)然，這些假設(shè)並不符合現(xiàn)實(shí)。比如說(shuō)，走線在退出通孔時(shí)沒(méi)有參考平面，而且我們也忽略了連接墊的雜散電容。然而，這些假設(shè)可以使我們清楚地瞭解通孔(或者開(kāi)路)短截線的影響?，F(xiàn)在我們檢視一下該短截線和理想負(fù)載在並聯(lián)組合後所產(chǎn)生的輸入阻抗。
本人曾經(jīng)在 ANSYS HFSS 中採(cǎi)用各種路由方式、印刷電路板材料和短截線長(zhǎng)度來(lái)運(yùn)行 Molex SMA (73251-3480)、2.92 毫米 (73252-0090) 和 2.40 毫米 (73387-0020) 壓縮安裝測(cè)試連接器。
經(jīng)驗(yàn)法則：根據(jù)彙編的資料，對(duì) 50 歐姆系統(tǒng)而言，阻抗幅值(Mag(Z) 行)在某一特定頻率下將超過(guò) 48 歐姆(對(duì)於 75 歐姆系統(tǒng)而言則超過(guò) 72 歐姆)；考慮到採(cǎi)用的開(kāi)路短截線，這個(gè)頻率的估計(jì)值就是連接器和發(fā)射訊號(hào)的最大頻寬
當(dāng)試算表中的 48 歐姆列提供了以 GHz 計(jì)算的頻率；在此一頻率下，試算表Mag(Z) 列的值約為 48 歐姆。RL 20dB 模型的列提供了以 GHz 計(jì)算的頻率，此時(shí)，HFSS? 模型的回波損耗超過(guò) 20dB 。(參見(jiàn)文末的圖表。)每個(gè)模型中都包含一個(gè)連接器和具有 5 毫米帶狀走線的印刷電路板。
2.4 毫米連接器的所有頻寬估計(jì)值(試算表中的 48 歐姆)都處?kù)赌Ｐ突夭〒p耗 20dB 下實(shí)際頻率的 30% 範(fàn)圍內(nèi)。在48GHz 下，最短的短截線長(zhǎng)度超出限值，接近 2.40 毫米介面本身的額定頻寬。
對(duì)於 2.92 毫米連接器來(lái)說(shuō)，0.15 毫米短截線的限值也是 48GHz，超出 2.92 毫米介面的額定頻寬。換句話說(shuō)，開(kāi)路短截線在該模型中並不是限制因素。
此次特定的 SMA 訊號(hào)發(fā)射，是首次嘗試採(cǎi)用盲孔的設(shè)計(jì)，這個(gè)盲孔最終將升至 20 GHz。為了此次調(diào)查研究目的，在模型中添加了通孔短截線。經(jīng)驗(yàn)法則再次偏離了較短的短截線，因?yàn)槌诉@些長(zhǎng)度的短截線外，還有其他問(wèn)題對(duì)發(fā)射頻寬施加了更大的限制。
結(jié)論
1. 在應(yīng)該使系統(tǒng)頻寬達(dá)到最大的情況下，千萬(wàn)不要忽視反鑽通孔的開(kāi)路短截線。
2. 以上所述的“經(jīng)驗(yàn)法則”似乎是對(duì)開(kāi)路短截線所施加帶寬限值的合理估計(jì)。再次強(qiáng)調(diào)，此一估計(jì)值適用於無(wú)法使用或者不會(huì)使用電氣建模工具的人員。
( 本文作者BRIAN O’MALLEY為Molex公司射頻專案高級(jí)工程師 )
