在擔任訊號完整性/射頻工程師時，許多客戶要求我協助他們設計針對同軸測試連接器的印刷電路板訊號發射(PCB launch) ，例如 Molex 零件編號 73387-0020。客戶一般會將這類連接器應用在那些為測試其他產品(例如背板或 I/O 連接器)而設計的印刷電路板上。為了充分地瞭解待測件(DUT)，他們希望將測試連接器和印刷電路板訊號發射的頻寬提高到最大。為了達到這個目標，我會向客戶提出一連串問題，以瞭解客戶到底想要做什麼。這些問題包括：

1. 印刷電路板的材料是什麼？

2. 印刷電路板採用什麼堆疊方式？

3. 傳輸線採用什麼結構？

4. 訊號路由所在的位置，是在哪一層或哪些層？

5. 對於內層上的訊號，訊號通孔採用反鑽(back-drilled)還是盲孔？

6. 如果使用反鑽訊號通孔，那麼短截線(stub)的最大可能長度是多少？

7. 測試連接器與訊號發射的所需性能如何(一般指回波損耗或 VSWR)？

圖1

在設計印刷電路板時，一般常見到的通孔型式有三種：貫穿通孔(through-hole)、反鑽通孔和盲孔。如下圖所示。本文之目的在於提供一種相對簡單的方式來為反鑽通孔建模，並且為不使用或無法獲得電氣建模工具的人員提供一些簡要的經驗法則。因此，我將探討上文所列的最後三個問題。

關於問題 7，對於「良好」的訊號發射，本人將其定義為在最大測試頻率下回波損耗不高於 20dB 的連接器/訊號發射。此外，我將訊號發射的頻寬定義為回波損耗超出 20dB 時的最大頻率。

圖2

圖3

圖4

模型

首先介紹連接器訊號發射的基本傳輸線路圖。我們以同軸線代表該連接器。

圖5

為了簡化該模型以便專注研究通孔短截線，我們假設走線和負載成為了理想的負載，而同軸線和通孔則是理想的傳輸線；換句話說，這些器件都不存在損耗，而且具有相同的特性阻抗。

誠然，這些假設並不符合現實。比如說，走線在退出通孔時沒有參考平面，而且我們也忽略了連接墊的雜散電容。然而，這些假設可以使我們清楚地瞭解通孔(或者開路)短截線的影響。現在我們檢視一下該短截線和理想負載在並聯組合後所產生的輸入阻抗。

圖6

本人曾經在 ANSYS HFSS 中採用各種路由方式、印刷電路板材料和短截線長度來運行 Molex SMA (73251-3480)、2.92 毫米 (73252-0090) 和 2.40 毫米 (73387-0020) 壓縮安裝測試連接器。

經驗法則：根據彙編的資料，對 50 歐姆系統而言，阻抗幅值(Mag(Z) 行)在某一特定頻率下將超過 48 歐姆(對於 75 歐姆系統而言則超過 72 歐姆)；考慮到採用的開路短截線，這個頻率的估計值就是連接器和發射訊號的最大頻寬

當試算表中的 48 歐姆列提供了以 GHz 計算的頻率；在此一頻率下，試算表Mag(Z) 列的值約為 48 歐姆。RL 20dB 模型的列提供了以 GHz 計算的頻率，此時，HFSS? 模型的回波損耗超過 20dB 。(參見文末的圖表。)每個模型中都包含一個連接器和具有 5 毫米帶狀走線的印刷電路板。

2.4 毫米連接器的所有頻寬估計值(試算表中的 48 歐姆)都處於模型回波損耗 20dB 下實際頻率的 30% 範圍內。在48GHz 下，最短的短截線長度超出限值，接近 2.40 毫米介面本身的額定頻寬。

對於 2.92 毫米連接器來說，0.15 毫米短截線的限值也是 48GHz，超出 2.92 毫米介面的額定頻寬。換句話說，開路短截線在該模型中並不是限制因素。

此次特定的 SMA 訊號發射，是首次嘗試採用盲孔的設計，這個盲孔最終將升至 20 GHz。為了此次調查研究目的，在模型中添加了通孔短截線。經驗法則再次偏離了較短的短截線，因為除了這些長度的短截線外，還有其他問題對發射頻寬施加了更大的限制。

圖7 : 通孔短截線研究：SMA

圖8 : 通孔短截線研究：2.92 毫米

圖9 : 通孔短截線研究：2.4 毫米

結論

1. 在應該使系統頻寬達到最大的情況下，千萬不要忽視反鑽通孔的開路短截線。

2. 以上所述的“經驗法則”似乎是對開路短截線所施加帶寬限值的合理估計。再次強調，此一估計值適用於無法使用或者不會使用電氣建模工具的人員。

( 本文作者BRIAN O’MALLEY為Molex公司射頻專案高級工程師 )