CST仿真过孔总结

什么是s参数

    微波网络法广泛运用于微波系统的分析，是一种等效电路法，在分析场分布的基础上，用路的方法将微波元件等效为电抗或电阻器件，将实际的导波传输系统等效为传输线，从而将实际的微波系统简化为微波网络，把场的问题转化为路的问题来解决。微波网络理论在低频网络理论的基础上发展起来，低频电路分析是微波电路分析的一个特殊情况。

微波系统主要研究信号和能量两大问题：信号问题主要是研究幅频和相频特性；能量问题主要是研究能量如何有效地传输。微波系统是分布参数电路，必须采用场分析法，但场分析法过于复杂，因此需要一种简化的分析方法。

    一般地，对于一个网络有Y、Z和S参数可用来测量和分析，Y称导纳参数，Z称为阻抗参数，S称为散射参数；前两个参数主要用于集总电路，Z和Y参数对于集中参数电路分析非常有效，各参数可以很方便的测试；但是在微波系统中，由于确定非TEM波电压、电流的困难性，而且在微波频率测量电压和电流也存在实际困难。因此，在处理高频网络时，等效电压和电流以及有关的阻抗和导纳参数变得较抽象。与直接测量入射、反射及传输波概念更加一致的表示是散射参数，即S参数矩阵，它更适合于分布参数电路。 S参数就是建立在入射波、反射波关系基础上的网络参数，适于微波电路分析，以器件端口的反射信号以及从该端口传向另一端口的信号来描述电路网络。同N端口网络的阻抗和导纳矩阵那样，用散射矩阵亦能对N端口网络进行完善的描述。阻抗和导纳矩阵反映了端口的总电压和电流的关系，而散射矩阵是反映端口的入射电压波和反射电压波的关系。散射参量可以直接用网络分析仪测量得到，可以用网络分析技术来计算。只要知道网络的散射参量，就可以将它变换成其它矩阵参量。

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下面以二端口网络为例说明各个S参数的含义，如图所示。二端口网络有四个S参数，Sij代表的意思是能量从j口注入，在i口测得的能量，如S11定义为从 Port1口反射的能量与输入能量比值的平方根，也经常被简化为等效反射电压和等效入射电压的比值，各参数的物理含义和特殊网络的特性如下：

S11：端口2匹配时，端口1的反射系数；

S22：端口1匹配时，端口2的反射系数；

S12：端口1匹配时，端口2到端口1的反向传输系数；

S21：端口2匹配时，端口1到端口2的正向传输系数；

对于互易网络，有：S12＝S21；

对于对称网络，有：S11＝S22 对于无耗网络，有：（S11）2＋（S12）2＝1 ；

S21表示插入损耗，也就是有多少能量被传输到目的端（Port2）了，这个值越大越好，理想值是1，即0dB，S21越大传输的效率越高，一般建议S21>0.7，即－3dB。

我们经常用到的单根传输线，或一个过孔，就可以等效成一个二端口网络，一端接输入信号，另一端接输出信号，如果以Port1作为信号的输入端口， Port2作为信号的输出端口，那么S11表示的就是回波损耗，即有多少能量被反射回源端（Port1），这个值越小越好，一般建议S11< 0.1，即－20dB。

 

 

过孔
     过孔简介
     最普通的过孔类型是通孔 ,可以用来固定安装插接元件或连通层间走线。安装通孔与走线通孔区别在于:一个是有元件的引脚焊接在里面而另一个是空的。从电特性方面来看 ,两种类型的通孔基本类似。此外还有些特殊类型的过孔 ,比如盲孔、埋孔和微型孔等等。盲孔和埋孔在结构上与通孔有一定的区别 ,但目前通孔的使用更为普遍 ,所以本文主要讨论通孔的情况。过孔实现了 PCB 各层之间的互连 ,它的结构包括筒状孔壁 (Barrel) 、焊盘 (pad)和反焊盘 ( anti2pad) 。

过孔的电容和电感
      每个通孔都有对地寄生电容。我们可以在一个数量级以
内估算一个通孔的寄生电容的值:
C via ≈1.14ε r D ₁ T/D ₂ -  D ₁(1)
其中,  D 2 是地平面上间隙孔的直径; D 1 是环绕通孔的焊盘直径; T是印刷电路板的厚度;ε r 为板基材介电常数;过孔电容使数字信号的上升沿减慢或变差, 这是它的主要影响。对于数字电路设计者来说, 过孔的电感通常比电容更重要。过孔会给系统增加一定量的串联电感, 从而降低信号完整性,使去耦电容的效果减弱。过孔的电感特性可以近似计算为:

