高速数字信号在PCB中的传输特性分析

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第24卷　第3期电　波　科　学　学　报Vol.24,No.32009年6月　　　　　　　　　　　　CHINESEJOURNALOFRADIOSCIENCE　　　　　　　　June,2009　　　

　　文章编号　100520388(2009)0320498204

高速数字信号在PCB中的传输特性分析

刘学观　江盼盼　郭辉萍　曹洪龙

(苏州大学电子信息学院,江苏苏州215021)

摘　要　首先分析了PCB板走线损耗特性,建立分析模型并进行了数值仿真计算,

得到了一些有益的结论;然后对PCB走线串扰特性进行了研究,给出了相应的等效电路模型,分析了护卫接地技术中接地孔对串扰抑制的影响。分析结果表明,科学设计护卫接地可以有效地改善PCB走线所引起的串扰,为实现高速数字电路设计打下了基础。关键词　信号完整性;PCB设计;高速数字信号;串扰抑制;护卫接地技术中图分类号　TN911　　　　文献标志码　A

Transmissioncharacteristicsofhigh2speed

digitalsignalinPCB

LIUXue2guan　JIANGPan2pan　GUOHui2ping　CAOHong2long

(SchoolofElectronicandInformationEngineering,SoochowUniversity,

SuzhouJiangsu215021,China)

Abstract　Moreandmoreattentionshavebepaidtotheproblemsofsignalintegrityforhighspeedsignalsystemdesign.Basedontheanalysisoflosscharacteristicsof

printedcircuitboard(PCB)line,asuitableanalysismodelissetupandnumericalsimulationisalsogiven.ThenthecrosstalkofPCBtracesisdiscussed.Theprinci2pleandviaholetechnologyofguardgroundingarestudiedindetail.Thesimulationresultsshowthatcarefullydesignforguardgroundtraceingcanreducethecrosstalkeffectivelywhichprovideabasisfortherealizationofhighspeeddigitalcircuitsdesign.

Keywords　signalintegrate;PCBdesign;highspeeddigitalsignal;crosstalkre2duction;guardgroundingtechnology

引　言

随着数字信号基准频率的不断提高,高速数字信号在传输中带来越来越严重的信号完整性问题,其中有两个主要问题:一是由于PCB板上铜导线和介质材料的损耗随着频率的升高而显著加大,从而引起在其上传输的数字信号的失真,导致误码率增高;二是由于走线之间串扰随着频率的增加而明显加剧[1,2]。

由于PCB走线的复杂性,目前没有统一的走线分析模型,本文将利用微波技术的基本知识,以端接过孔的有耗线为例,建立合适的PCB中走线分析模型,以此分析研究高速数字信号在PCB中的传输特性。

对于串扰机理及其抑制技术,有许多学者已经做了大量工作[3～6],其中护卫接地技术是有效技术之一,本文将从传输线基本理论出发,给出相应的等效电路模型,分析护卫线接地过孔串扰抑制的影响,

收稿日期:20082052161　　　　基金项目:苏州大学博士基金项目(Q4119803)　　　联系人:刘学观E2mail:txdzlxg@suda.edu.cn498

第3期　　　　　　　　　　刘学观等:高速数字信号在PCB中的传输特性分析通过电磁仿真技术来研究护卫线接地过孔对串扰的影响,仿真结果印证了谐振原理的正确性,为直观、简洁设计护卫接地提供了参考。

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示。

从图2可见,插入损耗的幅值随频率的升高而下降,直到6GHz左右,衰减的斜率接近常数。

通过仿真我们可以得出以下结论:由于金属材料、介质材料其衰减特性与频率有关,因此高速数字信号通过PCB走线时既会产生幅度畸变,又会产生

1　PCB走线的传输线模型及损耗特性

一般的PCB板通常以FR24材料为基材,其损耗主要由金属导带损耗和介质损耗两部分组成,根据电磁理论,金属损耗、介质损耗随频率的增加而显著增大,为了充分反映PCB走线所带来的影响,下面以带状线为例分析PCB走线的传输特性。

