基于HFSS 的高速不連續性微帶線串擾分析

黃根信，李鵬，李通

（桂林電子科技大學海洋工程學院，廣西北海，536000）

0 引言

隨著電子產品用戶對于微型化、高性能、多功能的要求不斷提升，設計高速電路成為應對提升產品性能的重要手段。近年來，集成電路迅速地向高速度和巨大規模方向發展，時鐘頻率達到幾百MHz 乃至GHz，數據率達Gbps 以上，其頻譜高端則趨向更高的微波毫米波頻率范圍，可達幾GHz。隨著集成電路工作速率的提高，互連線所傳輸的高速脈沖信號具有從直流至微波、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給電子產品高性能、多功能化帶來的便利，但是由于工作頻率的不斷加大，傳統的微帶線不能簡單地看作金屬導線，因在頻譜高端對應的波長已與互連結構的尺寸處于同一數量級，信號脈沖在互連線上呈現明顯的波動效應[2]。此時，微帶線由于傳輸頻率不斷加大帶來的反射、串擾、時序、同步開關噪聲、電磁干擾問題已經極為明顯。尤其是不連續性微帶線[3]，由于存在拐角使得信號傳輸帶來的反射與串擾存在明顯的不確定性。

所謂串擾是一個信號對另外一個信號耦合所產生的一種不受歡迎的能量值，串擾是影響數據傳輸最嚴重的因素之一。目前，針對微帶線的串擾研究，國內外學者有不少相關文獻報道，在國內，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、并行長度等對串擾的影響，并提出了抑制串擾的方法；張棟[5]通過比較微帶線拐角兩端輸出信號波形和輸入信號波形的相似度來衡量拐角對信號傳輸特性的影響，引入失真系數的概念進行準確計算，總結出了拐角傳輸的優良次序；劉琦[6]采用基于有限元法的 HFSS 仿真軟件，對PCB 單線反射特性和雙線串擾特性進行了研究分析，并根據仿真結果提出了有效的抑制反射和串擾的方法；鄭常斌[7]等人分析了PCB 上兩平行微帶線在不同的頻率、并行長度、相隔距離和參考層高度情況下的串擾問題，根據仿真結果總結了串擾強度隨微帶線的并行長度、相隔距離和離參考層的高度而變化的一般性規律；在國外，Morteza Kazerooni[8]等人提出一種新的減小微帶線近端和遠端串擾的方法，通過實驗比較不同的 DMS-CPMLs結構，最終得到一種減少串擾的最好結構；Yan Dong[9]等人基于有限時域差分法FDTD 研究了T 形微帶線之間的串擾，結果表明微帶線間的串擾值隨間距的增大而減小。

由上述文獻可知，對于微帶線串擾的研究一直是致力于研究信號傳輸的學者們重點關注的方向。雖然關于微帶線串擾相關的文獻報道不少，但是針對于高速不連續性微帶線串擾的研究缺極為少見。因此，為了了解不連續性微帶線串擾的問題，非常有必要針對其展開系統的研究。本文以不連續性微帶線為研究對象，通過建立不連續性微帶線的HFSS 三維仿真模型，分析信號頻率、微帶線厚度、寬度、間距對串擾強度的影響，最后基于研究結果提出了抑制串擾的不連續性微帶線設計方法。

1 不連續性微帶線串擾仿真模型

本文所研究是不連續性微帶線，選取PCB 板上不連續段進行分析，采用三位電磁仿真軟件HFSS 建立兩條不連續性微帶線的串擾仿真模型，圖1 所示為該微帶線的串擾仿真分析模型。模型的基本仿真參數設置為：整個PCB 板的尺寸為 5.0 mm×5.0mm×1mm(長×寬×高），PCB 材料選用FR-4 為基板，其相對介電常數為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,參考面為理想導電平面，其厚度為0.02mm。

圖1 不連續性微帶線串擾仿真模型

2 基于HFSS 模型的串擾仿真分析

2.1 信號頻率對串擾強度的影響

在固定仿真模型結構參數以及邊界條件設置不變的條件下，考慮微帶線的工作信號頻率為1～6GHz 時，兩條的不連續性微帶線的近端串擾和遠端串擾隨信號頻率變化的仿真分析結果如圖2 所示。依據圖2 所示結果，發現1～6 GHz 范圍內在信號頻率的不斷增大的情況下，近端串擾S13 總是大于遠端串擾S14,且串擾值S13、S14 均大于-25dB ,可見在該頻段內高速不連續性微帶線之間的串擾極為明顯。在1-3GHZ范圍內近端串擾S13 與遠端串擾S14 均呈現快速增大的現象，可見在該頻段內兩條不連續性微帶線之間的近端串擾S13、遠端串擾S14 隨信號頻率增大的影響較大。在3-6GHZ 內兩條不連續性微帶線之間的近端串擾S13 與遠端串擾S14 慢慢趨于平緩，可見在此范圍內信號頻率的不斷增大對于其串擾的增強有所減緩。從仿真結果來看，信號頻率對于高速微帶線之間的影響不可忽視，因此在電子組件實際互連結構設計運用中要考慮到信號頻率對其串擾的影響。

