參考平面差分信號回流路徑的全波電磁場解析

1、差分信號回路三維建模

為了對差分信號回路進行精確的分析，需要借助三維的電磁場仿真軟件。選用了Ansoft的HFSS進行三維建模和分析。 HFSS 是基于三維電磁場設計的EDA 標準設計工具。HFSS 依據其獨有的模式，節點和超寬帶插值掃頻專有技術，利用有限元(FEM)快速精確求解整板級PCB或整個封裝結構的所有電磁特性，真正全面考慮(準)靜態仿真中無法分析的有失配、耦合、輻射及介質損耗等引起的電磁場效應，從而得到精確的頻域高頻特性(如S 參數等)并生成全波Spice模型以支持高頻、高速、高密度PCB 應用中實現精確的Spice寬帶電路仿真設計。

為了表明較長回流路徑的影響，參見圖2,描述了一根帶狀線跨過了地參考平面上的一個溝壑，構建的一個不連續回流路徑的簡單模型，該模型結構簡單，回流路徑很容易被理解，同時它也能被擴展應用到更多的常見結構中。定義信號回路的信號在PCB板上的位置以及PCB疊層如圖1和結構如圖2所示，為帶狀線，特征阻抗100歐姆，銅箔厚度0.035mm，信號線線寬0. 127mm,信號的間隙為0.2286mm，線長5cm.介質厚度為0.1524mm，GND的銅箔度。0.035mm,介電常數4.0。

圖1 PCB 疊層結構

信號跨分割溝壑，即信號的參考平面不是完整平面。回流路徑中的間隙通常用于隔離電路板上的某個區域。當電源平面用做參考層或使用分離電源層時也會出現開槽的間隙。有時在回流路徑中出現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的平面幾何圖形根據圖1 和圖2,在HFSS 下進行三維建模如圖4，導線處在介電常數為4.0，損耗角正切為0.02的板材中，板材的上下側均為銅箔參考平面，導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效應分析

導線的兩端定義端口分別為Waveport1 和Waveport2, 端口Waveport1 的激勵定義為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。場分析時，在整板外圍設計為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，設定求解的頻率為2.5GHz，最大的ΔS 為0.05，設置為5%能滿足精度要求而又不需要花費太多的時間，在此基礎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0.01GHz，誤差2%,進行分析計算。

根據S 參數的基本知識，如果以Waveport1 作為信號的輸入端口， Waveport2 作為信號的輸出端口，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到目的端(Port2)了，這個值越大越好，理想值是1，即0dB，越大傳輸的效率越高，一般建議S21>0.7，即-3dB。