高速PCB谐振威力，不容小觑

高速先生成员--姜杰如果大家对平面谐振腔的印象还停留在方方正正的铜皮上，这篇文章可能会颠覆你的认知……高速先生最近在做SMA测试板的仿真时，遇到一个奇怪的现象：同一块PCB，某些层面走线的高速信号，插损曲线会出现窄频带的下冲：https://p3-sign.toutiaoimg.com/tos-cn-i-6w9my0ksvp/8188b89c5398446196fddf1501fa50c2~tplv-tt-shrink:640:0.image?lk3s=06827d14&traceid=202602031356440FB6D991086D87E7E86F&x-expires=2147483647&x-signature=HafjSCIaMrrax9cCFJwHvIVP3WM%3D

遇到这种现象，想必大家的第一反应是去检查信号过孔stub。正常情况下，stub过长确实会引起信号插损在窄频带内的异常跌落，可惜这个案例属于非正常情况——经过排查，背钻设置正常，可以排除过孔stub的影响。https://p3-sign.toutiaoimg.com/tos-cn-i-6w9my0ksvp/cb066cd456184e238a5aeaaf7e6d92e4~tplv-tt-shrink:640:0.image?lk3s=06827d14&traceid=202602031356440FB6D991086D87E7E86F&x-expires=2147483647&x-signature=89AE5QygLX9bKn8h0BNuiSeIbGo%3D

如果你还记得文章标题，大概也猜到了原因：平面谐振。那就不卖关子了，直接开始我们的揭秘之旅。https://p3-sign.toutiaoimg.com/tos-cn-i-6w9my0ksvp/f320198aedae4403ade202684b2d9189~tplv-tt-shrink:640:0.image?lk3s=06827d14&traceid=202602031356440FB6D991086D87E7E86F&x-expires=2147483647&x-signature=vc30V2VtvAZXGK7dv5rPMEfH3%2Bc%3D

仿真对象是一对从SMA头引出的差分走线，对应的PCB长这样：https://p3-sign.toutiaoimg.com/tos-cn-i-6w9my0ksvp/91065c741e054a9d8b1148bb79faf02c~tplv-tt-shrink:640:0.image?lk3s=06827d14&traceid=202602031356440FB6D991086D87E7E86F&x-expires=2147483647&x-signature=hEZLNMAFZxfaVFAmVCpMTevkZoA%3D

除了文章开头提到的走线层面会有影响，另外一个有趣的发现是：信号过孔的反焊盘大小，同样会影响插损。与走线层面影响下冲幅度不同的是，反焊盘主要影响下冲的频点。https://p3-sign.toutiaoimg.com/tos-cn-i-6w9my0ksvp/67eb206c65fc4481a0308a4be63fde85~tplv-tt-shrink:640:0.image?lk3s=06827d14&traceid=202602031356440FB6D991086D87E7E86F&x-expires=2147483647&x-signature=wiGQI6epcWY9fnqiRV3cihBa2OE%3D

综合考虑以上两个影响因素，再回过头来检查设计，L13层的电源平面嫌疑最大。https://p3-sign.toutiaoimg.com/tos-cn-i-6w9my0ksvp/d717754cc6694bcc9050751f6ead1455~tplv-tt-shrink:640:0.image?lk3s=06827d14&traceid=202602031356440FB6D991086D87E7E86F&x-expires=2147483647&x-signature=DFGg2OsQ39kEVRDSlU7dInnsg9c%3D

验证的方法很简单：其它不变，直接删除L13层电源平面。https://p3-sign.toutiaoimg.com/tos-cn-i-6w9my0ksvp/8130a97a158e43389022517655a37a9b~tplv-tt-shrink:640:0.image?lk3s=06827d14&traceid=202602031356440FB6D991086D87E7E86F&x-expires=2147483647&x-signature=9aVpWFykChN%2FUXTeosNmD9EVxzc%3D

