高速傳輸大量資料的需求，帶動著USB4、HDMI、Thunderbolt及DisplayPort等高頻連接器相繼問世。舉例來說，HDMI 2.1在4個通道上傳送速率可達12Gbps；最新USB4規格讓傳送速率最快可支援40Gbps，Thunderbolt™ 4 埠具有與 Thunderbolt™ 3同樣的40Gbps頻寬。當訊號速度持續加快時，如何降低雜訊干擾成了重要課題。
圖1：HDMI、Thunderbolt及DisplayPort等高頻連接器
現階段，線纜連接器必須克服許多高頻信號問題，包含：衰減（Attenuation）、反射損失（Return Loss）、耦合問題（Crosstalk）、阻抗（Impedance）、走線（Trace）以及走線長度。然而，多少頻率以上稱之為高頻呢？400MHz、1GHz、5GHz還是10GHz呢？
如何避免反射波長
其實，高頻的定義可以看成是否有反射發生：當電磁波在介質（空氣或PCB）上傳遞的時候，如果是連續介質，則不會反射；撞到不連續介質時，若沒有反射發生，則該頻率在這個介質上視為低頻；反之，若產生了反射，則視為高頻。因此，我們常常會聽到一種說法：「反射與波長有關」。
電磁波的傳遞速率又該如何跟波的運動結合呢？電磁波在空氣或真空中的傳遞速率為光速
而電磁波在介質中傳遞的速率為
因此我們可以用此公式簡單的算出電磁波在介質（例如：電路板）上的傳遞速率。
此時將波的速率與電磁波的速率公式合併，則可以獲得電磁波在介質上傳遞時的波長：
波的反射概念：傳遞路徑的長度小於傳遞波長的 ¼ λ ，在此條件下不會發生反射。
簡單來說，為了避免反射的發生，我們可以讓在PCB上走的電磁波的波長越長越好（λ大於Trace長度的4倍）。由以上公式可知，降低頻率與降低PCB的相對介電係數，即可讓波長變長。但實際上因為傳輸需求，資料的傳輸速率無法隨心所欲地將頻率降低，PCB的介質也不可能為1。
另一個方式：縮短Trace的長度，讓其長度小於傳遞波長的 ¼ λ 。或許這個是個可行的方法，但是當傳輸速率越快又或者高頻元件之間的位置限制，高頻Trace可能會有需要5～10cm的長度，縮短Trace長度又似乎未必可行。
高頻走線與阻抗設計
提到電路板的高頻走線，就會想到Trace的阻抗設計（Single-End 50Ω或者Differential 100Ω），而上面的說明卻都沒有提到任何的阻抗問題？上面所提的重點是：在無反射的條件下，不管頻率多高，Trace就沒有阻抗問題，亦即不需要做任何阻抗設計。
上一段提到，隨傳輸速率越來越高，縮短Trace 長度幾乎不可行。因此，拉長Trace必然會有反射產生，根據電磁波理論，不產生反射的另一個方法就是：Trace阻抗 = 負載阻抗 = 內阻抗。
既然是淺談，就避開深奧的理論。以這個概念來看：Trace阻抗 = 負載阻抗 = 內阻抗，其實也是符合一開始所說的：只要是連續介質就不會有反射發生。也就是說，三者阻抗相同，就等於阻抗從頭到尾是連續的介質。
反射與信號誤判
為什麼不希望反射出現？反射意味著部分能量沒有被傳遞出去而返回到原處（發射端）。這好像沒什麼，只要把發射端的能量再加大滿足接收端所需即可。但實際上，返回的能量會從原處再反射一次，因為波有迭加的性質，二次反射到接收端的波會與另一個波迭加，因而產生信號不完整。以數位信號來看，在接收端原本是1的信號因此可能變成0，而原本是0的信號而變成了1，造成了信號的誤判。
PCB板材挑選攻略
瞭解了反射所產生的信號問題後，還得挑對PCB，才能著手設計高頻PCB板。較常看到的有兩種PCB板材是FR4 與 Rogers。
PCB中的其中一項參數——相對介電係數左右了信號品質的優劣
相對介電係數與頻率有關，頻率的高低變化伴隨著相對介電係數也跟著不同。這代表了甚麼呢？由公式可以知道
以及
當相對介電係數隨頻率高低而改變的時候，走在PCB板上的電磁波傳遞速率跟著變化、波長也跟著變化，此即是電磁波理論所提出的色散（Dispersion）現象，這種介質稱為色散介質或色散材料。色散對傳輸有甚麼影響呢？
色散問題全面剖析
數字元信號是以方波的方式傳遞，也就是0跟1；從單一個的方波來看，他是由無數個不同頻率的sin波形成。簡化來看，由一個基本波與兩個奇次諧波迭加而成：
圖2：一個基本波與兩個奇次諧波迭加成數字方波
當三種不同頻率波在PCB Trace上傳遞的時候，此時由於相對介電係數跟著不同，因此傳遞速率也跟著不同。也就是理想上，三種頻率速度相同，因此傳出到接收端還是一個完整的方波信號，但實際上，則不然：三種頻率有各有不同的速率，有的跑得快，有的跑得慢。如果Trace拉得夠長，反而會讓方波分解成三種頻率的電磁波，並以不同的時間到達接收端：
圖3：Trace與三種頻率
