撓性印制電路板板邊插頭的優(yōu)化設(shè)計(jì)

錢 燚 翟可鵬，3 馮 卓

［1.珠海景旺柔性電路有限公司，廣東 珠海 519000；2.廣東省精密柔性電路工程技術(shù)研究中心，廣東 珠海 519000；3.景旺電子科技（龍川）有限公司，廣東 河源 517373）

0 引言

在高頻信號傳輸過程中，電路設(shè)計(jì)過程中如果考慮不全面，將會使高速傳輸?shù)臄?shù)字信號出現(xiàn)串?dāng)_、反射、衰減等影響信號完整性的問題［1］。為保證信號完整性，通常要求在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行信號仿真，確保電路設(shè)計(jì)合理。

信號仿真中，S參數(shù)（散射參數(shù)）能夠表征傳輸線阻抗、隔離度、耦合、信號的衰減等，因此S參數(shù)無疑是一種重要的射頻（radio frequency，RF）參數(shù)。撓性印刷電路板（flexible printed circuit board，F(xiàn)PCB）板邊插頭測試S參數(shù)前，需要驗(yàn)證板邊插頭設(shè)計(jì)的合理性，如果板邊插頭回路設(shè)計(jì)不合理，接地通孔（grounding throughhole via，GND VIA）與地線之間的回流傳播間距可能產(chǎn)生寄生電容，對于信號插入損耗波形來說，回流傳播在高頻區(qū)間段內(nèi)產(chǎn)生諧振，會導(dǎo)致信號傳輸質(zhì)量降低。

本文針對板邊插頭進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以減小GND VIA 與地線之間回流傳播間距對信號插入損耗出現(xiàn)諧振點(diǎn)的影響。

1 影響分析

1.1 影響插入損耗因素

插入損耗是指在傳輸系統(tǒng)的某處由于元器件的插入而發(fā)生負(fù)載功率的損耗，表示為該元器件插入前負(fù)載上所接收到的功率與插入后同一負(fù)載上所接收到的功率以分貝dB 為單位的比值。影響傳輸線插入損耗的因素見表1。

表1 影響插入損耗的因素

由表1 可知，導(dǎo)體損耗、介質(zhì)損耗由材料性質(zhì)決定，反射損耗、輻射損耗通過設(shè)計(jì)阻抗線、表面屏蔽等方式減小。板邊插頭測試信號與實(shí)際信號的差異分析串?dāng)_影響較大：GND VIA 與板邊插頭接地線間的回流傳播距離過長，信號傳輸中產(chǎn)生耦合電流，使線路間產(chǎn)生串?dāng)_，造成插入損耗測試波形出現(xiàn)諧振，導(dǎo)致插入損耗數(shù)據(jù)偏大。因此要分析FPCB 信號線耦合損耗（串?dāng)_）原因，以降低串?dāng)_影響。

1.2 串?dāng)_的影響

串?dāng)_是指信號在傳輸通道上傳輸時(shí)，因電磁耦合對相鄰的傳輸線產(chǎn)生不期望的影響，對被干擾信號注入了一定的耦合電壓和耦合電流［2］。根據(jù)麥克斯韋定律，只要有電流存在就會有磁場存在，磁場之間的干擾就是串?dāng)_。還可能會導(dǎo)致傳輸數(shù)據(jù)的丟失和傳輸錯(cuò)誤［3］。

FPCB產(chǎn)品空間受限，板邊插頭接地線段懸空設(shè)計(jì)形成“天線效應(yīng)”，且GND VIA 與板邊插頭接地線間回流傳播產(chǎn)生耦合電流，使信號本身衰減并與鄰近信號干擾，影響傳輸線傳輸信號質(zhì)量。若串?dāng)_增大到一定值會致使信號傳輸誤碼，系統(tǒng)穩(wěn)定性變差，甚至出現(xiàn)信號中斷現(xiàn)象。

2 實(shí)物分析

2.1 疊構(gòu)說明

本實(shí)驗(yàn)選取雙面柔性基銅板鍍銅制作線路、與覆蓋膜壓合作為疊層結(jié)構(gòu)，采用差分線設(shè)計(jì)測試板，具體疊構(gòu)如圖1所示。

圖1 產(chǎn)品實(shí)際疊構(gòu)圖

2.2 板邊插頭及測試線設(shè)計(jì)

