本文转自专治pcb疑难杂症
作者：PCB杨老师
Question
四层板，层叠走TOP-GND-POWER-BOTTOM，做共面阻抗，参考第三层的话，刚好天线下面的第三层区域走的电源3V3，有影响吗？还是天线参考必须要是GND吗？
Answer
首先电源平面肯定是能做参考平面的，常见的DDR的六层板，一般都用了电源层作为DDR信号的参考平面，这个设计过的基本都不会迟疑。我们要弄明白的问题就是电源平面是否可以作为RF信号，高速信号的参考平面？
上面的这个问题，告诉我们很多时候我们可能都在选错平面。在这里，杨老师就分享下这个问题的一些见解和思路。
01
我们需要弄清楚什么是参考平面？
首先很确定的它是一个平面，是一个完整的平面；以表层走线来说，走线和下面的平面层共同构成了电磁波传输的物理环境。走线下面的平面到底是什么网络属性无所谓，VCC、GND、甚至是没有网络的孤立铜皮，都可以构成这样的电磁波传输环境，关键在于下面的平面是导体就行了。信号路径是表层走线，所以下面的平面就是参考路径。对于PCB上这一特殊结构，参考路径是以平面的形式出现的，所以也叫参考平面。从电流回路的角度来说，参考平面承载着信号的返回电流，所以也叫返回平面。下面的图显示了表层走线的场分布和电流分布。
以内层走线来说，走线、上方平面、下方平面3者共同构成了电磁波传输的物理环境，所以上下两个平面都是信号的参考路径，也就是参考平面，从下面的场分布图中可以很清楚的看到物理环境和场分布的关系。从构成电流回路的角度来看，下图的电流分布图也很清晰的显示出返回电流的分布，如果两个平面和走线之间的间距近似相等，那么两个平面上的返回电流也近似相等，此时，两个平面同样重要。从这个角度也能很好的理解两个平面都是参考平面。
我们知道信号传输线的两个基本要素，信号路径以及参考路径，这里参考平面的作用应该很清楚了：作为电磁波传输物理环境的一部分（从电磁波传输角度）、作为电流返回路径（从电流回路角度）。简单点说，参考平面两个点：算阻抗和提供回流路径。所以如果只是单纯的满足阻抗一致要求，无论是GND平面还是电源平面都是可以的。但是一般情况下，参考平面主要是作为电流返回的路径。所以就有了下面的问题。
02
信号是如何参考电源平面的？
前面杨老师已经分析过了，电源平面也是能作为参考平面算阻抗的，而下面杨老师将从电流返回路径上分析。
如下图一个四层板PCB信号通过过孔换层参考电源：
信号源以地平面作为参考平面时，回流路径当然是地平面，当高速信号在信号线上传播时，在信号电流向前传播的过程当中，由于与参考平面之间存在容性耦合，所以当发生dV/dt时，就会有电流经耦合电容流向参考平面的现象，传输线正下方位置都会有瞬态电流流回到源端电路。
但如果信号的参考为电源平面，那么信号回流将首先流向电源层，然后再通过电源与地网络之间的Cpg流向地网络，最后再经地层流向源端电路，最终形成一个完整的电流回路。我们都知道，控制好高速信号的回路阻抗非常关键，因为它直接影响到信号传输特性。
这里刚好涉及到三个知识点，可能大家平常没有注意：
- 高速信号换层处需要加回流地过孔，这里其实就是增加了垂直方向的回流路径，这个对于高速信号是非常有必要的。
- 高速信号换层后尽量还是同类型的参考平面，这点的好处其实在图片中就可以看出来。
- 当电源、地层之间存在足够的去耦电容后，其交流阻抗极小，交流信号可以在任何一层上传输。换言之，对于交流信号而言，电源、地层是没有区别的。
03
高速信号能够参考电源层？
和地平面一样，电源平面也可以应用在低阻抗的信号返回路径，假如有足够多的旁路电容，那么电源平面传输会和地平面一样好，在一个电源面和地平面或者两个电源平面带状传输线也可以工作。但当信号参考电源层布线时，回流路径当中对信号影响最大的就是Cpg电源与地网络之间的容性通道。它可以是电源地网络上分布复杂的退耦电容，也可能包含电源地层平面之间的平板电容，构成非常复杂，在各个频点所表现的阻抗特性都不一样，难以量化与控制，所以这个假如很难成立。
即使离信号层近的是电源层，返回信号也会经由电源层最终返回到地层，因为信号输入时是以地为参考层的。但是如果去耦做得不好，电源层和地层之间的阻抗会很大，那么返回信号会受到很大的阻抗。
信号参考电源层会给信号质量带来影响，电源地层之间的阻抗会是影响的主要因素，信号频率越高，带来的影响会越明显。当然也不是所有信号都不能参考电源，具体多少频率什么信号可以参考电源，要看实际PCB设计以及PDN网络的实际情况，最好能利用仿真软件进行分析验证。
为什么有些信号设计指定要求参考它本身的电源层？
这是因为芯片内部信号参考的是电源，那么在PCB上参考电源会比较好，但多数芯片设计中高速信号都是参考地，所以在很多高速信号的设计指导当中都推荐参考地，虽然在高频带电源去耦电容显低阻抗特性，电源与地表现为等电位，但由于去耦电容位置摆放的问题可能会增大信号的回流面积，从而影响信号质量，所以对于多数高速信号，参考地位比较好的选择。
杨老师给的建议：高速信号建议参考地平面，至少有一个完整的地平面；另外电源平面需要与地平面紧耦合，即紧紧的挨在一起。
04
RF射频信号能否参考电源层？
其实用高速信号能否参考电源层的理论也可以解释RF射频信号能否参考电源层的问题，从返回路径看，RF射频信号更不适合参考电源层。电源层与地层之间阻抗和耦合不好就会对RF信号产生的影响很大。要知道，电源层非真正的地，从EMI角度也不推荐用电源平面做微带线的地，信号返回地路径可能变得很长，也有可能受到干扰。
另外，电源、地平面均能用作参考平面，且有一定的屏蔽作用，但相对而言，电源平面具有较高的特征阻抗，与参考电平存在较大的电位势差。从屏蔽的角度来看，地平面一般都做了接地处理，并作为基本电平参考点，其屏蔽效果远远优于电源平面。
那对于RF的电源怎么处理？
RF电路的电源尽量不要采用平面分割，整块的电源平面不但增加了电源平面对RF信号的辐射，而且也容易被RF信号的干扰。所以电源线或平面一般采用长条形状，根据电流的大小进行处理，在满足电流能力的前提下尽可能粗，但是又不能无限制的增宽。在处理电源线的时候，一定要避免形成环路。电源线和地线的方向要与RF信号的方向保持平行但不能重叠，在有交叉的地方最好采用垂直十字交叉的方式。
