高速传输大量数据的需求，带动着USB4、HDMI、Thunderbolt及DisplayPort等高频连接器相继问世。举例来说，HDMI 2.1在4个信道上传输速度可达12Gbps；最新USB4规格让传输速度最快可支持40Gbps，Thunderbolt™ 4 埠具有与 Thunderbolt™ 3同样的40Gbps带宽。当讯号速度持续加快时，如何降低噪声干扰成了重要课题。
图1：HDMI、Thunderbolt及DisplayPort等高频连接器
现阶段，线缆连接器必须克服许多高频信号问题，包含：衰减（Attenuation）、反射损失（Return Loss）、耦合问题（Crosstalk）、阻抗（Impedance）、走线（Trace）以及走线长度。然而，多少频率以上称之为高频呢？400MHz、1GHz、5GHz还是10GHz呢？
如何避免反射波长
其实，高频的定义可以看成是否有反射发生：当电磁波在介质（空气或PCB）上传递的时候，如果是连续介质，则不会反射；撞到不连续介质时，若没有反射发生，则该频率在这个介质上视为低频；反之，若产生了反射，则视为高频。因此，我们常常会听到一种说法：「反射与波长有关」。
电磁波的传递速率又该如何跟波的运动结合呢？电磁波在空气或真空中的传递速率为光速
而电磁波在介质中传递的速率为
因此我们可以用此公式简单的算出电磁波在介质（例如：电路板）上的传递速率。
此时将波的速率与电磁波的速率公式合并，则可以获得电磁波在介质上传递时的波长：
波的反射概念：传递路径的长度小于传递波长的 ，在此条件下不会发生反射。
简单的来说，为了避免反射的发生，我们可以让在PCB上走的电磁波的波长越长越好（ 大于Trace长度的4倍）。由以上公式可知，降低频率与降低PCB的相对介电系数，即可让波长变长。但实际上因为传输需求，数据的传输速率无法随心所欲地将频率降低，PCB的介质也不可能为1。
另一个方式：缩短Trace的长度，让其长度小于传递波长的 。或许这个是个可行的方法，但是当传输速率越快又或者高频组件之间的位置限制，高频Trace可能会有需要5～10cm的长度，缩短Trace长度又似乎未必可行。
高频走线与阻抗设计
提到电路板的高频走线，就会想到Trace的阻抗设计（Single-End 50Ω或者Differential 100Ω），而上面的说明却都没有提到任何的阻抗问题？上面所提的重点是：在无反射的条件下，不管频率多高，Trace就没有阻抗问题，亦即不需要做任何阻抗设计。
上一段提到，随传输速率越来越高，缩短Trace 长度几乎不可行。因此，拉长Trace必然会有反射产生，根据电磁波理论，不产生反射的另一个方法就是：Trace阻抗 = 负载阻抗 = 内阻抗。
既然是浅谈，就避开深奥的理论。以这个概念来看：Trace阻抗 = 负载阻抗 = 内阻抗，其实也是符合一开始所说的：只要是连续介质就不会有反射发生。也就是说，三者阻抗相同，就等于阻抗从头到尾是连续的介质。
反射与信号误判
为什么不希望反射出现？反射意味着部分能量没有被传递出去而返回到原处（发射端）。这好像没什么，只要把发射端的能量再加大满足接收端所需即可。但实际上，返回的能量会从原处再反射一次，因为波有迭加的性质，二次反射到接收端的波会与另一个波迭加，因而产生信号不完整。以数字信号来看，在接收端原本是1的信号因此可能变成0，而原本是0的信号而变成了1，造成了信号的误判。
PCB板材挑选攻略
了解了反射所产生的信号问题后，还得挑对PCB，才能着手设计高频PCB板。较常看到的有两种PCB板材是FR4 与 Rogers。
PCB中的其中一项参数——相对介电系数左右了信号质量的优劣
相对介电系数与频率有关，频率的高低变化伴随着相对介电系数也跟着不同。这代表了甚么呢？由公式可以知道
以及
当相对介电系数随频率高低而改变的时候，走在PCB板上的电磁波传递速率跟着变化、波长也跟着变化，此即是电磁波理论所提出的色散（Dispersion）现象，这种介质称为色散介质或色散材料。色散对传输有甚么影响呢？
色散问题全面剖析
数字符信号是以方波的方式传递，也就是0跟1；从单一个的方波来看，他是由无数个不同频率的sin波形成。简化来看，由一个基本波与两个奇次谐波迭加而成：
图2：一个基本波与两个奇次谐波迭加成数字方波
当三种不同频率波在PCB Trace上传递的时候，此时由于相对介电系数跟着不同，因此传递速率也跟着不同。也就是理想上，三种频率速度相同，因此传出到接收端还是一个完整的方波信号，但实际上，则不然：三种频率有各有不同的速率，有的跑得快，有的跑得慢。如果Trace拉得够长，反而会让方波分解成三种频率的电磁波，并以不同的时间到达接收端：