FPCB 板邊插頭設(shè)計(jì)如圖2 所示。板邊插頭地線與GND VIA 間有一段回流傳播距離產(chǎn)生耦合電流，造成串?dāng)_；而板邊插頭末端為懸空段，此段線路會形成向外輻射的天線［4］，產(chǎn)生電磁輻射，干擾FPCB 傳輸線傳輸信號質(zhì)量。S參數(shù)測試過程板邊插頭與測試探針標(biāo)準(zhǔn)間距不匹配，在實(shí)際測試中需要在板邊插頭末端增加設(shè)計(jì)一段測試線才能進(jìn)行損耗測試。

圖2 FPCB板邊插頭設(shè)計(jì)

基于以上分析，本文驗(yàn)證優(yōu)化前設(shè)計(jì)、縮短板邊插頭長度、測試端地線相連形成回路3 種方案，如圖3 所示。通過信號損耗測量、信道眼圖擬合分析、史密斯圓圖對比驗(yàn)證分析3 種方式，驗(yàn)證對比3 種方案的信號傳輸變化情況，得出更優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。

圖3 板邊插頭測試線設(shè)計(jì)

3 驗(yàn)證測試

3.1 測試儀器及校準(zhǔn)方法

測試設(shè)備：矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀E5071C、探針臺、GSSG 350探針1對、校準(zhǔn)片。

校準(zhǔn)方法：短路開路負(fù)載傳輸（short-openload-through，SOLT）校準(zhǔn)方式中，與網(wǎng)分連接的探針在已知特性的校準(zhǔn)片上進(jìn)行短路、開路、連接負(fù)載與直通連接校準(zhǔn)，通過網(wǎng)分處理測試數(shù)據(jù)并消除測試誤差。

3.2 信號損耗驗(yàn)證

3.2.1 設(shè)計(jì)方案優(yōu)化前的測試數(shù)據(jù)

優(yōu)化設(shè)計(jì)前插入損耗測試結(jié)果如圖4和表2所示。因信號線間產(chǎn)生串?dāng)_，可以從測試圖及表中看出，在8.244 137 7 GHz 頻點(diǎn)插入損耗波形出現(xiàn)諧振，其傳輸信號質(zhì)量最差，導(dǎo)致此基頻信號傳輸質(zhì)量也隨著降低。

圖4 優(yōu)化設(shè)計(jì)前插入損耗測試

表2 優(yōu)化前設(shè)計(jì)測試數(shù)據(jù)

3.2.2 縮短板邊插頭長度的產(chǎn)品測試數(shù)據(jù)

縮短板邊插頭長度，減少與GND VIA 回流傳播路徑，從而避免產(chǎn)生串?dāng)_，抑制諧振點(diǎn)，改善諧振頻率點(diǎn)上的信號傳輸質(zhì)量，設(shè)計(jì)方案如圖3（b）所示。

縮短板邊插頭長度設(shè)計(jì)方案插入損耗測試結(jié)果見圖5 和表3。由圖5 可見，在8.244 137 7 GHz頻點(diǎn)的諧振有所改善，其測試數(shù)據(jù)趨于正常，但損耗波形稍有抖動(dòng)。

圖5 縮短板邊插頭設(shè)計(jì)方案插入損耗測試

表3 縮短板邊插頭設(shè)計(jì)方案測試數(shù)據(jù)

3.2.3 測試端地線相連形成回路方案測試數(shù)據(jù)

將接地線測試端相連形成回路減小電磁輻射、電磁干擾和避免寄生電容形成串?dāng)_，提升信號傳輸質(zhì)量，從而提高整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)方案如圖3（c）所示。

測試端地線相連形成回路設(shè)計(jì)方案插入損耗測試如圖6 和表4 所示。由圖6 和表4 可見，原在8.244 137 7 GHz 頻點(diǎn)的諧振消失了，測試數(shù)據(jù)恢復(fù)正常，損耗波形更加平滑。

圖6 測試端地線相連形成回路方案插入損耗測試

表4 測試端地線相連形成回路方案插入損耗測試數(shù)據(jù)

對比分析優(yōu)化設(shè)計(jì)前后的插入損耗圖及測試數(shù)據(jù)表明：縮短板邊插頭長度方案和測試端地線相連形成回路設(shè)計(jì)方案，與優(yōu)化前對比，在出現(xiàn)諧振的8.244 137 7 GHz 頻點(diǎn)插入損耗數(shù)據(jù)均進(jìn)行有改善；測試端地線相連形成回路設(shè)計(jì)方案的插入損耗波形在7、8、9 GHz 等頻點(diǎn)損耗波形相對縮短板邊插頭長度方案更加平滑，數(shù)據(jù)結(jié)果與縮短板邊插頭長度方案對比也更優(yōu)。

