基于HFSS 的高速不連續(xù)性微帶線串?dāng)_分析

黃根信，李鵬，李通

（桂林電子科技大學(xué)海洋工程學(xué)院，廣西北海，536000）

0 引言

隨著電子產(chǎn)品用戶對(duì)于微型化、高性能、多功能的要求不斷提升，設(shè)計(jì)高速電路成為應(yīng)對(duì)提升產(chǎn)品性能的重要手段。近年來(lái)，集成電路迅速地向高速度和巨大規(guī)模方向發(fā)展，時(shí)鐘頻率達(dá)到幾百M(fèi)Hz 乃至GHz，數(shù)據(jù)率達(dá)Gbps 以上，其頻譜高端則趨向更高的微波毫米波頻率范圍，可達(dá)幾GHz。隨著集成電路工作速率的提高，互連線所傳輸?shù)母咚倜}沖信號(hào)具有從直流至微波、毫米波頻段的極為寬闊的頻譜[1]。

雖然高頻高速電路的到來(lái)給電子產(chǎn)品高性能、多功能化帶來(lái)的便利，但是由于工作頻率的不斷加大，傳統(tǒng)的微帶線不能簡(jiǎn)單地看作金屬導(dǎo)線，因在頻譜高端對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)已與互連結(jié)構(gòu)的尺寸處于同一數(shù)量級(jí)，信號(hào)脈沖在互連線上呈現(xiàn)明顯的波動(dòng)效應(yīng)[2]。此時(shí)，微帶線由于傳輸頻率不斷加大帶來(lái)的反射、串?dāng)_、時(shí)序、同步開(kāi)關(guān)噪聲、電磁干擾問(wèn)題已經(jīng)極為明顯。尤其是不連續(xù)性微帶線[3]，由于存在拐角使得信號(hào)傳輸帶來(lái)的反射與串?dāng)_存在明顯的不確定性。

所謂串?dāng)_是一個(gè)信號(hào)對(duì)另外一個(gè)信號(hào)耦合所產(chǎn)生的一種不受歡迎的能量值，串?dāng)_是影響數(shù)據(jù)傳輸最嚴(yán)重的因素之一。目前，針對(duì)微帶線的串?dāng)_研究，國(guó)內(nèi)外學(xué)者有不少相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，在國(guó)內(nèi)，王小寧[4]等人采用基于矩量法的電磁仿真軟件ADS 研究了微帶線走線間距、走線重疊面積、并行長(zhǎng)度等對(duì)串?dāng)_的影響，并提出了抑制串?dāng)_的方法；張棟[5]通過(guò)比較微帶線拐角兩端輸出信號(hào)波形和輸入信號(hào)波形的相似度來(lái)衡量拐角對(duì)信號(hào)傳輸特性的影響，引入失真系數(shù)的概念進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算，總結(jié)出了拐角傳輸?shù)膬?yōu)良次序；劉琦[6]采用基于有限元法的 HFSS 仿真軟件，對(duì)PCB 單線反射特性和雙線串?dāng)_特性進(jìn)行了研究分析，并根據(jù)仿真結(jié)果提出了有效的抑制反射和串?dāng)_的方法；鄭常斌[7]等人分析了PCB 上兩平行微帶線在不同的頻率、并行長(zhǎng)度、相隔距離和參考層高度情況下的串?dāng)_問(wèn)題，根據(jù)仿真結(jié)果總結(jié)了串?dāng)_強(qiáng)度隨微帶線的并行長(zhǎng)度、相隔距離和離參考層的高度而變化的一般性規(guī)律；在國(guó)外，Morteza Kazerooni[8]等人提出一種新的減小微帶線近端和遠(yuǎn)端串?dāng)_的方法，通過(guò)實(shí)驗(yàn)比較不同的 DMS-CPMLs結(jié)構(gòu)，最終得到一種減少串?dāng)_的最好結(jié)構(gòu)；Yan Dong[9]等人基于有限時(shí)域差分法FDTD 研究了T 形微帶線之間的串?dāng)_，結(jié)果表明微帶線間的串?dāng)_值隨間距的增大而減小。

由上述文獻(xiàn)可知，對(duì)于微帶線串?dāng)_的研究一直是致力于研究信號(hào)傳輸?shù)膶W(xué)者們重點(diǎn)關(guān)注的方向。雖然關(guān)于微帶線串?dāng)_相關(guān)的文獻(xiàn)報(bào)道不少，但是針對(duì)于高速不連續(xù)性微帶線串?dāng)_的研究缺極為少見(jiàn)。因此，為了了解不連續(xù)性微帶線串?dāng)_的問(wèn)題，非常有必要針對(duì)其展開(kāi)系統(tǒng)的研究。本文以不連續(xù)性微帶線為研究對(duì)象，通過(guò)建立不連續(xù)性微帶線的HFSS 三維仿真模型，分析信號(hào)頻率、微帶線厚度、寬度、間距對(duì)串?dāng)_強(qiáng)度的影響，最后基于研究結(jié)果提出了抑制串?dāng)_的不連續(xù)性微帶線設(shè)計(jì)方法。