图3：Trace与三种频率
相同的High的信号，却不同时间到达，振幅也下降，这会造成接收端判断错误造成误码。再者，这只是一个High的信号，如果后面又接连好几个High跟Low信号，而后面速度快的超越了前面速度慢的波，此时接收端就更无法判断数据的正确性。
上期说过，虽然我们设计了Trace阻抗（single-end 50Ω 或 differential 100Ω），可以让Trace走很长也不会有反射的发生，但是当遇到色散介质 ∈r ( f )，也就限制了Trace长度。因此，即便我们做了阻抗设计，仍还是希望Trace走线能够设计多短就多短。
FR4与Rogers材料比较
有了相对介电系数与色散现象的概念后，现在来看FR4与Rogers的材料。下图3是FR4与Rogers的相对介电系数对频率的变化：
图3：FR4与Rogers的相对介电系数对频率的变化
（数据源：RO4000® Series High Frequency Circuit Materials DATA SHEET）
由图3可知，FR4的 ∈r ( f ) 对频率变化相当剧烈，而Rogers（RO开头系列）则稳定许多。假设今天使用的传输速率的频率范围很宽，例如：PRBS31，那么选择FR4就必须相当注意色散问题，若要降低色散问题，Trace就要尽可能的短。
大家或许会说：为了一劳永逸，干脆直接选择Rogers板材，问题就解决了！这个答案是正确的，但是因为Rogers板材成本很高，所以必须三思。该怎么降低成本、信号质量又该如何维持而能达到通讯的需求？一直是专业的Layout工程师思考要如何取得平衡的点。
最后，为什么我们这边一直没有提到 ∈r ( f ) 对Trace阻抗的影响呢？实质上是会影响的，但是为了避免分析与说明太过于紊乱，因此把阻抗设计的问题理想化。
PCB板的Layout设计
上文说明了高频与电路板之间的关系，例如如何挑选合适材料又兼顾成本考虑。本篇要来和大家分享高频PCB板设计的最后一哩路，也就是PCB上面的Layout设计。
PCB上的Layout该怎么设计呢？大家第一个反应就是：跑模拟。模拟软件相当便利，可节省不必要的成本与时间，但是模拟参数该如何制订？预期的模拟结果该如何计算？首先须具备核心概念才能着手进行Layout设计，因此本篇短文会针对波导结构进行介绍。
3大波导结构优缺点分析
在制作高频电路板的时候，第一个问题就是波导结构的选择。本篇介绍三种基本的传输结构：Microstrip、Stripline以及Coplanar Waveguide（共面波导）。
图5：三大波导结构
Microstrip：架构最为简单，设计也简单。但由于架构简单，在相同的PCB基板条件下，能够变化的物理参数不多，例如线宽、线厚与基板厚度。
当频率越来越高，Microstrip还会有一个问题：Trace上方是空气 ∈eff = 1，而下方的基材 ∈eff ≠ 1，此上下场型会有不对称的情况发生，而使得电磁波场型不对称，在传输上对信号质量会有影响。
Stripline：结构较为复杂，上方与下方基材的 ∈eff 可以使用接近基板，使得电磁波的场型完整。另外，Stripline高频走线相互之间不会有远程串音（FEXT）的影响。
由于走内层，需要依靠灌孔与外部零件连接，因此多余via段（称为Stub）会造成信号衰减与反射问题。减少此问题的方法就是使用背钻或是盲孔，但这又会导致成本上升。
Coplanar Waveguide：类似Microstrip，走线的两旁用ground包覆（铺铜导地），形成Waveguide的形状。而相较于Microstrip，Coplanar Waveguide能够变化的物理参数就比较多，例如走线与ground的距离、ground上的via与走线距离。
由于Coplanar Waveguide两旁是GND，因此可以降低Crosstalk的影响。但在设计上有个瓶颈：当应用上有密度较高的高频走线的时候，例如PCIe，则此结构未必有足够的空间可以在走线的两侧铺铜接地。
本篇PCB技术浅谈，着重在波反射、信号误判、板材挑选、波导结构等，事实上高频PCB的设计与制造还须考虑众多量测参数，包含S参数、串音耦合、PRBS、DC Balance（8B10B）等等，后续有机会将会继续用技术短文的方式与大家分享。
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