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当你开始画PCB的时候,你会想些什么?

2025-05-27 15:40
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板级工程师,特别是射频板级工程师,经常避免不了,要自己画PCB。

那PCB的时候,我们都要考虑些啥呢?

(1) PCB的叠层

话说,很久很久以前,对于射频工程师而言,几乎不用考虑叠层设计。

为啥?因为当时用的都是双层板,顶层布线,底层为地,然后再找个盒子装上。这样,只要选好板材就可以了,性能肯定是能得到保证的,但是扛不住,又费空间又费钱,所以慢慢地,多层板开始流行起来了。

那涉及到多层板,那就要好好分配了。

就好像房子一样,以前都是平房,所以大家都住一层;但是平房太占土地,所以楼房就流行了。那既然是楼房,大家就开始讨论,该住哪一层了。

如果只有射频电路的话,一般4~6层的就够了;但是如果是射频电路和数字硬件在一起的话,那层数主要就取决于数字硬件所需的叠层了。

对于射频电路来讲,最重要的就是射频电路下面的参考平面,而射频器件一般放在TOP层和BOTTOM层,所以紧邻着TOP层和BOTTOM层的地方,最好放一个参考平面。如下图所示。

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也许有人会讲,怎么一个叫Ground,一个叫Power呢?

个人理解,所谓电源层,在DC的时候,是电源层,但是AC的时候,就可以当做信号的参考平面。就像你看微带线的时候,其实并不关注底层的金属的直流电位是多少。

不过,我在进行射频布板的时候,射频信号下面一般都是地平面,即直流电位为0,虽说直流电位不是0也没关系,还是倾向于能避开就避开。而且,因为射频器件,电流一般都不大,只要线宽足够,电源很多都是拉线过去,所以完全可以避让开来。

(2) 多层PCB板的构成

多层PCB主要由芯板(core),半固化片(prepreg),铜箔组成。

芯板,中间是介质,两面是铜箔,就如双层板。

半固化片,不包括铜箔,主要有两个作用,一个是叠层时的胶水,用来粘上下板子用的,二,固化后也能当介质层用。

如下图所示,虽然都是6层板,有6层铜,但是左边是上下两层是PP,右边上下两层是core。这样的话,左边图只需用两个core,而右边则需要3个。

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我们可以看看在JLC官网上给的6层的叠层结构,你会发现基本都是采用类似左边的结构,上下采用的是半固化片,这样可以少使用一个芯板。我到也没有去核查过core和PP的价格,据说,这样的成本会低点。

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那同样6层,我们应该选择哪种结构呢?

我觉得,如果频率比较高,比如C波段以上了,那就最好选芯板,介电常数和厚度都有保证;PP的话,有时候为了达到需要的厚度,可能会用好几张PP叠在一起,这样就增加了厚度和介电常数的不确定性。

(3) 为啥TOP层和BOTTOM层需要参考平面呢?

主要就是因为回流。

当信号通过微带线传输的时候,不能只看到TOP层的走线,还需要看到相应参考平面的回流,有去有回,才能形成一个完整的信号传输。也就是说,信号在微带线上传输,需要一个参考平面来走回流。

至于,为啥会在相邻层形成回流呢?

我们可以试着从电路和场,分别来理解一下。

先来看一下从路的角度。

在假设我说,电报方程的解,是很多射频公式的起源,你信么(1),有讲过,当信号的波长与传输线尺寸可以相比拟的时候,可以取传输线中无限小的一段,用电报方程来进行模拟,如下图所示。

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所以,当射频信号沿传输线进行传输的时候,传输线的两导体之间是有电压差的,从而产生电流,一部分经过并联器件,到参考平面;一部分继续往后边走。

也就是说,大量电流会在微带线下方的参考平面上流动。

再从场的角度来看一下。

信号在微带线上进行传输的时候,假设金属是理想PEC,其场分布以及PEC处的边界条件如下图所示。

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可以看到磁场的切向和电场的法向都不为0,所以在微带线下方的参考平面处,会存在电流和电荷。

(4) 那对微带线下面的参考平面又有啥要求呢?

主要就是,微带线下面的参考平面中,不要有缝隙,也不要有离太近的过孔。

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