1 不連續(xù)性微帶線串?dāng)_仿真模型

本文所研究是不連續(xù)性微帶線，選取PCB 板上不連續(xù)段進(jìn)行分析，采用三位電磁仿真軟件HFSS 建立兩條不連續(xù)性微帶線的串?dāng)_仿真模型，圖1 所示為該微帶線的串?dāng)_仿真分析模型。模型的基本仿真參數(shù)設(shè)置為：整個(gè)PCB 板的尺寸為 5.0 mm×5.0mm×1mm(長(zhǎng)×寬×高），PCB 材料選用FR-4 為基板，其相對(duì)介電常數(shù)為4.4，兩條微帶線寬度均為0.2mm,兩條微帶線之間的距離取0.2mm,參考面為理想導(dǎo)電平面，其厚度為0.02mm。

圖1 不連續(xù)性微帶線串?dāng)_仿真模型

2 基于HFSS 模型的串?dāng)_仿真分析

2.1 信號(hào)頻率對(duì)串?dāng)_強(qiáng)度的影響

在固定仿真模型結(jié)構(gòu)參數(shù)以及邊界條件設(shè)置不變的條件下，考慮微帶線的工作信號(hào)頻率為1～6GHz 時(shí)，兩條的不連續(xù)性微帶線的近端串?dāng)_和遠(yuǎn)端串?dāng)_隨信號(hào)頻率變化的仿真分析結(jié)果如圖2 所示。依據(jù)圖2 所示結(jié)果，發(fā)現(xiàn)1～6 GHz 范圍內(nèi)在信號(hào)頻率的不斷增大的情況下，近端串?dāng)_S13 總是大于遠(yuǎn)端串?dāng)_S14,且串?dāng)_值S13、S14 均大于-25dB ,可見(jiàn)在該頻段內(nèi)高速不連續(xù)性微帶線之間的串?dāng)_極為明顯。在1-3GHZ范圍內(nèi)近端串?dāng)_S13 與遠(yuǎn)端串?dāng)_S14 均呈現(xiàn)快速增大的現(xiàn)象，可見(jiàn)在該頻段內(nèi)兩條不連續(xù)性微帶線之間的近端串?dāng)_S13、遠(yuǎn)端串?dāng)_S14 隨信號(hào)頻率增大的影響較大。在3-6GHZ 內(nèi)兩條不連續(xù)性微帶線之間的近端串?dāng)_S13 與遠(yuǎn)端串?dāng)_S14 慢慢趨于平緩，可見(jiàn)在此范圍內(nèi)信號(hào)頻率的不斷增大對(duì)于其串?dāng)_的增強(qiáng)有所減緩。從仿真結(jié)果來(lái)看，信號(hào)頻率對(duì)于高速微帶線之間的影響不可忽視，因此在電子組件實(shí)際互連結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)運(yùn)用中要考慮到信號(hào)頻率對(duì)其串?dāng)_的影響。

圖2 串?dāng)_強(qiáng)度隨頻率變化趨勢(shì)

2.2 微帶線厚度對(duì)串?dāng)_強(qiáng)度的影響

為了能夠準(zhǔn)確分析兩條不連續(xù)性微帶線厚度對(duì)近端串?dāng)_S13 與遠(yuǎn)端串?dāng)_S14 的影響，在確保仿真模型其他結(jié)構(gòu)參數(shù)以及邊界條件設(shè)置不變的條件下，設(shè)置微帶線的工作信號(hào)頻率為1～6GHz 時(shí)，選取微帶線厚度分別為：0.035mm、0.055mm、0.075mm，分別建立串?dāng)_分析仿真模型，得到兩條的不連續(xù)性微帶線的近端串?dāng)_S13 和遠(yuǎn)端串?dāng)_S14 隨微帶線厚度變化的仿真分析結(jié)果如圖3、圖4 所示。

圖3 近端串?dāng)_S13 隨微帶線厚度變化趨勢(shì)

圖4 遠(yuǎn)端串?dāng)_S14 隨微帶線厚度變化趨勢(shì)

由圖3、圖4 所示的仿真結(jié)果曲線圖可知，近端串?dāng)_S13隨著微帶厚度的增大呈現(xiàn)不斷增大的趨勢(shì)，尤其信號(hào)頻率在6GHZ 時(shí)，近端串?dāng)_S13 在微帶線厚度0.075mm 與0.055mm 時(shí)相差接近1dB,可見(jiàn)近端串?dāng)_S13 強(qiáng)度受微帶線厚度影響較大；而遠(yuǎn)端串?dāng)_S14 微帶線厚度的增大未呈現(xiàn)明顯的趨勢(shì)，反而隨著微帶線厚度變化遠(yuǎn)端串?dāng)_S14 值無(wú)明顯變化，可見(jiàn)微帶線厚度對(duì)于遠(yuǎn)端串?dāng)_S14 影響不顯著。因此，在電路設(shè)計(jì)時(shí)，可重點(diǎn)觀察微帶線厚度對(duì)于近端串?dāng)_S13 的影響；在滿足設(shè)計(jì)條件的情況下，可盡量減小微帶線厚度來(lái)抑制微帶線之間的串?dāng)_影響。

