随着信号频率提升（如≥100MHz），信号的传输特性越来越依赖于参考平面。在低速电路中，导线可视为 “单纯的导体”，而在高速电路中，导线与相邻参考平面共同构成 “传输线”，其特性阻抗（如 50Ω、100Ω）由线宽、线距和参考平面间距共同决定。

参考平面的缺失或不连续，会导致：

• 信号回流路径变长、阻抗急剧升高（从 50Ω 增至数百欧），引发严重反射；

• 相邻信号线的电磁场相互干扰（串扰）增强，信号信噪比下降；

• 电磁辐射（EMI）加剧，可能导致产品无法通过电磁兼容测试。

例如，1GHz 时钟信号在无参考平面的 PCB 上传输时，其辐射强度是有参考平面的 10-100 倍，且信号眼图会因反射变得模糊，导致数据采样错误。

电源和地参考平面的核心作用体现在两个方面：

• 传输线特性阻抗：高速信号的特性阻抗（Z0）公式为 Z0 = (87/√(εr+1.41)) × ln (5.98h/(0.8w+t))，其中 h 为信号线到参考平面的距离。参考平面的存在确保了 h 的稳定性，从而使 Z0 保持恒定（如设计目标 50Ω），避免因阻抗突变导致的信号反射。

• 电源阻抗降低：电源平面（如 3.3V）和地平面形成的平行板电容（典型值 1-10nF/cm²），可降低电源分配网络（PDN）的阻抗，减少电源噪声。例如，10cm×10cm 的电源 - 地平面对，其电容约 50nF，在 100MHz 时阻抗仅 0.03Ω，远低于导线供电的阻抗（数欧）。

• 最短回流路径：信号电流与回流电流（通过参考平面）总是形成闭合回路，参考平面能引导回流走 “与信号线平行且最近” 的路径，使回路面积最小化（理想情况与信号线重叠）。例如，微带线（顶层信号 + 第二层地平面）的回流路径就在信号线正下方的地平面上，回路面积仅为线宽 × 板厚。

• 减少串扰：当两条信号线共享同一地平面时，各自的回流路径相互隔离，串扰可降低至 - 30dB 以下（无地平面时可能仅 - 10dB）。

多层板的电源和地平面布局需遵循 “信号层紧邻参考平面”“电源与地平面成对相邻” 原则，以下为典型结构：

• 顶层（Top Layer）：高速信号层（如时钟、差分对）

• 第二层：地平面（GND）—— 与顶层信号形成微带线结构，提供回流路径

• 第三层：电源平面（如 3.3V）—— 与地平面形成去耦电容，稳定电源

• 底层（Bottom Layer）：低速信号层（如 GPIO、电源输入）

优势：平衡成本与性能，适合中小规模高速电路（如工业控制板、低端通信模块）。

• 顶层：高速信号层 1（如 PCIe、USB3.0）

• 第二层：地平面 1（GND1）—— 服务顶层信号

• 第三层：高速信号层 2（如 DDR 数据总线）

• 第四层：电源平面（如 1.8V、3.3V 分区）

• 第五层：地平面 2（GND2）—— 服务第三层信号，与电源平面形成去耦

• 底层：辅助信号层（如低速控制信号）

优势：支持多电源域，高速信号层均有独立地平面，串扰和 EMI 控制更优，适合服务器主板、5G 模块等。

2 层板无独立电源 / 地平面，需通过 “大面积敷铜” 模拟：

• 顶层：信号 + 局部电源敷铜

• 底层：大面积地敷铜（占板面积 70% 以上），所有信号尽量靠近底层地敷铜，减少回流路径。

局限性：仅适用于≤50MHz 的电路，高速信号需短距离传输（≤5cm）。

以 Altium Designer 为例，演示电源和地平面的 Stack-up 设置步骤：

1. 打开层叠管理器：菜单栏 “Design”→“Layer Stack Manager”。

2. 添加电源 / 地平面：

• 点击 “Add Layer”→选择 “Power Plane”（电源平面）或 “Ground Plane”（地平面）；

• 命名平面（如 “GND_Main”“VCC_3V3”），关联对应网络（在 “Net” 栏选择）。

3. 设置物理参数：

• 介质厚度（Dielectric Thickness）：信号层与地平面的间距（h）决定阻抗，如 50Ω 微带线（线宽 0.2mm，FR-4（εr=4.4））需 h=0.15mm；

• 铜厚（Copper Thickness）：电源平面选 1oz（35μm）或 2oz（70μm，大电流），信号层 1oz 即可；

• 介质材料：高速板选低损耗材料（如 Rogers 4350，tanδ=0.0037），普通板用 FR-4（tanδ=0.02）。

4. 确认层序：确保 “信号层 - 地平面 - 电源平面 - 信号层” 的交替结构，点击 “OK” 保存。

关键设置点：高速信号层与参考平面的间距（h）需结合阻抗计算工具（如 Altium 的 Impedance Calculator）确定，确保特性阻抗符合设计目标。

以 100MHz 时钟信号传输为例，对比两种布局的信号质量：

• 布局问题：时钟线长 10cm，无底层地敷铜，回流需通过远端接地引脚，回路面积达 10cm×5cm=50cm²。

• 信号质量：

• 反射严重：信号过冲达 30%（超出芯片阈值 10%）；

• EMI 辐射：30MHz-1GHz 频段辐射强度达 45dBμV/m（超 CLASS B 限值 15dB）；

• 串扰：相邻信号线耦合电压达 200mV（信号摆幅 3.3V，占比 6%）。

• 布局优化：时钟线位于顶层，正下方为连续地平面，回流路径紧贴信号线，回路面积仅 10cm×0.15cm=1.5cm²。

• 信号质量改善：

• 反射消除：过冲降至 5%，符合芯片要求；

• EMI 辐射：降至 30dBμV/m（低于限值）；

• 串扰：耦合电压≤50mV（占比 1.5%）。

结论：参考地平面使信号完整性指标提升 5-10 倍，是高速电路稳定工作的必要条件。

电源和地参考平面的设置是高速 PCB 设计的 “隐形支柱”，其核心目标是：为每个高速信号提供低阻抗、短路径的回流通道，并确保传输线阻抗稳定。

设计时需注意：

• 优先选择多层板，确保高速信号层至少有一个相邻参考平面；

• 电源与地平面成对设计，利用其电容特性优化电源噪声；

• 通过软件精确设置层叠参数（间距、材料），配合阻抗计算工具验证；

• 避免在参考平面上随意开大面积窗口（如为避让过孔而分割地平面），保持平面连续性。

平面设计的优劣直接决定信号品质的上限，即使布线再完美，缺乏合理参考平面的支撑，高速信号也无法发挥应有性能。对于 PCB 设计者而言，掌握平面布局技巧是从 “能设计” 到 “设计好” 的关键跨越。