一、高频信号与多层 PCB 的关系

在多层 PCB 设计中，不同信号层之间需要通过过孔实现互联。随着信号频率的升高，信号波长变短，对阻抗一致性、电磁干扰（EMI）和信号完整性（SI）等的要求变得更加苛刻。

以1GHz的高频信号为例，其波长在FR4介质（介电常数约为4.2）中的有效传播波长大约为15cm左右。过孔结构尺寸若达毫米级，将不可忽视地影响信号路径。

二、过孔的结构与电气模型

过孔不仅是一个金属连接点，更是一个电磁结构。从电气等效模型看，典型过孔可简化为：

• 一个电感（垂直金属柱）

• 两个寄生电容（焊盘和电源层/地层之间的耦合）

• 某些情况下还包含反射路径与地回流不连续因素

在高频场景下，这些寄生参数将引起严重的信号畸变与反射，导致：

1. 信号反射（反射系数增大）

2. 阻抗不连续

3. 插入损耗上升

4. 时域波形失真

三、过孔对高频信号的“致命”影响

1. 阻抗不连续引起信号反射

高速信号要求传输线阻抗保持一致。常规微带或带状线通常设计为50Ω，但过孔区域的阻抗会由于结构突变而发生变化，比如降低至20~30Ω，形成阻抗不连续，导致反射系数升高（S11增加），从而破坏信号完整性。

2. 形成谐振腔，放大特定频率干扰

当过孔长度（或 Stub）超过特定阈值时，其本身就像一个开路谐振器。例如，3GHz 信号对应波长约10cm，一个1.5mm的Stub就能形成1/20波长的谐振，足以产生共振峰，严重干扰高频信号。

3. 回流路径中断，形成共模噪声

高速信号需要可靠的地回流路径。如果过孔两端的地层不一致，或者没有配套地过孔，会导致信号电流回流不连续，从而辐射出共模噪声，提升EMI风险，甚至导致系统失效。

4. 产生串扰，提高信道间干扰风险

当多个高速信号线靠近布局且共用过孔路径或参考层不一致时，会由于耦合效应引发串扰。而过孔产生的反射与共振，使串扰效应进一步恶化，影响系统的抗干扰能力。

四、仿真实证：S参数揭示过孔对信号的影响

借助信号完整性仿真工具（如HFSS、Allegro SI、ADS），可对过孔结构建立等效模型并进行S参数分析：

• S11（反射系数）：频率越高，反射越严重，特别是在存在stub或未优化地过孔的结构中。

• S21（传输系数）：插入损耗增大，通带缩小，带外噪声突出。

在5GHz的仿真测试中，未优化的标准过孔结构相比优化结构，S21下降了将近6dB，反射损耗增加3倍，足以破坏高速通道。

五、高速 PCB 设计中减小过孔影响的工程建议

为降低过孔对高频信号的“致命”影响，工程师可从以下几个方面入手：

1. 使用背钻（Back Drilling）去除过孔 Stub

背钻技术可去除过孔中未用部分，消除stub共振效应，常用于10Gbps及以上速率的设计。

2. 优化过孔结构参数

合理缩小过孔直径、减小焊盘尺寸、采用迷你焊盘设计（anti-pad），以减小寄生电容和电感值，控制阻抗变化。

3. 使用过孔阵列平衡地参考

高速信号过孔应配备对称分布的地过孔，确保信号回流路径完整，降低EMI与串扰风险。

4. 尽量减少过孔使用频次

在布线过程中应减少信号在不同层之间跳转，避免频繁使用过孔。优先选择同层布线，保持线型和参考层稳定。

5. 配合仿真优化设计

在PCB布局布线完成前，建议进行信号完整性仿真，重点分析过孔结构的S参数，预估并调整相关布线策略。

六、应用场景案例分析

案例1：服务器主板中的PCIe通道设计

在某服务器主板设计中，PCIe Gen4链路传输速率高达16Gbps，原始设计存在过孔stub，引发链路丢包。通过引入背钻、添加地过孔阵列与优化焊盘形状后，通道BER（误码率）从10^-7改善到10^-12，系统运行稳定。

案例2：5G通信板卡中SerDes信号优化

5G基站前端接口中的SerDes链路，频率超过10GHz。工程师通过多层仿真分析，发现过孔共振影响通道插损，通过过孔最小化+配套屏蔽地过孔的组合方式，使链路S21提升了约2.5dB，有效增强信号质量。

结语：对过孔“不忽视”，才有高速设计的“大未来”

在传统观念中，过孔只是实现信号层间互联的“配角”，但在高速高频PCB设计中，它却可能成为影响系统稳定性、信号质量甚至产品可靠性的关键因素。理解过孔的电气行为，借助先进设计工具与工程实践进行优化，是每一位电子设计工程师走向高质量高频系统设计的必经之路。