如何解决高频信号传输领域存在的阻抗失配现象

在高频领域，信号或电磁波必须沿着具有均匀特征阻抗的传输路径传播。一旦阻抗失配或不连续现象，一部分信号被反射回发送端，剩余部分电磁波将继续被传输到接收端。

信号反射和衰减的程度取决于阻抗不连续的程度。当失配阻抗幅度增加时，更大部分的信号会被反射，接收端观察到的信号衰减或劣化也就更多。

阻抗失配现象在交流耦合(又称隔直)电容的SMT焊盘、板到板连接器以及电缆到板连接器(如SMA)处经常会遇到。

在如图1所示的交流耦合电容SMT焊盘的案例中，沿着具有100Ω差分阻抗和5mil铜箔宽度的PCB走线传播的信号，在到达具有更宽铜箔(如0603封装的30mil宽)的SMT焊盘时将遇到阻抗不连续性。这种现象可以用式(1)和式(2)解释。

铜箔的横截面积或宽度的增加将增大条状电容，进而给传输通道的特征阻抗带来电容不连续性，即负的浪涌。

为了尽量减小电容的不连续性，需要裁剪掉位于SMT焊盘正下方的参考平面区域，并在内层创建铜填充，分别如图2和图3所示。

这样可以增加SMT焊盘与其参考平面或返回路径之间的距离，从而减小电容的不连续性。同时应插入微型缝合过孔，用于在原始参考平面和内层新参考铜箔之间提供电气和物理连接，以建立正确的信号返回路径，避免EMI辐射问题。

但是，距离“d ”不应增加得太大，否则将使条状电感超过条状电容并引起电感不连续性。式中：

条状电容(单位：pF)；
条状电感(单位：nH)；
特征阻抗(单位：Ω)；
ε=介电常数；
焊盘宽度；
焊盘长度；
焊盘和下方参考平面之间的距离；
焊盘的厚度。

相同概念也可以应用于板到板(B2B)和电缆到板(C2B)连接器的SMT焊盘。

下面将通过TDR和插损分析完成上述概念的验证。分析是通过在EMPro软件中建立SMT 焊盘3D 模型， 然后导入Keysight ADS中进行TDR和插损仿真完成的。

1、分析交流耦合电容的SMT焊盘效应

在EMPro中建立一个具有中等损耗基板的SMT的3D模型，其中一对微带差分走线长2英寸、宽5mil，采用单端模式，与其参考平面距离3.5mil，这对走线从30mil宽SMT焊盘的一端进入，并从另一端引出。

图4和图5分别显示了仿真得到的TDR和插损图。

参考平面没有裁剪的SMT设计造成的阻抗失配是12Ω，插损在20GHz时为-6.5dB。一旦对SMT焊盘下方的参考平面区域进行了裁剪(其中“d ”设为10mil)，失配阻抗就可以减小到2Ω，20GHz时的插损减小到-3dB。

进一步增加“d ”会导致条状电感超过电容，从而引起电感不连续性，转而使插损变差(即-4.5dB)。

2、分析B2B连接器的SMT焊盘效应

在EMPro中建立一个B2B连接器的SMT焊盘的3D模型，其中连接器引脚间距是20mil，引脚宽度是6mil，焊盘连接到一对长5英寸、宽5mil，采用单端模式的微带差分走线，走线距其参考平面3.5mil。

SMT焊盘的厚度是40mil，包括连接器引脚和焊锡在内的这个厚度几乎是微带PCB走线厚度的40倍。

铜厚度的增加将导致电容的不连续性和更高的信号衰减。这种现象可以分别由图6和图7所示的TDR和插损仿真图中看出来。

通过裁剪掉SMT焊盘正下方适当间距“d ”(即7mil)的铜区域，可以最大限度地减小阻抗失配。

3、小结

本文的分析证明，裁剪掉SMT焊盘正下方的参考平面区域可以减小阻抗失配，增加传输线的带宽。

SMT焊盘与内部参考铜箔之间的距离取决于SMT焊盘的宽度，以及包括连接器引脚和焊锡在内的SMT焊盘有效厚度。在条件允许的情况下，PCB投产之前应先进行3D建模和仿真，确保构建的传输通道具有良好的信号完整性。