多层PCB信号完整性的建模与边界元数值分析

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在高速化、小型化、高密度的趋势下,高速印制电路板(PCB)的层数以及过孔的数目呈增加的趋势。高频情况下过孔的寄生效应远远比低频复杂,寄生效应已经成为了影响高速PCB上信号传输质量的重要因素。同时,高速信号经过PCB上的互连线时会产生一些诸如延迟、反射、衰减、串扰、色散等信号完整性问题。预测过孔对信号传输的影响并进行建模仿真已成为高速PCB设计中的一个非常重要的组成部分,此外,这些直接关系到高速数字系统设计的成败。本文采用边界元法对电源/地平面构成的谐振腔结构进行建模分析与计算。根据对电源/地平面内场分布的分析,将复杂的三维问题转化为二维问题。研究了电源/地平面上含有单个过孔、多个过孔以及在过孔周围有短路过孔时电源/地平面返回路径输入阻抗的数值计算方法。首先根据多层PCB板中的过孔和互连线的结构建立等效电路模型,运用传输线理论和PSPICE软件预测不同微带线之间在近端的串扰。其次是采用边界元法计算出等效电路上返回路径的阻抗并在PSPICE(或ADS)软件环境下进行仿真,计算出高速信号经过过孔时的反射系数和传输系数,同时分析过孔的参数及短路过孔的数量和离过孔的距离对信号传输的影响,最终通过HFSS验证边界元算法及等效电路模型的正确性。将等效电路模型计算出的反射系数和传输系数值与三维电磁仿真软件HFSS进行对比,证实了本文采用的方法是正确有效的。由于PCB板中的过孔是精细结构,若采用区域离散的算法计算会出现大量的网格。边界元法只需要对PCB和过孔的边界进行离散,无需求解区域内部法向电场值,因此可以有效的减少网格数、减小计算机的内存、提高计算效率。同时,边界元适用任何形状的电源/地平面返回路径输入阻抗的分析,比腔模理论具有更广泛的适用性。虽然场的方法精确度比较高,但是耗费计算机资源,然而路的方法虽然简单,但是精确度较低。本文针对场分析方法和路近似分析方法各自的特点将两者进行结合,采用场路相结合的方法将将相应的场问题等效为电路问题。
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