面向遠端串擾的電路信號降擾研究

鄭學偉

（遼寧廣播電視大學 遼寧 沈陽 110034）

現代電子設備高速、高頻、小型化的發展趨勢使得電路板信號完整性問題日漸突出。信號在電路板的微帶線內傳輸時，其周圍會有電場與磁場的存在，通常稱之為邊緣場。如果另一條微帶線與此條微帶線相鄰較近，將會受到此邊緣場的影響進而發生串擾現象。

針對微帶線間串擾問題，已有許多學者采用多種方法來降低串擾的影響。其中最常用的是在微帶線間加入不同形狀的接地防護線的方法。這些形狀包括傳統型防護線、帶接地過孔的防護線、彎曲性防護線等。比如Lee等人[1]將不加防護線、普通防護線、帶過孔防護線以及彎曲型防護線進行比較，得到的結論是彎曲型防護線可以更好的降低遠端串擾的影響；李麗平等[2]研究了在防護線上每隔一定距離添加接地過孔的情形，研究中指出孔間距離應小于信號RT/2（RT為傳輸信號的上升時間）時間內的傳輸距離，同時加大防護線的寬度也會使耦合噪聲降低；Li等[3]提出了一種新的布線方法，從文中結果分析可知對于降低遠端噪聲而言，這種布線方法的效果要優于加入彎曲型防護線的效果；李學峰等[4]分析了隔離帶寬度，介質層厚度等參數對串擾的影響。曹海舟[5]與黎淑蘭等[6]提到采用將干擾線兩側添加帶過孔防護線的措施來降低串擾的影響。黎淑蘭等人的研究結果表明，過孔與攻擊線間距離越近越有利于減小跡線間的串擾，過孔直徑越大串擾越?。话察o等[7]采用FDTD方法，對防護線的高度、孔間距、孔徑以及保護帶與強信號線間距等因素對防護線的性能的影響展開研究。Yuki Kitsunai[8]與Yang Guang[9]等對不完整參考平面的情況下串擾的情況進行了分析；白雪等[10]利用三維電磁仿真工具對具有不同介電常數和襯底材料進行了仿真和分析，得出了不同襯底下電場分布及近端與遠端串擾隨頻率、襯底介電常數和厚度的變化曲線，研究表明隨著襯底介電常數和厚度的增加，串擾呈現正弦上升趨勢。

本文將基于Ansoft HFSS軟件仿真平臺，通過建立微帶線模型，對比不同保護線情形下串擾的影響，對RSR結構與添加介質層的方法展開具體研究。通過得到的S41參數變化曲線，討論RSR結構中金屬貼片的幾何參數數量對降低遠端串擾的影響。另外討論了在微帶線上方添加介質層的厚度以及材料的相對介電常數對降低遠端串擾的影響。

1 S參量的計算

S參量是建立在入射波與反射波關系基礎上的網絡參數，如圖1為N端口網絡示意圖。與端口i相關聯的入射功率與反射功率可被定義為：

其中，Vi與Ii分別是第i個端口的電壓和流入電流，Zi為從端口向外看的阻抗，Z*i是Zi的共軛復數。

圖1 N端口網絡示意Fig.1 diagram of N port network

對于微波電路來講，Zi通常是實數并且等于50Ω，因此S參數矩陣可寫為

用Smn來定義相關端口的散射參數，m為輸出端口，n為輸入端口。假設只有n端口為激勵端口，其他端口接匹配負載，則輸出端口的輸出功率為bm，輸入端口輸入功率an，則有

2 模型建立與結果驗證

所研究的雙微帶線模型如圖2所示。

圖2 雙微帶模型示意圖Fig.2 model of doublemicrostrip

兩微帶線間的距離用B表示。微帶線材質為銅，相對介電常數為0.999 991，電導率為5.8×107s/m。微帶線物理尺寸為：線寬W=3mm，厚度T=0.035mm，長度L=50mm。基板材料為FR4，相對介電常數εr=4.4，厚度H=1.6mm。端口1為激勵端口，其他端口接50Ω匹配負載。

3 降低遠端串擾的方法

目前，降低遠端串擾的方法有很多種，較為普遍是增大線間距、添加防護線等。圖3為不同線間距下遠端串擾的變化曲線。

圖3 微帶線間遠端串擾的變化Fig.3 The far-end crosstalk change withmicrostrip lines

從圖3可以看出，遠端串擾隨著線間距地增加而減小。在B=3W時，S41的幅度相對于B=W/3時減小了約20 dB左右，并且隨著頻率的增大，其差距更大。因此增大線間距是降低遠端串擾的非常有效的方法，但是此種方法對電路板的體積提出了更高的要求，在電路板體積有所限制的條件下，此種方法難以實施。