删除电源平面后的信号插损下冲消失，问题得以定位。再从信号回流的角度分析，对比电源平面删除前后，相邻L12层GND平面的电场分布。可以发现，电源平面删除后，相邻GND平面回流明显增加，这也从侧面说明了插损异常的信号回流有相当一部分是走电源平面的。https://p3-sign.toutiaoimg.com/tos-cn-i-6w9my0ksvp/ed0118a75fc34671ad7b7e5500f9fbd2~tplv-tt-shrink:640:0.image?lk3s=06827d14&traceid=202602031356440FB6D991086D87E7E86F&x-expires=2147483647&x-signature=bc%2FTsdsqFGYLUXtMO%2FO%2BJSzc5N4%3D

继续深挖，为啥信号过孔反焊盘的大小也会影响插损？仔细观察电源平面的特征，由于信号过孔及周边包地孔的打断，电源平面在信号过孔周边形成了一个环（下图红色圆圈的位置）。中间信号过孔的反焊盘其实影响的就是铜环的面积。https://p3-sign.toutiaoimg.com/tos-cn-i-6w9my0ksvp/f76971c5710849cc9b52f608644ca8b3~tplv-tt-shrink:640:0.image?lk3s=06827d14&traceid=202602031356440FB6D991086D87E7E86F&x-expires=2147483647&x-signature=PMJ9%2BP3NAp6DwLxpqou7U9TmfAU%3D

于是，高速先生又有了一个大胆的猜测：产生平面谐振的关键就是这个铜环！验证的方法也很简单：在原设计的基础上，仅切掉信号孔周边电源平面环，其它不变。https://p3-sign.toutiaoimg.com/tos-cn-i-6w9my0ksvp/d1314c87a86d4629b5123f6ffcc457da~tplv-tt-shrink:640:0.image?lk3s=06827d14&traceid=202602031356440FB6D991086D87E7E86F&x-expires=2147483647&x-signature=7wGk8BxcyV4bLJqaHSNvVw%2F41r4%3D

仿真结果显示，插损的下冲再次消失，问题精确定位。https://p3-sign.toutiaoimg.com/tos-cn-i-6w9my0ksvp/7f82b3baa42c4748b2bc93a83020766c~tplv-tt-shrink:640:0.image?lk3s=06827d14&traceid=202602031356440FB6D991086D87E7E86F&x-expires=2147483647&x-signature=RZ5jeM5%2B5HEapGbLgzkKrzIiaqI%3D

为了大家能看的更明白，我们还对比了铜环删除前后的电源平面电场分布。https://p3-sign.toutiaoimg.com/tos-cn-i-6w9my0ksvp/0cfd1e1acf9a4c6b8be6c3d6d7d6052d~tplv-tt-shrink:640:0.image?lk3s=06827d14&traceid=202602031356440FB6D991086D87E7E86F&x-expires=2147483647&x-signature=OLPc%2FJtSBFmHAZn5OgmrDRssqhQ%3D

铜环删除后的电源平面回流大幅减小，再次验证了铜环的关键作用。讲到这里，原因基本清楚了，一句话概括：电源平面的铜环与相邻GND平面构成了平面谐振腔，引起了特定层面走线插损在窄频带内的跌落。问题来了：平面谐振腔是如何影响信号的？关于一博：一博科技成立于2003年3月，深圳创业板上市公司，专注于高速PCB设计、SI/PI仿真分析等技术服务，并为研发样机及批量生产提供高品质、短交期的PCB制板与PCBA生产服务。致力于打造一流的硬件创新平台，加快电子产品的硬件创新进程，提升产品质量。一博珠海板厂：位于珠海经济开发区，坐拥PCB产业优质人才资源及完善的产业配套。专注于高端快件，提供高品质的高多层、高速、高精密、HDI等PCB生产制造。聚焦国内高端快件细分市场，致力于推动国内PCB行业的技术进步，尤其是高速、高多层、高复杂PCB产品的快速交付，12-20层制板交期快至8天内交付，对应PCB广泛应用于ATE、AI算力、服务器、工控、通信、汽车、医疗设备等领域。