带有过孔的多导PCB的建模及其信号完整性分析

摘要

现代高速数字系统常常需要成千上万的片外互连元件，而且往往工作在很高的频率。在设计电路系统时，以前在低频时所能忽略的寄生现象，到高频时会对信号的质量产生决定性的影响。过孔是常见的片外互连元件，被广泛应用于连接位于不同层之间的信号线以及连接电源平面与地平面之间的设备。过孔作为不连续处，在高频时会引起一系列的信号完整性问题，因此准确有效地对过孔进行建模分析对于设计高速数字电路来说非常重要。
　　内在电路模型将过孔分成过孔域和平板域两部分。本文在原有的内在电路模型的基础上，提出新的二端口网络模型来分析过孔的过孔域的问题，并将原有的解决分析平板域的边界积分方法进行改进，使得平板域的建模在高频时更加准确。最后结合模式分解的方法，对完整的带有信号线的多层PCB结构进行建模。
　　本文将原有的内在电路模型的LC电路结构进行简化。利用场的分析方法，首先计算出过孔周围电场磁场的分布，然后根据电场磁场的相互作用，定义分布在过孔周围的电压电流，进而计算出整个过孔域的等效阻抗矩阵。与传统的内在电路模型不同的是，本文提出的黑箱子二端口网络模型不需要知道等效电路的具体结构，利用网络的方法来算出过孔域的等效阻抗矩阵。本文提出的二端口网络模型相较于内在电路模型，在过孔数目很多的情况下，可以在保持准确度的基础上，大大减小计算量。
　　在处理平板域问题时，传统的边界积分方法只考虑了主模式TMz00的作用。认为过孔的作用可以集中在过孔中心，在低频时此模型较为准确。但是在过孔—信号线连接处或者结构工作在超高频时，过孔是电小元件的假设条件不在成立。与传统的边界积分方法不同的是，改进的边界积分方法通过对过孔边界的离散化，从而将高阶传输模式TMzm0的影响包括在内，使得模型也能用于特殊结构，更具普适性。
　　最后利用模式分解的方法，对过孔—信号线模型进行建模，再结合平板域和过孔域的计算结果，从而实现单层PCB结构的建模。在单层模型的基础上，本文提出了基于散射参数的级联递推公式。利用递推公式，完成完整的多层PCB结构的建模。

目录

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摘要

表格索引

插图索引

主要符号对照表

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 过孔的基本结构及其建模方法

1．2．1 过孔的基本结构

1．2．2 高频时带有过孔的多层衬底结构表现出的信号完整性问题

1．2．3 带有过孔的多层衬底结构的建模方法

1．3 本文的主要研究内容以及贡献

第二章 基于内在电路模型改进的二端口算法

2．1 带有过孔的多层印刷电路板的电磁场分布

2．2 内在电路模型

2．3 基于内在电路模型改进的二端口网络

2．4 仿真验证

第三章 改进的边界积分算法

3．1 过孔域等效问题的边界积分方程

3．2 传统的边界积分算法

3．2．1 端口上电压电流以及等效阻抗矩阵的定义

3．2．2 对边界积分方程的处理

3．3 改进的边界积分算法

3．3．1 端口上电压电流以及等效阻抗矩阵的定义

3．3．2 对积分方程的处理

3．4 仿真验证

第四章 多层PCB板系统的建模

4．1 过孔—信号线结构建模

4．1．1 过孔—信号线结构的模式分布

4．1．2 模式分解

4．1．3 仿真验证

4．2 多层PCB板的建模

4．3 仿真验证

第五章 结束语

参考文献

附录A 模式分解中的转移矩阵推导

附录B 过孔—信号线模型导纳矩阵

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果