RSR結構防護線與帶過孔的防護線相比具有更好的降低遠端串擾的效果。在微帶線上方添加一定厚度的覆蓋介質層也能起到較好的降低遠端串擾的效果。文獻[11]中提到用RSR結構防護線如圖4所示。金屬貼片在微帶線間均勻排布，分別將其編號為，其兩端與干擾線和受擾線的間距相等。分別用k、m、n來表示金屬貼片的長、寬、高；用dm表示貼片間距離。

為研究金屬貼片長度變化對微帶線間遠端串擾噪聲的影響，取金屬貼片的材質為銅，數量為25片，m=1mm，dm=1mm，n=0.035 mm，改變k的值，得到如圖5所示在不同k值下S41變化曲線對比圖。

從圖5中可以看出，在金屬貼片長度從3～7.4 mm變化時，長度的增加伴隨著遠端串擾的減小；當長度k=8 mm時，此時頻率在0～5.2 GHz范圍內，S41的幅度相比于k=3mm時已大大減小，減小幅度最高達到35 dB左右；頻率在5.2～7GHz范圍內，此時S41的值會增加，大于k=7.4mm時的值；k=8.2mm時，在0～3.1 GHz頻段內所對應的S41值已小于-50 dB。當長度繼續增大到8.4mm時，S41的幅度又有所回升，并且在2.5～7 GHz頻段內，其值迅速增加。因此，在設計RSR結構防護線時，為盡可能大幅度的降低遠端串擾的影響，在相對較低頻段，盡量增大金屬貼片的長度來達到降低遠端串擾，而且此時會存在最佳長度值。在相對較高的頻率段，金屬貼片的長度不宜過大。

圖4 RSR結構示意圖Fig.4 The diagram of RSR

圖5 S41幅度變化對比Fig.5 Variation of the amplitude comparison chartof S41

將編號為2，4，…，24的金屬貼片剔除，剩余13片。然后再將編號為 3，7，…，23 剔除，剩余 7 片；再將編號為 5，13，21的金屬貼片剔除，剩余4片。最后得到對比曲線如圖6所示。從圖6中可以看出，隨著微金屬貼片數量的減少，S41的幅度會有所上升。而且在低頻段內，通過增加金屬貼片的數量，可以大大降低遠端串擾的影響。

圖6 S41的變化關系Fig.6 Variation diagrams of S41

分別取k=7mm與k=8mm，金屬貼片數量為25片，改變金屬貼片的厚度n，其他參數不變。得到的S41幅度隨頻率的變化曲線如圖7所示。從圖7（a）中，可以看出，當貼片厚度n=T=0.035 mm時，此時S41的幅度最小。從圖7（b）中可以看出，在0~3.5 GHz頻段內，n=0.035 mm所對應的S41的幅度最小，在4~7 GHz頻段內n=0.01mm所對應的S41值最小。綜上圖7中的兩幅圖可以說明，如果選擇的金屬貼片的材質與微帶線相同，那么在RSR結構防護線線中，在一定頻段內，要盡量將金屬貼片的厚度等同于微帶線的厚度，這樣可以降低遠端串擾的影響。

圖7 不同金屬貼片厚度對應的S41變化關系圖Fig.7 Variation diagrams of S41 between differentmetal coating thickness

降低遠端串擾影響的另外一種方法是在微帶線上方覆蓋介質層，其結構如圖8所示。

圖8 微帶線示意圖Fig.8 model ofmicrostrip

圖9（a）為覆蓋介質層相對介電常數為5.5時，不同厚度的覆蓋層所對應的S41變化關系曲線。由圖中可以看出，當覆蓋層介質的厚度小于0.5mm時，此時的S41幅度要大于沒有介質層時的所對應的S41幅度；當介質層厚度為2mm時，此時S41的幅度降低超過5 dB。因此，在條件允許的情況下，將覆蓋介質增加的盡量厚可以降低遠端串擾的影響。圖9（b）為覆蓋介質層厚度為1mm時，相對介電常數變化時S41幅度的變化曲線，從圖中可以清晰看出，S41的幅度隨著覆蓋介質層的相對介電常數的增大而減小，S41幅度值降低超過10 dB左右。

圖9 S41的變化曲線Fig.9 Change curve of S41

4 結束語

通過對RSR防護線結構尺寸以及覆蓋介質層厚度對微帶線遠端串擾影響的仿真研究，發現在微帶線間加入防護線以及覆蓋介質層的方法都可以有效的降低遠端串擾的影響。在所設置的結構參數下，當頻率處于0～3 GHz時，增加RSR結構中金屬貼片的長度、數量以及覆蓋介質層的厚度及相對介電常數都會降低遠端串擾產生的影響。在其它頻段，需要根據信號的具體頻率決定參數的最優設置。在PCB設計中，如果使用RSR防護線，要盡量增加金屬貼片的數量，選擇適宜的長度，這樣會達到較好的降低遠端串擾的效果。本文的研究成果對于高頻電路板設計和布線具有一定的指導借鑒意義。

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