过孔电容主要源于过孔焊盘侧的覆铜与地层覆铜之间构成的电容,它们之间由一个相当小的圆环隔开。另外一个影响源于金属过孔本身的圆柱。寄生电容的影响一般较小,通常只会造成高速数字信号的边沿变差(本文不对此加以讨论)。

过孔的最大影响是相应的互联方式所引起的寄生电感。因为RF PCB设计中,大多数金属过孔尺寸与集总元件的尺寸相同,可利用简单的公式估算电路过孔的影响(图5):

式中,LVIA为过孔的集总电感;h为过孔高度,单位为英寸;d为过孔直径,单位为英寸2。

如何避免PCB设计时造成的ISM-RF设计问题

图5. PCB横截面用于估算寄生影响的过孔结构

寄生电感往往对旁路电容的连接影响很大。理想的旁路电容在电源层与地层之间提供高频短路,但是,非理想过孔则会影响地层和电源层之间的低感通路。典型的PCB过孔(d = 10 mil、h = 62.5 mil)大约等效于一个1.34nH电感。给定ISM-RF产品的特定工作频率,过孔会对敏感电路(例如,谐振槽路、滤波器以及匹配网络等)造成不良影响。

如果敏感电路共用过孔,例如π型网络的两个臂,则会产生其它问题。例如,放置一个等效于集总电感的理想过孔,等效原理图则与原电路设计有很大区别(图6)。与共用电流通路的串扰一样3,导致互感增大,加大串扰和馈通。

如何避免PCB设计时造成的ISM-RF设计问题

图6. 理想架构与非理想架构比较,电路中存在潜在的“信号通路”。

综上所述,电路布局需要遵循以下原则:

确保对敏感区域的过孔电感建模。

滤波器或匹配网络采用独立过孔。

注意,较薄的PCB覆铜会降低过孔寄生电感的影响。

引线长度

Maxim ISM-RF产品的数据资料往往建议使用尽可能短的高频输入、输出引线,从而将损耗和辐射降至最小。另一方面,这种损耗通常是由于非理想寄生参数引起的,所以寄生电感和电容都会影响电路布局,使用尽可能短的引线有助于降低寄生参数。通常情况下,10 mil宽、距离地层0.0625in的PCB引线,如果采用的是FR4电路板,则产生大约19nH/in的电感和大约1pF/in的分布电容。对于具有20nH电感、3pF电容的LAN/混频器电路,电路、元器件布局非常紧凑时,会对有效元件值造成很大影响。

“Institute for Printed Circuits”中的IPC-D-317A4提供了一个行业标准方程,用于估算微带线PCB的各种阻抗参数。该文件在2003年被IPC-2251取代5,后者为各种PCB引线提供更准确的计算方法。可以通过各种渠道获得在线计算器,其中大多数都基于IPC-2251提供的方程式。密苏里理工大学的电磁兼容性实验室提供了一个非常实用的PCB引线阻抗计算方法6。

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