　　为了考虑实际终端过孔的影响,将走线两端的过孔等效为Π型电路,其中C1表示过孔第一部分的电容,L表示过孔的回路电感,C2表示过孔第二部分的电容,文献[1]给出了优化后的Π型等效电路的参数。PCB走线段等效为有损传输线,导体损耗、介质损耗引起的单位长总衰减为[7]

α=α(1)c+αd

α式中,αc、d分别是导体衰减常数和介质衰减常数。这样一段长为l的PCB走线就可以等效为如图

1所示的传输线模型。

图1　具有两端过孔的传输线等效电路模型

　　根据网络[A]参数级联公式[7],该模型总的[A]参数为

(2)[A]total=[A]h1[A]t[A]h2

式中,[A]h1、[A]h2分别为过孔等效Π型电路的[A]参数;[A]t为有损传输线的[A]参数。根据参数变换,我们可以得到该等效电路模型的[S]参数

a+b-c-d2(ad-bc)1[S]=

a+b+c+d2b+d-a-c(3)

式中,a、b、c、d为[A]total的归一化参数。

从而可以得到其总的插入损耗(InsertionLoss)

IL=S21=

相位失真,特别对宽带数字信号有明显的影响,而且随着频率的增加,变得更加严重,必要时需采取如预失真等补偿措施;相对材料引起的失真而言,过孔所造成的影响很小。

2　PCB走线串扰及其抑制

PCB板上走线之间的耦合会引起信号的串扰,

从电磁场的观点出发,这是因为在一根走线通以变化的信号,在其周围会产生电场和磁场,而处在该电磁场中的另一根走线就会耦合到信号,从而产生信号的串扰。随着信号频率的不断提高,这种串扰的影响显著增加。为了减少这种串扰,人们采用多种方法来抑制,其中护卫接地技术就是在两根信号线之间增加分段接地的护卫线,如图3所示。端口①②及③④分别为w1线宽为相互耦合的两根走线的四个端口。中间为线宽为w2的护卫接地线,其中黑点代表接地过孔。根据传输线理论[7],该模型可以用如图4电路模型来等效。其中,C11、C22、L11、L22分别为信号走线的单位长自电容和自电感,C33、L33为护卫线

2a+b+c+d

(4)

通常,FR24材料的相对介电常数设为4.4,耗散

因子为0.015,现分析特性阻抗为51.2Ω、长度为10cm的有损传输线的传输特性。根据上述分析,可以得到等效参数传输线插入损耗的计算结果如图2所

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的单位长自电容和自电感,C12为信号走线间的单位

长互电容,C13、C23为信号走线与护卫线间的单位长互电容。由等效电路发现,由于护卫线的存在,使两信号走线之间的耦合变得复杂。而护卫线的两接地间线段可以看作两端短路的谐振电路,当信号频率远离该谐振频率时,其等效阻抗很小,从而起到抑制串扰的作用,但当信号频率处于该结构的谐振频率附近时,电磁能量储存在该结构附近,从而可能带来比没有护卫线时更加严重的串扰。因此科学设计护卫接地过孔位置,对串扰的抑制有很大的影响。从仿真结果可以看出,任意添加护卫接地线未必能抑制信号的串扰,有时反而会加剧串扰,增加接地过孔数目可以有效抑制串扰。这与用等效电路的解释完全一致。

3　结　论

本文分别研究了PCB走线的传输特性以及利用护卫接地线抑制串扰,根据上述研究我们可以得到以下结论:①由于金属材料、介质材料其衰减特性与频率有关,因此高速数字信号通过PCB走线时既会产生幅度畸变,又会产生相位失真,特别对宽带数字信号有明显的影响,而且随着频率的增加,变得更加严重,必要时需采取如预失真等补偿措施;相对材料引起的失真而言,过孔所造成的影响很小;②接地护卫线段可以等效为谐振电路,有时反而会加剧信号的串扰,因此必须科学设计接地过孔数目以达到有效抑制串扰的目的。

至于采用何种补偿措施减小PCB传输走线的失真以及如何正确快速估计接地过孔数目以避免串扰的加剧是下一步值得研究的课题。参考文献

[1]　BOGATINE.信号完整性分析(SignalIntegrity:Sim2

plified)[M].李玉山,译.北京:电子工业出版社,2005.

