随着电子设备向高速化、小型化发展，PCB 上的信号传输速率不断提升（如 5G 通信、高速数据采集系统），信号波长逐渐缩短（1GHz 信号波长约 30cm，在 PCB 中因介电常数影响更短）。此时，PCB 已不再是简单的 “导线载体”，而是复杂的 “传输线系统”。

层叠设计通过合理安排信号层、电源层、地层的位置和厚度，为信号提供稳定的回流路径和屏蔽环境；阻抗控制则确保信号在传输过程中阻抗一致，避免反射和能量损耗。两者共同决定了高速信号的传输质量，是高频 PCB 设计不可忽视的核心环节。

多层 PCB 的层叠结构由不同功能层交替组成，各层作用如下：

• 信号层（Signal Layer）：用于传输电信号，分为顶层（Top Layer）、底层（Bottom Layer）和中间信号层（Inner Signal Layer）。高速信号（如时钟、差分对）需单独占用信号层，并靠近地层以缩短回流路径。

• 电源层（Power Plane）：为电路提供稳定电源，通常为完整的铜箔层，兼具 “供电” 和 “屏蔽” 双重作用。电源层与地层形成的电容可抑制电源噪声，降低纹波。

• 地层（Ground Plane）：作为公共参考电位和信号回流路径，是抑制电磁干扰（EMI）的关键。完整的地层能吸收辐射噪声，为信号提供低阻抗回流通道（回流路径越短，干扰越小）。

各层之间通过绝缘介质（如 FR-4、罗杰斯材料）隔离，介质的厚度和介电常数（εr）直接影响阻抗特性（介电常数越大，阻抗越低）。

层叠规划需平衡信号完整性、电源完整性和成本，不同层数的典型结构如下：

• 2 层板：适用于低速简单电路（如消费电子玩具、低压小家电），结构为 “顶层信号 / 电源→底层信号 / 地”。因无独立电源层和地层，需通过宽导线模拟电源和地，信号回流路径长，不适合高速信号。

