高速傳輸大量數(shù)據(jù)的需求，帶動著USB4、HDMI、Thunderbolt及DisplayPort等高頻連接器相繼問世。舉例來說，HDMI 2.1在4個信道上傳輸速度可達12Gbps；最新USB4規(guī)格讓傳輸速度最快可支持40Gbps，Thunderbolt? 4 埠具有與 Thunderbolt? 3同樣的40Gbps帶寬。當訊號速度持續(xù)加快時，如何降低噪聲干擾成了重要課題。

現(xiàn)階段，線纜連接器必須克服許多高頻信號問題，包含：衰減（Attenuation）、反射損失（Return Loss）、耦合問題（Crosstalk）、阻抗（Impedance）、走線（Trace）以及走線長度。然而，多少頻率以上稱之為高頻呢？400MHz、1GHz、5GHz還是10GHz呢？

如何避免反射波長

其實，高頻的定義可以看成是否有反射發(fā)生：當電磁波在介質(zhì)（空氣或PCB）上傳遞的時候，如果是連續(xù)介質(zhì)，則不會反射；撞到不連續(xù)介質(zhì)時，若沒有反射發(fā)生，則該頻率在這個介質(zhì)上視為低頻；反之，若產(chǎn)生了反射，則視為高頻。因此，我們常常會聽到一種說法：「反射與波長有關(guān)」。

電磁波的傳遞速率又該如何跟波的運動結(jié)合呢？電磁波在空氣或真空中的傳遞速率為光速

而電磁波在介質(zhì)中傳遞的速率為

因此我們可以用此公式簡單的算出電磁波在介質(zhì)（例如：電路板）上的傳遞速率。

此時將波的速率與電磁波的速率公式合并，則可以獲得電磁波在介質(zhì)上傳遞時的波長：

波的反射概念：傳遞路徑的長度小于傳遞波長的 ，在此條件下不會發(fā)生反射。

簡單的來說，為了避免反射的發(fā)生，我們可以讓在PCB上走的電磁波的波長越長越好（ 大于Trace長度的4倍）。由以上公式可知，降低頻率與降低PCB的相對介電系數(shù)，即可讓波長變長。但實際上因為傳輸需求，數(shù)據(jù)的傳輸速率無法隨心所欲地將頻率降低，PCB的介質(zhì)也不可能為1。

另一個方式：縮短Trace的長度，讓其長度小于傳遞波長的 。或許這個是個可行的方法，但是當傳輸速率越快又或者高頻組件之間的位置限制，高頻Trace可能會有需要5～10cm的長度，縮短Trace長度又似乎未必可行。

高頻走線與阻抗設(shè)計

提到電路板的高頻走線，就會想到Trace的阻抗設(shè)計（Single-End 50Ω或者Differential 100Ω），而上面的說明卻都沒有提到任何的阻抗問題？上面所提的重點是：在無反射的條件下，不管頻率多高，Trace就沒有阻抗問題，亦即不需要做任何阻抗設(shè)計。

上一段提到，隨傳輸速率越來越高，縮短Trace 長度幾乎不可行。因此，拉長Trace必然會有反射產(chǎn)生，根據(jù)電磁波理論，不產(chǎn)生反射的另一個方法就是：Trace阻抗 = 負載阻抗 = 內(nèi)阻抗。

既然是淺談，就避開深奧的理論。以這個概念來看：Trace阻抗 = 負載阻抗 = 內(nèi)阻抗，其實也是符合一開始所說的：只要是連續(xù)介質(zhì)就不會有反射發(fā)生。也就是說，三者阻抗相同，就等于阻抗從頭到尾是連續(xù)的介質(zhì)。

?反射與信號誤判

為什么不希望反射出現(xiàn)？反射意味著部分能量沒有被傳遞出去而返回到原處（發(fā)射端）。這好像沒什么，只要把發(fā)射端的能量再加大滿足接收端所需即可。但實際上，返回的能量會從原處再反射一次，因為波有迭加的性質(zhì)，二次反射到接收端的波會與另一個波迭加，因而產(chǎn)生信號不完整。以數(shù)字信號來看，在接收端原本是1的信號因此可能變成0，而原本是0的信號而變成了1，造成了信號的誤判。

PCB板材挑選攻略

了解了反射所產(chǎn)生的信號問題后，還得挑對PCB，才能著手設(shè)計高頻PCB板。較常看到的有兩種PCB板材是FR4 與 Rogers。

PCB中的其中一項參數(shù)——相對介電系數(shù)左右了信號質(zhì)量的優(yōu)劣

相對介電系數(shù)與頻率有關(guān)，頻率的高低變化伴隨著相對介電系數(shù)也跟著不同。這代表了甚么呢？由公式可以知道

以及

當相對介電系數(shù)隨頻率高低而改變的時候，走在PCB板上的電磁波傳遞速率跟著變化、波長也跟著變化，此即是電磁波理論所提出的色散（Dispersion）現(xiàn)象，這種介質(zhì)稱為色散介質(zhì)或色散材料。色散對傳輸有甚么影響呢？

