潛在風險

部分廠商設(shè)計自家產(chǎn)品時，layout的設(shè)計并未照著規(guī)范走，或者因預算考慮，選用未經(jīng)認證的連接器等，這些因素都可能導致產(chǎn)品功能異常，如：數(shù)據(jù)傳輸速度降低、屏幕顯示異常等。而通常這類產(chǎn)品在阻抗連續(xù)或回波損耗特性方面都表現(xiàn)得較差。

實際案例

下圖左紅圈處，可以看到阻抗在連接器的部分非常不連續(xù)，而這種現(xiàn)象常常也會在右側(cè)紅圈處的回波損耗產(chǎn)生Fail

解決方案

透過百佳泰專業(yè)且資深的顧問團隊，使用網(wǎng)絡(luò)向量分析儀E5071C，并以特定的測試波形執(zhí)行在USB4產(chǎn)品上，便能將產(chǎn)品的阻抗及回波損耗一探究竟，協(xié)助確保產(chǎn)品有好的質(zhì)量。

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Faster：

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Easier：

百佳泰同時提供針對信號反射損失原因與解決方案的多重面向分析與量測支持；多面向分析能夠協(xié)助制造商更全面地了解信號反射損失的來源，使其更容易掌握制程變化因素，進而優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計，提高信號質(zhì)量和性能。

Better：

在協(xié)助并支持制造商解決問題并提供取證的同時，百佳泰也提供相關(guān)機構(gòu)測試和環(huán)境兼容性測試項目，以達到提供全方位的優(yōu)質(zhì)服務(wù)，確保產(chǎn)品符合標準要求。

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圖1：HDMI、Thunderbolt及DisplayPort等高頻連接器

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?？吹降挠袃煞NPCB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：

圖2：一個基本波與兩個奇次諧波迭加成數(shù)字方波

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：

圖3：Trace與三種頻率

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：

圖3：FR4與Rogers的相對介電系數(shù)對頻率的變化

（數(shù)據(jù)源：RO4000? Series High Frequency Circuit Materials DATA SHEET）

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）。

圖5：三大波導結(jié)構(gòu)

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。

Coplanar Waveguide：類似Microstrip，走線的兩旁用ground包覆（鋪銅導地），形成Waveguide的形狀。而相較于Microstrip，Coplanar Waveguide能夠變化的物理參數(shù)就比較多，例如走線與ground的距離、ground上的via與走線距離。

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。

高頻量測與治具設(shè)計服務(wù)

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