• 4 层板：中小规模高速电路的主流选择（如工业控制板、低端通信模块），典型结构：

• 顶层（信号层，高速信号）

• 第二层（地层，紧邻顶层，缩短回流路径）

• 第三层（电源层，与地层形成耦合电容）

• 底层（信号层，低速信号或辅助布线）

特点：电源与地层相邻，信号层紧邻地层，兼顾成本与性能。

• 6 层板：适用于复杂高速电路（如服务器主板、5G 模块），典型结构：

• 顶层（高速信号层）

• 第二层（地层，屏蔽 + 回流）

• 第三层（信号层，低速信号）

• 第四层（电源层，多电源分区）

• 第五层（地层，隔离电源与信号）

• 底层（高速信号层）

特点：信号层与地层交替排列，高速信号单独占层，支持多电源设计，电磁兼容性更佳。

层叠规划原则：① 电源层与地层成对相邻，增强滤波效果；② 高速信号层紧邻地层，缩短回流路径；③ 对称结构（如顶层与底层厚度一致），减少 PCB 翘曲。

1. 打开层叠管理器：在 PCB 界面点击菜单栏 “Design”→“Layer Stack Manager”，弹出层叠设置窗口。

2. 添加 / 删除层：

• 点击 “Add Layer” 添加信号层，“Add Plane” 添加电源 / 地层（平面层）；

• 选中层后点击 “Delete” 可删除多余层，根据设计需求保留 2/4/6 层。

3. 设置层属性：

• 信号层：默认名称为 “Layer1”“Layer2” 等，可双击重命名（如 “Top Signal”“Inner Signal”）；

• 电源 / 地层：命名为 “GND”“VCC_3.3V” 等，在 “Net” 栏关联对应网络（实现自动连接）。

4. 配置厚度与材料：

• 介质厚度：在层间的 “Dielectric” 栏设置介质厚度（如 0.1mm、0.2mm），高速板推荐薄介质（减少信号传输延迟）；

• 铜厚：在 “Copper Thickness” 栏设置铜箔厚度（如 1oz=35μm，大电流层可选 2oz）；

• 介质材料：双击 “Material” 栏选择介质（如 FR-4（εr=4.4）、Rogers 4350（εr=3.48），高频板优先选低介电常数材料）。

5. 保存设置：点击 “OK” 完成层叠配置，设置将应用于 PCB 设计。

Eagle 的层叠设置需手动配置，步骤如下：

1. 定义层类型：点击菜单栏 “Design”→“Layers”，在弹出窗口中为各层指定类型：

• 信号层：勾选 “Signal”；

• 电源 / 地层：勾选 “Plane” 并关联网络（如 “GND”）。

2. 设置物理参数：Eagle 不直接支持厚度设置，需在设计说明中备注各层厚度（如 “顶层铜厚 1oz，介质厚度 0.15mm”），供制造商参考。

3. 导出层叠信息：通过 “File”→“Export”→“Report” 生成层叠报告，包含层类型和排列顺序。

PCB 阻抗（特性阻抗）由传输线几何参数和介质特性决定，公式如下：

• 单端阻抗：Z0 ≈ (87 / √(εr + 1.41)) × ln(5.98h / (0.8w + t))

• 差分阻抗：Zdiff ≈ 2 × Z0 × (1 - 0.39×e^(-0.96×s/h))

其中，εr 为介质介电常数，h 为信号线到参考地平面的距离（介质厚度），w 为线宽，t 为铜厚，s 为差分线对间距。

关键结论：线宽越宽、介质厚度越薄、εr 越大，阻抗越低；反之则阻抗越高。

• Polar SI9000：业界标准阻抗计算工具，支持单端、差分、共面等多种传输线结构，输入线宽、介质厚度、εr 等参数即可生成阻抗值，可独立运行或作为 AD 插件使用。

• Altium Impedance Calculator：AD 内置工具，点击 “Tools”→“Impedance Calculator”，选择传输线类型（Microstrip、Stripline），输入层叠参数（从 Layer Stack Manager 同步），自动计算阻抗并给出线宽建议。

• Eagle 第三方插件：如 “Impedance Calculator” 插件，需手动输入层叠参数，计算精度略低于 Polar，但满足基础设计需求。

使用技巧：计算时需确保参数与层叠设置一致（如介质厚度 h 需与 Layer Stack 中定义的厚度相同），并预留 5%-10% 的工艺误差（实际生产中阻抗允许 ±10% 偏差）。

• 阻抗偏低：多因线宽过宽或介质厚度过薄，解决方法：减小线宽（如从 0.2mm 减至 0.15mm）、增加介质厚度（如从 0.1mm 增至 0.15mm）。

• 阻抗波动：因线宽不均或介质厚度不一致导致，优化建议：保持线宽恒定（误差≤0.02mm）、采用对称层叠设计。

• 差分对间距不均：导致阻抗不连续，引发信号反射，解决方法：使用软件 “差分对布线” 功能（AD 中 “Interactive Differential Pair Routing”），确保间距 s 恒定。

• 差分阻抗偏高：多因间距 s 过大，优化建议：减小差分对间距（如从 0.2mm 减至 0.15mm），或增加介质厚度。

• 对称层叠：顶层与底层、左半部分与右半部分的介质厚度和铜厚保持一致，减少 PCB 翘曲对阻抗的影响。

• 避免信号跨层：跨层会导致参考平面变化，阻抗突变，若必须跨层，需在过孔附近增加接地过孔，缩短回流路径。

• 控制介质一致性：同一信号层下方的介质材料尽量统一（如全用 FR-4），避免因 εr 差异导致阻抗跳变。

多层 PCB 的层叠（stack-up）设计是电气性能的 “骨架”，其合理性直接影响信号回流、电磁兼容和阻抗控制；而阻抗控制则是高速信号传输的 “标尺”，确保信号无反射、低损耗传输。

设计时需结合电路复杂度（层数）、信号速率（高频选低 εr 材料）、电源需求（多电源需多电源层）规划层叠，并通过 Polar、SI9000 等工具精确计算阻抗，再在 AD 等软件中落实层叠参数。对于新手，建议从 4 层板入手，掌握 “信号层 - 地层 - 电源层 - 信号层” 的经典结构，逐步积累高速层叠设计经验，为复杂项目打下基础。