色散問題全面剖析

數(shù)字符信號是以方波的方式傳遞，也就是0跟1；從單一個的方波來看，他是由無數(shù)個不同頻率的sin波形成。簡化來看，由一個基本波與兩個奇次諧波迭加而成：

當三種不同頻率波在PCB Trace上傳遞的時候，此時由于相對介電系數(shù)跟著不同，因此傳遞速率也跟著不同。也就是理想上，三種頻率速度相同，因此傳出到接收端還是一個完整的方波信號，但實際上，則不然：三種頻率有各有不同的速率，有的跑得快，有的跑得慢。如果Trace拉得夠長，反而會讓方波分解成三種頻率的電磁波，并以不同的時間到達接收端：

相同的High的信號，卻不同時間到達，振幅也下降，這會造成接收端判斷錯誤造成誤碼。再者，這只是一個High的信號，如果后面又接連好幾個High跟Low信號，而后面速度快的超越了前面速度慢的波，此時接收端就更無法判斷數(shù)據(jù)的正確性。

上期說過，雖然我們設(shè)計了Trace阻抗（single-end 50Ω 或 differential 100Ω），可以讓Trace走很長也不會有反射的發(fā)生，但是當遇到色散介質(zhì)?∈_r?(?f?)，也就限制了Trace長度。因此，即便我們做了阻抗設(shè)計，仍還是希望Trace走線能夠設(shè)計多短就多短。

FR4與Rogers材料比較

有了相對介電系數(shù)與色散現(xiàn)象的概念后，現(xiàn)在來看FR4與Rogers的材料。下圖3是FR4與Rogers的相對介電系數(shù)對頻率的變化：

由圖3可知，F(xiàn)R4的 ∈_r ( f )?對頻率變化相當劇烈，而Rogers（RO開頭系列）則穩(wěn)定許多。假設(shè)今天使用的傳輸速率的頻率范圍很寬，例如：PRBS31，那么選擇FR4就必須相當注意色散問題，若要降低色散問題，Trace就要盡可能的短。

大家或許會說：為了一勞永逸，干脆直接選擇Rogers板材，問題就解決了！這個答案是正確的，但是因為Rogers板材成本很高，所以必須三思。該怎么降低成本、信號質(zhì)量又該如何維持而能達到通訊的需求？一直是專業(yè)的Layout工程師思考要如何取得平衡的點。

最后，為什么我們這邊一直沒有提到 ∈_r ( f )?對Trace阻抗的影響呢？實質(zhì)上是會影響的，但是為了避免分析與說明太過于紊亂，因此把阻抗設(shè)計的問題理想化。

PCB板的Layout設(shè)計

上文說明了高頻與電路板之間的關(guān)系，例如如何挑選合適材料又兼顧成本考慮。本篇要來和大家分享高頻PCB板設(shè)計的最后一哩路，也就是PCB上面的Layout設(shè)計。

PCB上的Layout該怎么設(shè)計呢？大家第一個反應(yīng)就是：跑模擬。模擬軟件相當便利，可節(jié)省不必要的成本與時間，但是模擬參數(shù)該如何制訂？預期的模擬結(jié)果該如何計算？首先須具備核心概念才能著手進行Layout設(shè)計，因此本篇短文會針對波導結(jié)構(gòu)進行介紹。

3大波導結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點分析

在制作高頻電路板的時候，第一個問題就是波導結(jié)構(gòu)的選擇。本篇介紹三種基本的傳輸結(jié)構(gòu)：Microstrip、Stripline以及Coplanar Waveguide（共面波導）。

Microstrip：架構(gòu)最為簡單，設(shè)計也簡單。但由于架構(gòu)簡單，在相同的PCB基板條件下，能夠變化的物理參數(shù)不多，例如線寬、線厚與基板厚度。

當頻率越來越高，Microstrip還會有一個問題：Trace上方是空氣?∈_eff? = 1，而下方的基材 ?∈_eff? ≠ 1，此上下場型會有不對稱的情況發(fā)生，而使得電磁波場型不對稱，在傳輸上對信號質(zhì)量會有影響。

Stripline：結(jié)構(gòu)較為復雜，上方與下方基材的?∈_eff? 可以使用接近基板，使得電磁波的場型完整。另外，Stripline高頻走線相互之間不會有遠程串音（FEXT）的影響。

由于走內(nèi)層，需要依靠灌孔與外部零件連接，因此多余via段（稱為Stub）會造成信號衰減與反射問題。減少此問題的方法就是使用背鉆或是盲孔，但這又會導致成本上升。

由于Coplanar Waveguide兩旁是GND，因此可以降低Crosstalk的影響。但在設(shè)計上有個瓶頸：當應(yīng)用上有密度較高的高頻走線的時候，例如PCIe，則此結(jié)構(gòu)未必有足夠的空間可以在走線的兩側(cè)鋪銅接地。

本篇PCB技術(shù)淺談，著重在波反射、信號誤判、板材挑選、波導結(jié)構(gòu)等，事實上高頻PCB的設(shè)計與制造還須考慮眾多量測參數(shù)，包含S參數(shù)、串音耦合、PRBS、DC Balance（8B10B）等等，后續(xù)有機會將會繼續(xù)用技術(shù)短文的方式與大家分享。

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