高速PCB的信號完整性分析與電磁輻射研究.pdf

1、隨著數(shù)字電路速率及時鐘頻率的不斷提高，信號完整性與電磁兼容問題已成為高速系統(tǒng)設(shè)計能否成功的關(guān)鍵。高速系統(tǒng)中通常使用多層印刷電路板（printed circuit board, PCB）以實現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率、更低的電壓以及更加密集的互連。信號傳輸路徑和電源分配網(wǎng)絡(luò)是多層PCB的兩大功能模塊。信號傳輸路徑由過孔、信號線和連接器等組成，用來在驅(qū)動器和接收機之間建立信號信道，然后傳輸信號。電源分配網(wǎng)絡(luò)是高速系統(tǒng)上規(guī)模最大最復(fù)雜的互連，其為系統(tǒng)內(nèi)

2、所有器件提供足夠的電源，并滿足系統(tǒng)對電源穩(wěn)定性的要求。本文深入研究了平行板上的傳統(tǒng)過孔結(jié)構(gòu)和緊湊型過孔結(jié)構(gòu)的建模方法。并針對電源分配網(wǎng)絡(luò)的噪聲抑制問題進(jìn)行了深入探討，重點介紹去耦電容和平行板光子晶體在電源完整性分析中的應(yīng)用。通過仿真建模分析了PCB的介質(zhì)編織結(jié)構(gòu)在高速系統(tǒng)中引起的信號完整性問題。對復(fù)雜系統(tǒng)中連接多個PCB的高速高密度連接器展開了研究，通過仿真和測試對連接器的電磁輻射進(jìn)行了量化并分析其輻射機理。本文研究的主要內(nèi)容歸納如下：

3、
　　1）對高速 PCB中，過孔的建模方法進(jìn)行了深入研究。對傳統(tǒng)的過孔結(jié)構(gòu)，通過區(qū)域劃分的建模方法將整個計算區(qū)域劃分為若干個過孔區(qū)域和平行板區(qū)域分開討論。應(yīng)用柱面波加法定理推導(dǎo)了圓形平行板徑向散射矩陣的解析解。并分析在傳統(tǒng)過孔結(jié)構(gòu)上過孔樁和周圍地孔引起的諧振。對反焊盤內(nèi)含有多個過孔的緊湊型過孔結(jié)構(gòu)，同樣采用區(qū)域劃分的方法建模。通過邊界積分得到平行板區(qū)域的阻抗矩陣，同時利用全波仿真軟件 HFSS中三維 FEM的方法來求解每個過孔區(qū)域

4、的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。利用虛擬交界面上的邊界條件，將所有過孔區(qū)域與平行板區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)級聯(lián)，最終得到平行板上的過孔端口之間的耦合。
　　2）針對高速 PCB的電源完整性及噪聲抑制問題，首次將廣義多重散射方法拓展到去耦電容與平行板光子晶體的性能分析上。通過對介質(zhì)柱邊界問題的求解以及提取去耦電容的等效電路分別推導(dǎo)了二者的轉(zhuǎn)換矩陣。然后將轉(zhuǎn)換矩陣作為負(fù)載與平行板徑向散射矩陣級聯(lián)，其中平行板徑向散射矩陣由廣義多重散射方法計算而得。從而得到用于表征電

5、源完整性的平行板阻抗矩陣。為了更好地理解平行板上光子晶體與去耦電容的噪聲抑制機理，本文還詳細(xì)推導(dǎo)了平行板上的場分布。從而得到平行板光子晶體不同的諧振機理：平行板諧振腔；由周圍介質(zhì)柱構(gòu)成的諧振腔；單個介質(zhì)柱諧振腔。本文中算法的準(zhǔn)確度和高效性均通過全波仿真得到了驗證。
　　3）采用數(shù)值仿真的方法討論了介質(zhì)編織結(jié)構(gòu)對過孔耦合以及信號線傳輸性能的影響。對于平行板上的過孔耦合，可以將三維的介質(zhì)編織結(jié)構(gòu)簡化為一層的二維的周期結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。對于

6、信號線穿過介質(zhì)編織結(jié)構(gòu)的情況，則必須使用更為復(fù)雜的三維周期結(jié)構(gòu)。當(dāng)單端信號線或差分信號線以不同的角度穿過介質(zhì)編織結(jié)構(gòu)時，介質(zhì)編織結(jié)構(gòu)引起的諧振頻率以及強度不同。本文推導(dǎo)的介質(zhì)編織結(jié)構(gòu)引起的最低諧振頻率公式對布線角度的選擇具有指導(dǎo)意義。在采用差分走線時，讓差分信號線與玻璃纖維束成5°~10°的夾角，可以減小介質(zhì)編織結(jié)構(gòu)帶來的相位偏移。而實際的加工誤差所引起的玻璃纖維束尺寸的隨機分布特性，再加上介質(zhì)損耗帶來的信號衰減，會減弱介質(zhì)編織結(jié)構(gòu)的影

7、響。
　　4）對復(fù)雜系統(tǒng)內(nèi)多個 PCB的互連結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的電磁輻射，進(jìn)行了計算與測量的研究。從簡化的連接器模型入手，得到了通過網(wǎng)絡(luò)參數(shù)計算無耗的系統(tǒng)輻射功率的有效方法。然后通過建模以及測試對一種典型的商用壓合連接式PCB連接器的輻射機理以及輻射功率的量化進(jìn)行了研究。通過測試和仿真得到的S參數(shù)，以及在混響室和OTA暗室測得的連接器輻射功率，驗證了在全波電磁仿真軟件中建立的實際連接器模型。重點討論了PCB連接器系統(tǒng)的總功率損耗中介質(zhì)損耗、