2.3 微帶線寬度對(duì)串?dāng)_強(qiáng)度的影響

在確保仿真模型其他結(jié)構(gòu)參數(shù)以及邊界條件設(shè)置不變的條件下，設(shè)置微帶線的工作信號(hào)頻率為1～6GHz 時(shí)，選取微帶線寬度分別為：0.2mm、0.25mm、0.3mm，分布建立串?dāng)_分析仿真模型，得到兩條的不連續(xù)性微帶線的近端串?dāng)_S13 和遠(yuǎn)端串?dāng)_S14 隨微帶線厚度變化的仿真分析結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 近端串?dāng)_S13 隨微帶線寬度變化趨勢(shì)

圖6 遠(yuǎn)端串?dāng)_S14 隨微帶線寬度變化趨勢(shì)

由圖5、圖6 所示的仿真結(jié)果曲線圖可知，隨著微帶線寬度的增大，近端串?dāng)_S13 值呈現(xiàn)明顯地逐漸增大的趨勢(shì)；尤其是當(dāng)信號(hào)頻率達(dá)到6GHZ 時(shí)，微帶線寬度每增加0.05mm 使得近端串?dāng)_S13 增加將近1dB,可見(jiàn)微帶線寬度的增大對(duì)于近端串?dāng)_的影響較為顯著。反之，隨著微帶線寬度的增大，遠(yuǎn)端串?dāng)_S14 值變化趨勢(shì)不明顯，在頻率范圍1-6GHz 內(nèi)，遠(yuǎn)端串?dāng)_S14 值相差不大，可見(jiàn)盡管頻率在不斷加大微帶線寬度對(duì)于遠(yuǎn)端串?dāng)_S14 影響不顯著。因此，在電路設(shè)計(jì)時(shí)，可重點(diǎn)觀察微帶線對(duì)于近端串?dāng)_S13 的影響；在滿足設(shè)計(jì)條件的情況下，可盡量控制微帶線的寬度來(lái)減小微帶線之間的串?dāng)_影響。

2.4 微帶線間距對(duì)串?dāng)_強(qiáng)度的影響

在確保仿真模型其他結(jié)構(gòu)參數(shù)以及邊界條件設(shè)置不變的條件下，設(shè)置微帶線的工作信號(hào)頻率為1～6GHz 時(shí)，選取微帶線間距分別為：0.2mm、0.3mm、0.4mm，分布建立串?dāng)_分析仿真模型，得到兩條的不連續(xù)性微帶線的近端串?dāng)_S13 和遠(yuǎn)端串?dāng)_S14 隨微帶線厚度變化的仿真分析結(jié)果如圖7、圖8所示。

圖7 近端串?dāng)_S13 隨微帶線間距變化趨勢(shì) 間距變化趨勢(shì)

圖8 遠(yuǎn)端串?dāng)_S14 隨微帶線

由圖7、圖8 所示的仿真結(jié)果曲線圖可知，近端串?dāng)_S13與遠(yuǎn)端串?dāng)_S14 均隨著兩條微帶線的間距增大而減小，串?dāng)_強(qiáng)度與微帶線寬度呈反比的狀態(tài)。這是因?yàn)樵谄渌麠l件不變的情況下僅增加兩條微帶線的間距使得微帶線之間的互容互感效應(yīng)明顯降低，微帶線整體的串?dāng)_情況得到減弱。因此，在基板資源以及設(shè)計(jì)條件允許的情況下，應(yīng)盡量增大兩微帶線之間的間距，這樣可以有效地減少兩微帶線之間的串?dāng)_。

3 結(jié)論

采用三維電磁仿真軟件HFSS 對(duì)不連續(xù)性微帶線串?dāng)_仿真，分析了信號(hào)頻率、微帶線厚度、微帶線寬度、微帶線間距、基板材料對(duì)串?dāng)_強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明：結(jié)果表明：不連續(xù)性微帶線串?dāng)_強(qiáng)度隨著信號(hào)頻率的變化而呈現(xiàn)先增大后趨于平緩的趨勢(shì)；近端串?dāng)_S13 隨微帶線厚度的增大呈現(xiàn)遞增的趨勢(shì)；近端串?dāng)_S13 隨微帶線寬度增大而增大；微帶線拐角為圓弧時(shí)串?dāng)_最為明顯；串?dāng)_強(qiáng)度隨微帶線間距增大而減小?；谘芯拷Y(jié)果提出了抑制不連續(xù)性串?dāng)_的方法。

所以在不連續(xù)微帶線設(shè)計(jì)時(shí)，為了減小兩條微帶線之間的串?dāng)_，應(yīng)采取相應(yīng)的措施：（1）在微帶線制作條件允許的情況下，應(yīng)盡量地減小微帶線的厚度及寬度；（2）在基板資源滿足的情況下，應(yīng)盡量增大微帶線之間的間距。