不规则电路对辐射与阻抗的影响

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         前言
  最近几年电路板非常流行所谓的「meander」导线,然而这种不规则(zigzag)导线随着clock频率不断提高,设计人员也意识到必需使导线pattern尽可能完全相同。理论上从driver端至接收收端(receiver)直线距离有可能完全相同,不过事实上当两者之间的距离越来越长时,导线pattern势必成为不规则形状,有鉴于此本文将透过实验结果,深入探讨直线状与不规则状的 pattern差异对电路的影响。
  实验步骤
  图1是实验用印刷电路板的外观,阻抗(impedance) Zo为50Ω,共有A~G 7种线路图案(pattern)(图2),pattern长度都是290mm,由于不规则layout因此pattern长度被压缩成150mm,如图3所示电路图案都无直角弯曲设计。四层电路板为四层板总厚度1.6mm,第一层装设电子组件,第二至第四层分别是接地层(earth)、Vcc层与电路图(图4),辐射资料是根据3米(meter)法则水平放置电路板量测水平偏波。

  
  图1 电路板的外观

  
  图2 7种线路pattern对特性阻抗的影响

  
  图3 线路图案弯曲与特性阻抗 Zo 的变化

  
  图4 实验用电路
图5是上述实验所获得的辐射资料。如图所示7种线路图案都有长70mm的直线部分,E与G的线路图案的频率为650~850MHz,直线部分长度为130 mm的;D与F的线路图案有频率为350~450MHz,具有较多的辐射。
  若将电路板的诱电率ε列入考虑,并且假设电路板上的光速为时:
  650 MHz的波长λ=277mm,λ/4=70mm
  650 MHz的波长λ=514mm,λ/4=130mm
  依此就可推论「线路图案直线部分」与「造成辐射最大值的波长」两者的关连性,也就是说线路图案直线部分长度较短的A、B、C三线路图案的辐射较低,相形之下D、E、F的辐射比较大;凹凸集中的D、E、F的辐射比凹凸分散的A、B、C大,G则无法纳入检讨范围。

  
  图5 7种线路图案产生的辐射
  上述实验用印刷电路板的阻抗Zo 是利用图6的理论计算公式所获得的计算结果,为了量测类似MHz等级电路板实际动作时阻抗值,因此利用图7所示TDR(Time Domain Refrectometer)量测器检测电路板的阻抗。TDR的动作原理是捕捉电波或是超音波撞击物体后反弹的信号(echo)再将时差强弱图像画,依此量测结果如图8所示。由图可归纳下列三项结论:
  (1)。编号G的线路图案除外,其它线路图案的阻值Zo 并无明显差异。
  (2)。编号C、D的线路图案,输入端子正后方如果有凹凸时,其附近的阻值Zo 很高。
  (3)。编号G的线路图案特性极差。
  必需注意的是包含编号G的线路图案再内,线路图案的「物理长度」物理长度皆为290mm

  
  图6 板上的线路图案种类电路

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