圖2 串擾強度隨頻率變化趨勢

2.2 微帶線厚度對串擾強度的影響

為了能夠準確分析兩條不連續性微帶線厚度對近端串擾S13 與遠端串擾S14 的影響，在確保仿真模型其他結構參數以及邊界條件設置不變的條件下，設置微帶線的工作信號頻率為1～6GHz 時，選取微帶線厚度分別為：0.035mm、0.055mm、0.075mm，分別建立串擾分析仿真模型，得到兩條的不連續性微帶線的近端串擾S13 和遠端串擾S14 隨微帶線厚度變化的仿真分析結果如圖3、圖4 所示。

圖3 近端串擾S13 隨微帶線厚度變化趨勢

圖4 遠端串擾S14 隨微帶線厚度變化趨勢

由圖3、圖4 所示的仿真結果曲線圖可知，近端串擾S13隨著微帶厚度的增大呈現不斷增大的趨勢，尤其信號頻率在6GHZ 時，近端串擾S13 在微帶線厚度0.075mm 與0.055mm 時相差接近1dB,可見近端串擾S13 強度受微帶線厚度影響較大；而遠端串擾S14 微帶線厚度的增大未呈現明顯的趨勢，反而隨著微帶線厚度變化遠端串擾S14 值無明顯變化，可見微帶線厚度對于遠端串擾S14 影響不顯著。因此，在電路設計時，可重點觀察微帶線厚度對于近端串擾S13 的影響；在滿足設計條件的情況下，可盡量減小微帶線厚度來抑制微帶線之間的串擾影響。

2.3 微帶線寬度對串擾強度的影響

在確保仿真模型其他結構參數以及邊界條件設置不變的條件下，設置微帶線的工作信號頻率為1～6GHz 時，選取微帶線寬度分別為：0.2mm、0.25mm、0.3mm，分布建立串擾分析仿真模型，得到兩條的不連續性微帶線的近端串擾S13 和遠端串擾S14 隨微帶線厚度變化的仿真分析結果如圖5、圖6所示。

圖5 近端串擾S13 隨微帶線寬度變化趨勢

圖6 遠端串擾S14 隨微帶線寬度變化趨勢

由圖5、圖6 所示的仿真結果曲線圖可知，隨著微帶線寬度的增大，近端串擾S13 值呈現明顯地逐漸增大的趨勢；尤其是當信號頻率達到6GHZ 時，微帶線寬度每增加0.05mm 使得近端串擾S13 增加將近1dB,可見微帶線寬度的增大對于近端串擾的影響較為顯著。反之，隨著微帶線寬度的增大，遠端串擾S14 值變化趨勢不明顯，在頻率范圍1-6GHz 內，遠端串擾S14 值相差不大，可見盡管頻率在不斷加大微帶線寬度對于遠端串擾S14 影響不顯著。因此，在電路設計時，可重點觀察微帶線對于近端串擾S13 的影響；在滿足設計條件的情況下，可盡量控制微帶線的寬度來減小微帶線之間的串擾影響。

2.4 微帶線間距對串擾強度的影響

在確保仿真模型其他結構參數以及邊界條件設置不變的條件下，設置微帶線的工作信號頻率為1～6GHz 時，選取微帶線間距分別為：0.2mm、0.3mm、0.4mm，分布建立串擾分析仿真模型，得到兩條的不連續性微帶線的近端串擾S13 和遠端串擾S14 隨微帶線厚度變化的仿真分析結果如圖7、圖8所示。

圖7 近端串擾S13 隨微帶線間距變化趨勢 間距變化趨勢

圖8 遠端串擾S14 隨微帶線

由圖7、圖8 所示的仿真結果曲線圖可知，近端串擾S13與遠端串擾S14 均隨著兩條微帶線的間距增大而減小，串擾強度與微帶線寬度呈反比的狀態。這是因為在其他條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明顯降低，微帶線整體的串擾情況得到減弱。因此，在基板資源以及設計條件允許的情況下，應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擾。

3 結論

采用三維電磁仿真軟件HFSS 對不連續性微帶線串擾仿真，分析了信號頻率、微帶線厚度、微帶線寬度、微帶線間距、基板材料對串擾強度的影響。結果表明：結果表明：不連續性微帶線串擾強度隨著信號頻率的變化而呈現先增大后趨于平緩的趨勢；近端串擾S13 隨微帶線厚度的增大呈現遞增的趨勢；近端串擾S13 隨微帶線寬度增大而增大；微帶線拐角為圓弧時串擾最為明顯；串擾強度隨微帶線間距增大而減小。基于研究結果提出了抑制不連續性串擾的方法。

所以在不連續微帶線設計時，為了減小兩條微帶線之間的串擾，應采取相應的措施：（1）在微帶線制作條件允許的情況下，應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，應盡量增大微帶線之間的間距。