3.3 信道眼圖分析

從網(wǎng)絡(luò)分析儀中保存優(yōu)化前后產(chǎn)品的實(shí)際測試的數(shù)據(jù)，導(dǎo)入仿真軟件中進(jìn)行信道眼圖擬合觀察，如圖7和圖8所示，同時(shí)得到信道眼圖參數(shù)見表5，優(yōu)化前后產(chǎn)品信道眼圖的眼寬及眼高數(shù)據(jù)對比見表6。

圖7 設(shè)計(jì)方案優(yōu)化前信道眼圖

圖8 設(shè)計(jì)方案優(yōu)化后信道眼圖

表5 設(shè)計(jì)方案優(yōu)化前后信道眼圖參數(shù)

表6 設(shè)計(jì)方案優(yōu)化前后信道眼圖眼高與眼寬對比

在眼寬相同情況下，眼高數(shù)據(jù)較大抗干擾能力較強(qiáng)，傳輸質(zhì)量高。由圖7、圖8 和表5、表6可知，2 種優(yōu)化后方案均能提高信道的眼圖質(zhì)量，優(yōu)化后2 種方案中，測試端地線相連形成回路方案比縮短板邊插頭設(shè)計(jì)方案的眼高數(shù)據(jù)稍大，說明測試端地線相連形成回路方案改善眼圖的效果更好。

3.4 史密斯圓圖對比

從網(wǎng)絡(luò)分析儀中保存優(yōu)化前后產(chǎn)品的實(shí)際測試的數(shù)據(jù)，導(dǎo)入仿真軟件中進(jìn)行插入損耗史密斯圓圖擬合。史密斯圓圖如圖9 所示，參數(shù)見表7，三者反射系數(shù)（Γ）對比見表8。

圖9 優(yōu)化前后插入損耗史密斯圓圖

表7 優(yōu)化前后史密斯圓圖參數(shù)

表8 優(yōu)化前后插入損耗史密斯圓圖反射系數(shù)Γ對比

在插入損耗波形出現(xiàn)諧振的情況下，史密斯圓圖中反射系數(shù)Γ數(shù)值越小則信號反射越少，相鄰線間電流的影響越大，造成信號插入損耗越多；反之在插入損耗波形平穩(wěn)變化的情況下，史密斯圓圖中Γ數(shù)值越大則信號反射越多，造成信號插入損耗越少。由表7可知，比較優(yōu)化前后3種設(shè)計(jì)方案在不同頻率的反射系數(shù)值，優(yōu)化前設(shè)計(jì)方案在諧振頻點(diǎn)處反射系數(shù)急劇下降至最低值，而優(yōu)化設(shè)計(jì)后的插入損耗史密斯圓圖中反射系數(shù)較為穩(wěn)定。從表8 反射系數(shù)數(shù)值方面來看，測試端地線相連形成回路方案略高于縮短板邊插頭設(shè)計(jì)方案，說明測試端地線相連形成回路方案的改善效果要優(yōu)于縮短板邊插頭設(shè)計(jì)方案。

4 結(jié)語

本文從串?dāng)_的形成方面分析和解決傳輸信號插入損耗波形出現(xiàn)諧振的問題。對FPCB 板邊插頭產(chǎn)品，接地線的回路設(shè)計(jì)、減少GND VIA 與板邊插頭接地線間的距離和縮短板邊插頭的長度，可以減小電磁輻射、電磁干擾及寄生電流的產(chǎn)生。隨著高頻高速電路設(shè)計(jì)更加復(fù)雜化，要求損耗越來越低，信號傳輸速度更快、更完整，要求電磁輻射與干擾問題在模擬設(shè)計(jì)及試樣階段就得到解決。因此，更多的電路設(shè)計(jì)需要在設(shè)計(jì)階段就要對插入損耗進(jìn)行分析、仿真模擬、實(shí)物測試、優(yōu)化設(shè)計(jì)，以達(dá)到最佳設(shè)計(jì)方案。本文從串?dāng)_的發(fā)生及解決開展分析，提供了一種可行的思路，供同行參考借鑒。