多层PCB过孔转换结构的信号完整性分析

摘要

在多层印制电路板(PCB)中，过孔转换结构被广泛地用于不同层之间的信号连接。当传输高频信号时，过孔的存在会导致电源/地平面结构信号返回路径阻抗不连续，从而引起信号完整性问题，影响信号传输质量，进而妨碍高速PCB的设计。
　　本文主要采用常单元边界元法和腔模谐振法对多层PCB电源/地平面结构进行建模分析与计算。首先，对存在单个和多个信号过孔的电源/地平面结构进行分析计算，计算出电源/地平面返回路径的输入阻抗，并提取出过孔的等效集总电路模型，同时结合PSpice软件仿真过孔的S参数，再在信号过孔周围添加短路过孔的方法来改善过孔对信号传输及串扰的影响。然后，阐述了两种求解多层PCB过孔转换结构的级联方法，包括过孔等效电路模型的级联方法和二端口网络[ABCD]矩阵级联S参数方法，仿真分析了多层PCB多个平面之间过孔级联的S参数。最后，采用三维全波电磁场分析软件HFSS仿真分析了不同差分过孔结构参数对信号传输的影响。由三维电磁场有限元软件ANSYS和HFSS验证了计算方法的准确性。
　　研究结果表明:多层PCB电源/地平面返回路径的输入阻抗在反谐振频率处出现极大值，造成高频信号经过过孔时的传输效率很低，并使多过孔之间的耦合程度达到极大值。采用过孔等效电路模型的级联方法或者[ABCD]矩阵级联S参数的方法均可求解多层PCB过孔转换结构的级联问题。在多层PCB中使用差分过孔传输差分信号时，减小过孔半径和焊盘半径，增大反焊盘半径，并减小差分过孔的中心距，有利于提高高频信号通过差分过孔时的传输性能。
　　论文的创新之处:
　　(1)采用常单元边界元法并将反焊盘处入射波和反射波进行叠加，建模分析多层PCB电源/地平面输入阻抗;
　　(2)采用场路结合的方法分析电源/地平面多过孔对信号传输以及串扰的影响;
　　(3)采用二端口网络[ABCD]矩阵求解多层PCB过孔转换结构的级联S参数。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 高速PCB信号完整性简介

1．2 多层PCB信号完整性的国内外研究状况

1．3 课题研究目的及意义

1．4 本文的研究工作

1．4．1 本文的主要研究内容

1．4．2 本文的研究方法

第2章 高速电路中的信号完整性理论背景

2．1 高速电路基础理论

2．1．1 高速电路定义

2．1．2 高速电路PCB设计流程

2．2 电磁场理论

2．2．1 麦克斯韦方程组

2．2．2 时谐场的麦克斯韦方程组

2．2．3 波动方程及其边界条件

2．3 传输线理论

2．3．1 传输线的等效电路模型

2．3．2 传输线方程及其解

2．3．3 传输线的特性参量

2．4 微波网络及其散射参数

2．5 本章小结

第3章 单个信号过孔的信号完整性分析

3．1 过孔结构及其类型

3．2 单个完全切换过孔的建模

3．3 边界元算法思想

3．3．1 基本关系式

3．3．2 边界积分方程的导出

3．3．3 常单元边界元法

3．3．4 系数矩阵的计算

3．4 反焊盘处输入阻抗的计算分析

3．4．1 计算模型

3．4．2 边界条件的分析

3．4．3 边界元法程序设计

3．5 腔模谐振法

3．6 二端口网络S参数的电路提取方法

3．7 实例分析

3．7．1 单个信号过孔电源/地平面输入阻抗计算

3．7．2 单个过孔转换结构的S参数

3．7．3 短路过孔对信号传输的影响

3．8 本章小结

第4章 多个信号过孔的信号完整性分析

4．1 多信号过孔返回路径输入阻抗矩阵分析

4．2 多过孔传输和串扰的计算方法

4．3 实例分析

4．4 多过孔转换结构S参数的仿真

4．5 短路过孔对信号过孔串扰的影响

4．6 本章小结

第5章 多层PCB过孔的级联

5．1 过孔等效电路模型的级联

5．2 过孔S参数的级联

5．2．1 二端口网络ABCD参数

5．2．2 二端口网络[ABCD]矩阵级联S参数

5．2．3 计算实例

5．3 本章小结

第6章 差分过孔的信号完整性分析

6．1 差分信号传输基础

6．1．1 差分信号

6．1．2 差分互连中的阻抗分类

6．1．3 差模S参数

6．2 差分过孔的仿真分析

6．2．1 差分过孔仿真模型

6．2．2 过孔半径对信号传输的影响

6．2．3 焊盘半径对信号传输的影响

6．2．4 反焊盘半径对信号传输的影响

6．2．5 过孔中心距对信号传输的影响

6．3 本章小结

第7章 研究总结与展望

致谢

参考文献

在学期间发表的学术论文