相同的High的信號，卻不同時間到達，振幅也下降，這會造成接收端判斷錯誤造成誤碼。再者，這只是一個High的信號，如果後面又接連好幾個High跟Low信號，而後面速度快的超越了前面速度慢的波，此時接收端就更無法判斷資料的正確性。
上期說過，雖然我們設計了Trace阻抗（single-end 50Ω 或 differential 100Ω），可以讓Trace走很長也不會有反射的發生，但是當遇到色散介質 ∈r ( f )，也就限制了Trace長度。因此，即便我們做了阻抗設計，仍還是希望Trace走線能夠設計多短就多短。
FR4與Rogers材料比較
有了相對介電係數與色散現象的概念後，現在來看FR4與Rogers的材料。下圖3是FR4與Rogers的相對介電係數對頻率的變化：
圖4：FR4與Rogers的相對介電係數對頻率的變化
（資料來源：RO4000® Series High Frequency Circuit Materials DATA SHEET）
由圖3可知，FR4的 ∈r ( f ) 對頻率變化相當劇烈，而Rogers（RO開頭系列）則穩定許多。假設今天使用的傳輸速率的頻率範圍很寬，例如：PRBS31，那麼選擇FR4就必須相當注意色散問題，若要降低色散問題，Trace就要盡可能的短。
大家或許會說：為了一勞永逸，乾脆直接選擇Rogers板材，問題就解決了！這個答案是正確的，但是因為Rogers板材成本很高，所以必須三思。該怎麼降低成本、信號品質又該如何維持而能達到通訊的需求？一直是專業的Layout工程師思考要如何取得平衡的點。
最後，為什麼我們這邊一直沒有提到 ∈r ( f ) 對Trace阻抗的影響呢？實質上是會影響的，但是為了避免分析與說明太過於紊亂，因此把阻抗設計的問題理想化。
PCB板的Layout設計
上文說明了高頻與電路板之間的關係，例如如何挑選合適材料又兼顧成本考慮。本篇要來和大家分享高頻PCB板設計的最後一哩路，也就是PCB上面的Layout設計。
PCB上的Layout該怎麼設計呢？大家第一個反應就是：跑模擬。類比軟體相當便利，可節省不必要的成本與時間，但是模擬參數該如何制訂？預期的模擬結果該如何計算？首先須具備核心概念才能著手進行Layout設計，因此本篇短文會針對波導結構進行介紹。
3大波導結構優缺點分析
在製作高頻電路板的時候，第一個問題就是波導結構的選擇。本篇介紹三種基本的傳輸結構：Microstrip、Stripline以及Coplanar Waveguide（共面波導）。
圖5：三大波導結構
Microstrip：架構最為簡單，設計也簡單。但由於架構簡單，在相同的PCB基板條件下，能夠變化的物理參數不多，例如線寬、線厚與基板厚度。
當頻率越來越高，Microstrip還會有一個問題：Trace上方是空氣 ∈eff = 1，而下方的基材 ∈eff ≠1，此上下場型會有不對稱的情況發生，而使得電磁波場型不對稱，在傳輸上對信號品質會有影響。
Stripline：結構較為複雜，上方與下方基材的 ∈eff 可以使用接近基板，使得電磁波的場型完整。另外，Stripline高頻走線相互之間不會有遠端串音（FEXT）的影響。
由於走內層，需要依靠灌孔與外部零件連接，因此多餘via段（稱為Stub）會造成信號衰減與反射問題。減少此問題的方法就是使用背鑽或是盲孔，但這又會導致成本上升。
圖6：改善Stub方法
Coplanar Waveguide：類似Microstrip，走線的兩旁用ground包覆（鋪銅導地），形成Waveguide的形狀。而相較於Microstrip，Coplanar Waveguide能夠變化的物理參數就比較多，例如走線與ground的距離、ground上的via與走線距離。
圖7：走線與ground的距離、ground上的via與走線距離
由於Coplanar Waveguide兩旁是GND，因此可以降低Crosstalk的影響。但在設計上有個瓶頸：當應用上有密度較高的高頻走線的時候，例如PCIe，則此結構未必有足夠的空間可以在走線的兩側鋪銅接地。
本篇PCB技術淺談，著重在波反射、信號誤判、板材挑選、波導結構等，事實上高頻PCB的設計與製造還須考慮眾多量測參數，包含S參數、串音耦合、PRBS、DC Balance(8B10B)等等，後續有機會將會繼續用技術短文的方式與大家分享。
百佳泰 高頻量測與治具設計服務
目前唯有百佳泰能提供客戶從圖樣、產品Sample到治具，全方位從驗證測試、設計改善、到取得證書，協助您大幅縮短產品開發時程，成為市場中有競爭力的高品質產品。若有關高頻量測或測試治具需求，請洽百佳泰 service@allion.com 獲得進一步資訊。