L ≈ 5.08h [ ln (4h/d) + 1 ]    ( 2)
式中, h是过孔长度, d是筒状孔壁的直径。

过孔仿真模型
      采用传统路的方法对高速电路中的过孔进行建模分析 ,即用等效电路或集总参数元件进行建模 , 仿真结果不能够达到良好的精度 ,尤其是对宽频带的高速信号甚至无法给出正确的建模。而采用电磁场的方法对过孔进行全波分析可以解决其精确的建模和仿真问题。本文中采用 CST三维全波电磁仿真软件对高速多层 PCB 板中的高速过孔进行全波电磁仿真 ,
频率范围在 0GHz -  10GHz。

尺寸变化对信号的影响
      过孔的性能是由许多复杂因素所决定的 ,过孔与走线、焊盘与反焊盘之间的耦合及影响 , 以及反焊盘与过孔处存在着较强电场等都是影响因素。过孔、焊盘与反焊盘尺寸的改变都会引起过孔的阻抗发生变化 , 并且直接影响通过过孔传输的高速信号的完整性。因此从高速设计的角度出发,主要对过孔、焊盘和反焊盘的尺寸大小对高速信号传输完整性的影响进行研究。采用介电常数ε r = 4. 6的 FR4多层 PCB板 ,每层厚度为 0.8mm ,总厚度为 h = 1. 6mm , PCB板长宽尺寸为:20mm*20mm,
其结构中间一层为地层 , 顶层微带线通过过孔穿过中间地层至底层微带线。微带线宽度为 0. 43mm ,长度均为 10mm。实际的制作工艺中 ,过孔由钻孔而产生 ,因此过孔、焊盘和反焊盘截面均为圆形。

焊盘半径对信号完整性的影响
     图 2给出了过孔半径为 0. 3mm,反焊盘半径为 0. 8mm时 ,变化焊盘半径 0. 4mm - 0. 7mm得到的 S ₁₁ 和 S ₂₁ 的仿真曲线比较

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过孔半径对信号完整性的影响
      图3给出了焊盘半径为 0. 6mm,反焊盘半径为 0. 8mm时 ,变化过孔半径 0. 3mm - 0. 6mm得到的 S 11 和 S 21 的仿真曲线比较。

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反焊盘半径对信号完整性的影响

    图 4给出了过孔半径为 0. 3mm ,焊盘半径为 0. 5mm时 ,变化反焊盘半径 0. 6mm - 0. 8mm得到的 S 11 和 S 21 的仿真曲线比较。

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可见 ,固定过孔和反焊盘尺寸时 , S 11 参数与焊盘半径成正比,即与反射成正比;而 S 21 与焊盘半径成反比,即与插入损耗成正比。尤其是在频率高的情况下,上述特性更为明显。而根据图 2至图 4,可以看出过孔半径和反焊盘尺寸变化也有类似的特性。

 

TDR
    利用时域反射计 ( TDR) 技术 ,可以获得比其它任何测量技术更多的有关互连系统宽带相应的信息 , 以及一些互连结构的参数 ,如: 特性阻抗、反射系数和传播速率及边沿效应。从结果可以看到传输线上每一个不连续性的位置和特性。图 5 给出了固定过孔半径为 0. 4mm 和反焊盘半径为 0.8mm,过孔半径 0.4mm - 0.8mm变化时得到的 TDR波形 ,可以看出过孔和反焊盘固定尺寸时 ,随着焊盘和反焊盘的间距的减小 ,阻抗不连续性明显增加。

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过孔引起的时延
    当信号通过单根微带线和通过多个过孔传输时产生的延时是不同的 ,图 6是信号通过 4个过孔传播与单根微带线传播后终端接受信号时延的比较 , 可以看出过孔对信号的传播延时的影响是不容忽略的。在设计中应尽量做到 PCB 板上信号走线不换层 ,也就是说尽量不要使用过孔;从成本和信号质量两方面考虑 ,选择合理尺寸的过孔大小。

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随着高速数字设计频率的不断提高 ,过孔的密度也在不断增加 ,其对信号完整性的影响是不容忽略的。合理设计过孔的结构尺寸和布局 ,对于高速稳定的数字系统设计来说是非常重要的。本文对过孔尺寸以及时域反射的研究对实际的高速 PCB优化设计具有一定的指导意义。