參考平面差分信號(hào)回流路徑的全波電磁場(chǎng)解析

1、差分信號(hào)回路三維建模

為了對(duì)差分信號(hào)回路進(jìn)行精確的分析，需要借助三維的電磁場(chǎng)仿真軟件。選用了Ansoft的HFSS進(jìn)行三維建模和分析。 HFSS 是基于三維電磁場(chǎng)設(shè)計(jì)的EDA 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)工具。HFSS 依據(jù)其獨(dú)有的模式，節(jié)點(diǎn)和超寬帶插值掃頻專有技術(shù)，利用有限元(FEM)快速精確求解整板級(jí)PCB或整個(gè)封裝結(jié)構(gòu)的所有電磁特性，真正全面考慮(準(zhǔn))靜態(tài)仿真中無法分析的有失配、耦合、輻射及介質(zhì)損耗等引起的電磁場(chǎng)效應(yīng)，從而得到精確的頻域高頻特性(如S 參數(shù)等)并生成全波Spice模型以支持高頻、高速、高密度PCB 應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)精確的Spice寬帶電路仿真設(shè)計(jì)。

為了表明較長(zhǎng)回流路徑的影響，參見圖2,描述了一根帶狀線跨過了地參考平面上的一個(gè)溝壑，構(gòu)建的一個(gè)不連續(xù)回流路徑的簡(jiǎn)單模型，該模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，回流路徑很容易被理解，同時(shí)它也能被擴(kuò)展應(yīng)用到更多的常見結(jié)構(gòu)中。定義信號(hào)回路的信號(hào)在PCB板上的位置以及PCB疊層如圖1和結(jié)構(gòu)如圖2所示，為帶狀線，特征阻抗100歐姆，銅箔厚度0.035mm，信號(hào)線線寬0. 127mm,信號(hào)的間隙為0.2286mm，線長(zhǎng)5cm.介質(zhì)厚度為0.1524mm，GND的銅箔度。0.035mm,介電常數(shù)4.0。

圖1 PCB 疊層結(jié)構(gòu)

信號(hào)跨分割溝壑，即信號(hào)的參考平面不是完整平面?；亓髀窂街械拈g隙通常用于隔離電路板上的某個(gè)區(qū)域。當(dāng)電源平面用做參考層或使用分離電源層時(shí)也會(huì)出現(xiàn)開槽的間隙。有時(shí)在回流路徑中出現(xiàn)了非故意的開槽間隙，像回流路徑中出砂孔過分刻蝕和交疊的情況，造成信號(hào)回流參考平面不完整。如圖2 所示：

如圖2 跨越地平面溝壑信號(hào)的平面幾何圖形根據(jù)圖1 和圖2,在HFSS 下進(jìn)行三維建模如圖4，導(dǎo)線處在介電常數(shù)為4.0，損耗角正切為0.02的板材中，板材的上下側(cè)均為銅箔參考平面，導(dǎo)線的差分特征阻抗為102歐姆。

圖3 完整參考平面的三維幾何圖形

2、完整參考平面回路場(chǎng)效應(yīng)分析

導(dǎo)線的兩端定義端口分別為Waveport1 和Waveport2, 端口Waveport1 的激勵(lì)定義為Wave port 阻抗為50 歐姆，差分阻抗為100 歐姆; 端口Waveport1 的邊界條件定義為Waveport 阻抗為50 歐姆，差分阻抗為100 歐姆。場(chǎng)分析時(shí)，在整板外圍設(shè)計(jì)為50 C 50 C 40空氣體，將該空氣體的吸收邊界條件定義為Radiation.在HFSS 中，設(shè)定求解的頻率為2.5GHz，最大的ΔS 為0.05，設(shè)置為5%能滿足精度要求而又不需要花費(fèi)太多的時(shí)間，在此基礎(chǔ)上加入間插頻率掃描分析，即定義全波模型適用的頻率范圍，從0.01GHz 掃描5GHz,步長(zhǎng)0.01GHz，誤差2%,進(jìn)行分析計(jì)算。

根據(jù)S 參數(shù)的基本知識(shí)，如果以Waveport1 作為信號(hào)的輸入端口， Waveport2 作為信號(hào)的輸出端口，S11 表示回波損耗，也就是有多少能量被反射回源端，這個(gè)值越小越好，一般建議S110.1,即-20dB,S21 表示插入損耗，也就是有多少能量被傳輸?shù)侥康亩?Port2)了，這個(gè)值越大越好，理想值是1，即0dB，越大傳輸?shù)男试礁?，一般建議S21>0.7，即-3dB。