在高頻領(lǐng)域，信號(hào)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(shí)，一部分信號(hào)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?hào)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(shí)，更大部分的信號(hào)會(huì)被反射，接收端觀察到的信號(hào)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(huì)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(hào)，在到達(dá)具有更寬銅箔(如0603封裝的30mil寬)的SMT焊盤時(shí)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(jìn)而給傳輸通道的特征阻抗帶來(lái)電容不連續(xù)性，即負(fù)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(shí)應(yīng)插入微型縫合過(guò)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(hào)返回路徑，避免EMI輻射問(wèn)題。
但是，距離“d ”不應(yīng)增加得太大，否則將使條狀電感超過(guò)條狀電容并引起電感不連續(xù)性。式中：
條狀電容(單位：pF);
條狀電感(單位：nH);
特征阻抗(單位：Ω);
ε=介電常數(shù);
焊盤寬度;
焊盤長(zhǎng)度;
焊盤和下方參考平面之間的距離;
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(guò)TDR和插損分析完成上述概念的驗(yàn)證。分析是通過(guò)在EMPro軟件中建立SMT 焊盤3D 模型， 然后導(dǎo)入Keysight ADS中進(jìn)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(gè)具有中等損耗基板的SMT的3D模型，其中一對(duì)微帶差分走線長(zhǎng)2英寸、寬5mil，采用單端模式，與其參考平面距離3.5mil，這對(duì)走線從30mil寬SMT焊盤的一端進(jìn)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(méi)有裁剪的SMT設(shè)計(jì)造成的阻抗失配是12Ω，插損在20GHz時(shí)為-6.5dB。一旦對(duì)SMT焊盤下方的參考平面區(qū)域進(jìn)行了裁剪(其中“d ”設(shè)為10mil)，失配阻抗就可以減小到2Ω，20GHz時(shí)的插損減小到-3dB。進(jìn)一步增加“d ”會(huì)導(dǎo)致條狀電感超過(guò)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(gè)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(duì)長(zhǎng)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(gè)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(hào)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(lái)。通過(guò)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(jìn)行3D建模和仿真，確保構(gòu)建的傳輸通道具有良好的信號(hào)完整性。
