高頻（HF）和射頻（RF）在航空航天、國防和醫療等多個領域是基礎，并且在通信系統、雷達設備和成像設備中經常遇到。然而，高頻通常涉及 PCB 設計人員通常在非高頻設計中不會遇到挑戰，例如阻抗匹配、集膚效應、串擾、EMI 問題和反射。

高頻設計的特性

高頻電路并非由設計中的最高時鐘頻率決定；而是由高速信號的上升時間決定是否為高頻電路。高頻電路中通常上升時間低于 5ns。更快的數字信號具有更短的上升時間，因此在頻域中具有更高的帶寬。

在高頻設計中，無源元件用于阻抗匹配、濾波、調諧和信號耦合。它們塑造信號的特性而不放大它。相反，有源元件用于信號放大、調制、解調和頻率轉換。它們在信號強度增強和處理中起著至關重要的作用。

高頻設計中傳輸線的趨膚效應及問題

傳輸線在 PCB 板上傳輸射頻信號，跨越 HF 組件之間的長距離，理想情況下應保持信號完整性，并盡量減少相鄰走線之間的失真和串擾。在射頻設計中，傳輸線通常需要長度匹配，并且走線必須設計成具有特定的阻抗，具體取決于目標應用。設計具有特定阻抗的傳輸線有助于減少信號反射、駐波、信號衰減和 EMI 問題。

理想導體不會有電容損耗或其他副作用，如集膚效應。然而，銅不是理想的導體；因此，在 HF 設計中考慮集膚效應至關重要。傳輸線中的集膚效應損耗會隨著傳輸信號頻率的增加而增加。這個問題可以總結為電場在 HF 傳輸線邊緣集中的現象。在非常高的頻率下，電場沒有足夠的時間在整個導電表面擴散。因此，電流集中在銅表面的部分區域，而不是整個走線。頻率越高，這個區域就越窄。

這種能量表現為一個磁場，在整條走線的所有方向上擴散，而不僅僅是在下一個參考平面的方向上。這種現象在微帶線走線中尤其成問題，因為走線的一側沒有明確的低阻抗返回路徑到參考平面。在這種情況下，如果不加以考慮，信號可能會在附近的傳輸線中感應出電感串擾。

這張圖片說明了沒有清晰、低阻抗的返回路徑的傳輸線如何在附近的走線上感應串擾。

PCB 設計人員采用各種方法來應對這些問題。首先，通過改變堆疊結構，使關鍵的高頻傳輸線作為具有兩側獨立參考平面的帶狀線進行制造，有助于減少趨膚效應損耗，同時同時抑制 EMI 噪聲。然而，對于足夠短以至于不能作為分布式傳輸線的走線，由于額外的過孔損耗，它們不會從這種措施中受益。

在高頻 PCB 設計中，將電流分布在較大的銅區也可以幫助減輕集膚效應損耗。工程師可以選擇加寬走線或增加其厚度，只要這些變化與走線的目標阻抗相一致。增加走線寬度進一步降低了走線電感，并有助于減少傳輸線之間的感性串擾。類似地，設計人員可以選擇更平滑的銅類型，因為銅的粗糙度對集膚效應損耗有顯著影響，尤其是在非常高的頻率下。此外，改變電路板的基板會改變介電常數，因此也會影響集膚效應損耗。

高頻設計中的長度匹配

除了為特定目標阻抗設計走線外，長度匹配是確保高頻設計可靠性和正確性的關鍵工具。匹配走線長度有兩個目的。在匹配對數字信號中，一條線路的信號與其他線路不同步到達會導致接收端解碼的數字狀態過短，從而導致數據傳輸錯誤。其次，如果發送端的噪聲在差分對的兩條線路中同時感應，噪聲可能會被抵消。但是，如果噪聲信號不同步，它們就不會被抵消，在最壞的情況下會加劇噪聲模式。

 該圖說明了不同步的配對信號可能引起的兩個問題。
因此，在較短的線路上添加長度匹配結構，可以確保走線長度和更重要的是信號傳輸時間幾乎相同。設計人員可以選擇各種圖案，只要添加的結構是對稱的。然而，蛇形布線和單簧管長度匹配是最受歡迎的。當匹配多個長度匹配對時，所有較短的組中的兩條走線都應延伸以匹配最長的組。如果適用，設計人員應將長度匹配結構添加到發射端而不是接收端，以確保信號在更長的距離上同步傳輸，防止它們在沿走線傳播時漂移分離。

最后，在 PCB 上保持高頻線路盡可能遠，并保持合理的距離。走線應至少與涉及傳輸線到其下一個合適參考平面的最短距離的三倍分開。

通孔引腳在 HF 設計中的作用

過孔在高頻設計中起著至關重要的作用，工程師在處理信號完整性和低阻抗返回路徑方面應與常規 PCB 一樣謹慎。在這方面，在信號過孔旁邊添加接地過孔有助于為信號在層間傳輸時提供確定的低阻抗返回路徑。

此外，過孔引腳需要更仔細的處理，因為如果不考慮它們在高頻設計中的影響，它們可以作為未端接的傳輸線，導致阻抗失配和信號反射。模擬信號和數字信號的不同波長分量會與過孔引腳相互作用，它們可能會失真，導致接收器無法讀取原始信號。

這張圖片說明了如何通過背鉆去除過孔引腳（紅色高亮所示），以消除未設計、未連接的傳輸線。

在這些情況下，設計人員應盡量縮短過孔引腳長度以滿足其設計的頻率要求。然而，由于理想的長度目標可能無法實現，因此可能需要進行后鉆孔以去除剩余的引腳。

理想情況下，設計人員希望避免在高頻傳輸線中使用過孔，通過將邏輯相關的組件分組并保持它們之間的連接短來實現。但是，如果需要使用傳輸線過孔，請使用較小的過孔以減少電感。

過孔縫合和過孔圍欄

戰略性地放置在敏感組件或易受影響的 功能組周圍的過孔圍欄可以通過創建導電屏障來屏蔽它們免受 EMI 的影響。這些過孔圍欄連接到參考平面，并提供低阻抗的返回路徑。

這張圖片展示了高速 PCB 設計中關鍵走線周圍的過孔圍欄。圖片由 Altium 提供。

過孔縫合是一種類似的技術，試圖在 PCB 堆疊的多個層上連接相同的參考平面。這種技術在最小化地環路和減少高頻電路中的噪聲方面特別有效。如果需要在層之間轉換時進行額外的阻抗控制，設計人員可以采用錐形過孔，它們提供逐漸減小的直徑，以幫助最小化阻抗變化和信號反射。

這張圖片說明了添加過孔如何幫助在 PCB 設計中縫合兼容的參考平面。圖片由 Altium 提供。