[2]　郭辉萍,刘学观1电磁场与电磁波[M].2版1西安:西

　　为了验证上述分析,我们用电磁仿真软件进行了串扰分析,分别对无护卫接地线、4个接地过孔的接地护卫线以及8个接地过孔的接地护卫线进行了仿真,仿真结果如图5所示。其中,各参数是信号线宽度w1=1.75mm,护卫线宽度w2=1mm,介质相对介电常数εr=4.4,信号线长度50mm,介质板厚度d=0.9mm,敷铜厚度t=0.02mm。

安电子科技大学出版社,2007.

[3]　SUNTIVESA,KHAJOOEIZADEHA,etal.Using

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[4]　LEEKH,LEEHB,etal.Serpentineguardtraceto

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[5]　LILi2ping,LIYu2shan,etal.Investigationofintercon2

nectlossduetocouplingbetweentwoparallelmicros2triplinesinhigh2speeddesign[J].MicrowaveandOp2ticalTechnologyLetters,2008,50(1):1972202.[6]　ARCHAMBEAULTBR.PCBdesignforreal2world

EMIcontrol[M].Kluweracacdemicpublishers,2002.[7]　刘学观,郭辉萍.微波技术与天线[M].2版1西安:西

安电子科技大学出版社,2006.

(下转第517页)

图5　接地护卫线对串扰影响的仿真

第3期　　　　　　　　　　孙思扬等:利用点源阵模型分析微带贴片天线π上略2

微有所不同,但是二者反映了相同的变化趋势,且与文献[3]相比,本文将微带贴片天线与半波振子联系起来,无须进行复杂的傅立叶域计算,求解过程简单明了,便于对微带贴片天线进行分析。H面波瓣图(φ=0)是相同的,E面φ=

517

[4]　CA巴拉尼斯1天线理论分析与设计[M]1北京:电

子工业出版社,1988:121001

[5]　约翰克劳斯1天线[M]1北京:电子工业出版社,

2004:762791

4　结　论

　　本文提出了一种新的计算微带贴片天线远场方

法。通过对微带贴片天线表面电流的合理近似,利用点源阵及波瓣图乘法原理,将微带天线看作半波阵子的连续阵来分析,求得了其辐射场的解析解。求解过程简单明了,物理意义清晰明确,与传统模型的结果基本一致,能够满足对微带天线辐射特性计算分析的要求。参考文献

[1]　钟顺时1微带天线理论与应用[M]1西安:西安电子

　　孙思扬　(1983-),男,山东

人,现为北京邮电大学电磁场与微波技术专业博士生,主要研究方向为微带天线理论与设计,电磁兼容。

吕英华　(1944-),男,辽宁人,北京邮电大学教授,博士生导师。主要研究方向为:计算电磁学,电磁兼容,生物电子工程,天线和电磁散射,计算机信息技术。

科技大学出版社,1991:42181

[2]　LOY,SOLOMOND,RICHARDSW1Theoryand

experimentonmicrostripantennas[J]1IEEETransac2tionsonAntennasandPropagation,1979,27(2):13721451

[3]　PERLMUTTERP,SHTRIKMANS,TREVESD1

Electricsurfacecurrentmodelfortheanalysisofmi2crostripantennaswithapplicationtorectangularele2ments[J]1IEEETransactionsonAntennasandProp2agation,1985,33(3):30123111

　　高攸纲　(1928-),男,江苏人,北京邮电大学教授,博士生导师,中国电子学会电磁兼容分会及中国通信学会电磁兼容委员会主任委员,主要研究方向为电磁兼容技术和环境电磁学理论。

(上接第500页)

　　刘学观　(1965-),男,江苏人,苏州大学电子信息学院教授,博士,中国通信学会电磁兼容专业委员会委员,主要从事电磁散射、电磁兼容、射频与微波工程及无线通信教学、科研工作。江盼盼　(1986-),男,江苏人,苏州大学电子信息学院通信工程专业04级学生,现为华硕科技(苏州)有限公司EMC工程师。

　　郭辉萍　(19-),女,山东人,苏州大学电子信息学院副教授,硕士,19年毕业于西安电子科技大学,主要从事电磁理论及应用、微波与天线技术教学、科研工作。

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