深度揭秘信號孔旁邊到底需要幾個地過孔

作者：一博科技高速先生自媒體成員 黃剛

大家估計知道一對高速信號孔旁邊需要加地過孔，但是要加多少個呢？相信廣大粉絲們心里是沒底的，別急！高速先生今天幫大家量化出來哈。
 
我們知道，過孔是高速鏈路中比較難設(shè)計和量化的一個結(jié)構(gòu)，它有很多變量都能或多或少影響著過孔的阻抗和損耗，例如下圖一樣。過孔的孔徑、過孔的焊盤、過孔的反焊盤、過孔的殘樁甚至包括平面的數(shù)量這些都是影響的因素。

甚至有一些簡單的計算軟件也會把這些變量的影響量化出來，從而根據(jù)這些變量計算出一個過孔的阻抗。感覺在缺少仿真的情況下也能大概得到過孔的阻抗了！

的確，有一些軟件能大概量化出單個過孔的阻抗。但是如果是下面的差分過孔呢？除了單端過孔的影響因素外，還有差分過孔本身的一些影響因素，例如信號過孔間的距離，還有就是今天要說的差分過孔旁邊的地過孔！

回到開頭的問題，大家肯定知道一對差分過孔旁邊需要加地過孔，原因是什么呢？很多朋友們會回答說是回流，提供回流路徑。當然這是對的，那會不會有很多朋友就覺得我只要有一個地過孔就ok了，地過孔的多少對過孔的阻抗又不會有太大的影響。事實真的是這樣嗎？高速先生今天就給大家用測試數(shù)據(jù)的方式量化出來！

為了驗證地過孔數(shù)量不同對這個差分過孔的影響，我們特意做了一組不同case的過孔，分別是1個過孔，2個過孔，3個過孔，4個過孔，他們到信號過孔的距離保持一致，設(shè)計如下所示：
然后我們就靜靜等待這塊測試板的完成，完成后高速先生第一時間進行了測試，這個測試結(jié)果估計對于大家來說既在意料之中又在意料之外！
 
首先我們來看看過孔的回波損耗，它很大程度上表征了過孔的阻抗和反射問題，從回波損耗的結(jié)果來看，估計和大多數(shù)朋友的想法是一樣的，就是地過孔的數(shù)量不怎么會影響過孔的阻抗，因此我們能看到回波損耗在40GHz這種超高頻下的差異都不大！
那是不是就是沒有影響呢？別急，我們還有另外一個很重要的指標，那就是插入損耗，也就是我們經(jīng)常說的損耗。要是這個指標也沒有差異，那才能說地過孔數(shù)量對信號過孔沒啥影響哈！
 
最出人意料的結(jié)果來了，我們看看插入損耗的結(jié)果，還是發(fā)現(xiàn)有非常大的差異。
我們能看到隨著地過孔數(shù)量的增加，損耗在高頻越來越線性，相反地過孔數(shù)量較小，尤其是只有一個地過孔的時候，在高頻的惡化程度明顯增加，為什么會這樣呢，怎么解釋？
 
我們可以通過兩個技術(shù)角度去解釋，一是從回流路徑的角度，我們知道地過孔是信號孔的主要回流路徑，過孔是有它本身的寄生電感的，隨著地過孔數(shù)量的增加，寄生電感呈一個并聯(lián)的結(jié)構(gòu)，因此總的回路電感會減小，電感小了，高頻的阻抗就會降低，因此回流路徑阻抗降低，損耗變小。另外我們還可以從包裹能量的角度來看，為什么同軸線纜的屏蔽效果好，因為它的外徑是全部通過地來包住的，因此能量不會散失出去，通過這個角度，過孔和地過孔也是這個原理，地過孔越多，包得越密，高頻能量自然就能保留得很多，因此高頻的損耗就變小了。
 

那回到我們PCB設(shè)計工程師這邊，如果我們要通過差分過孔來傳輸高速信號，我們會在差分過孔旁邊加幾個地過孔呢？我們作為本期文章的問題來問問朋友們哈！