高速电路关键构造的建模方法研究

发布时间：2020-08-18 15:26

【摘要】：在高速电子产品更新周期越来越快,品质控制要求越来越严格的今天,通常要求电路设计之初就符合相应性能指标,电路设计要一次成功。况且,由于高速互联电路传输速率持续增长,高速电路设计极具复杂性与特殊性,若在电路设计之初不认真考虑其信号完整性和电磁兼容相关特性,后期整改将牵一发而动全身,整改过程将异常艰难复杂。因此,在电路设计阶段就对其相关特性进行快速而精确的建模、仿真与分析,实现高度的仿测一致性,就成为了当前高速互联电路设计的必由之路。对高速互联电路进行整体建模仿真难度较高,建模难度大,耗费资源较多,往往会转而对高速互联电路中的各种关键组成结构或特性进行建模。过孔、开槽结构、传输线是高速信号传输通路中普遍存在的,具有代表性的三种典型结构,在多数高速互联电路设计中均需对其进行关注。因此,本文对这三种典型结构进行了建模研究,主要的研究内容如下:(1)基于部分元等效电路法的过孔建模技术研究。通过重新定义等效电路的参考地,论文将传统的部分元等效电路模型在过孔结构中进行了改进。这种等效电路模型可以对多种类型的过孔结构进行建模,尤其是具有不规则形状反焊盘的差分过孔结构。在此基础上,论文继续研究了过孔模型和平板电路模型阻抗矩阵的连接方法,将过孔模型严格的与电路板模型进行了连接。所述模型可对过孔结构及包含过孔结构的电路板高效准确地仿真至50GHz。(2)高速电路板参考平面开槽结构建模技术研究。通过使用等效原理,论文将开槽带状线结构等效为带状线上表面电流与开槽区域表面磁流激励下的闭合腔问题,同时,通过将表面磁流等效为偶极子源,直观的解释了开槽带状线结构的辐射机理。接着,结合电磁场混合势积分方程和闭合腔格林函数,论文提出了一种等效电路模型,可对开槽带状线结构的信号传输特性和电磁辐射特性进行高效而准确地建模分析。(3)导体表面粗糙传输线建模技术研究。论文系统的分析了传输线系统因果性与传输线模型RLGC参数之间的关系,给出了两种保证导体表面粗糙传输线因果性的方法,并对其优缺点进行了分析。进一步的,论文研究并给出了一种改进的、实用化的、符合因果性原理的导体表面粗糙传输线等效模型。论文还给出了理想传输线RLGC模型与导体表面粗糙度影响下传输线RLGC模型之间的转化关系。(4)介质表面粗糙度及其对传输线特性的影响研究。通过理论分析,论文首次确定了介质层表面粗糙度的概念,明确了其对高速传输线信号传输的影响机理,给出了介质层表面粗糙度常数的定义,并通过二维全波仿真验证了该常数的频率无关性。在此基础上,通过简单的等效,论文近似的给出了表面粗糙度常数的计算方法,并进一步改进了实际粗糙传输线RLGC模型,使其具有更好的相位和时域表现。(5)传输线插入损耗拟合方法及其应用研究。基于传输线插入损耗的物理模型以及经典二分搜索算法,提出了一种对传输线插入损耗实际测量结果进行快速精确拟合的方法。该方法在最大程度保留插入损耗实际测量结果有效数据的前提下,高效而准确的剔除了大误差数据段,从而给出最优的拟合结果。通过该方法,可以得到更为精确的传输线插入损耗测量结果,可以评估传输线插入损耗测量结果的质量,为高速互联电路设计与建模提供更为准确的参数或参考。最终,这些研究内容都通过实验或仿真进行了验证。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN41
【图文】：

高速串行,发展趋势

绪论逡逑各类高速串行通讯协议的持续更新，不断推动着高速互联电路设计向前发展。逡逑图１－２给出了各种主流高速串行通信协议的发展趋势。图中表示传输速率的单逡逑位为吉传输／秒（ＧｉｇａＴｒａｎｓｆｅｒｓｐｅｒＳｅｃｏｎｄ，ＧＴ／ｓ），表示了每秒钟信号传输操作的逡逑次数，若一次传输一位（Ｂｉｔ），则等效于Ｇｂ／ｓ。从图中可以看出，各类主流高速逡逑串行传输通信协议的通讯速率在不断提升。主要用于存储介质的ＳＡＴＡ协议从逡逑ＳＡＴＡ邋１．０的１．５ＧＴ／Ｓ上升到了邋ＳＡＴＡ邋３．２的１６ＧＴ／Ｓ，并且更高速的ＳＡＴＡ接口也逡逑已在酝酿之中［１４］。各类消费电子产品中最常用的ＵＳＢ协议从ＵＳＢ邋２．０的０．４８ＧＴ／Ｓ逡逑上升到了邋ＵＳＢ３．１的ｌＯＧＴ／ｓ。２０１９年最新提出的ＵＳＢ邋４．０标准甚至将传输速率逡逑提高到了恐怖的４０ＧＴ／Ｓ，足足是ＵＳＢ３．１的４倍之多［１５】。２０１７年ＩＥＥＥ完善了逡逑４００ＧｂＥ以太网传输协议规定，以满足曰益增长的海量数据交换需求。在该协议逡逑的指导下，网络的综合传输速率要达到４００Ｇｂｐｓ，电传输端通过８个通道进行传逡逑输，在考虑协议占用传输资源的情况下，单通道综合设计传输速率需要达到约逡逑５６ＧＴ／ｓ［２］。２０１９年第一季度

示意图,过孔,等效电路模型,物理意义

要占用大量计算资源的全波仿真方法［２８］。后来也有很多基于解析公式来描述过逡逑孔特性的方法被陆续提出［２９］。２００９年，Ｒ．邋Ｒｉｍｏｌｏ－Ｄｏｎａｌｄｉｏ、Ｙ．邋Ｚｈａｎｇ等人提出逡逑并完善了一种基于过孔结构物理意义的等效电路模型［３＜）Ｈ３６ｌ如图１－３所示，该逡逑模型将过孔结构的分布式参数用几个简单的集总电路原件表示了出来，且每个原逡逑件均有明确的物理意义。这种方法简单高效，并可以精确仿真过孔特性至４０ＧＨｚ逡逑左右。但是，当过孔间距较小时，过孔间由高次模引起的串扰无法忽略，该模型逡逑将变得不再准确。这样，该方法也只能对传统的单端过孔进行建模，无法对大量逡逑应用于高速互联电路的差分过孔进行较好的建模。逡逑？邋Ｐｏｒｔ邋１邋９逡逑Ｊ邋．．邋３－ｐｏｒｔ邋ｖｉａ邋ｃｉｒｃｕｉｔ邋ｍｏｃｌｅｉ邋ｉ逡逑Ｉ逦｜ｉ｜逡逑0邋Ｐｏｒｔ邋２邋0逡逑图１－３基于过孔物理意义的等效电路模型示意图【３５１逡逑针对基于过孔物理意义的等效电路模型的问题，后期有很多研究将注意力集逡逑中在了差分过孔结构上［３７］－［４（）】。２０１３年，Ｌ．邋Ｔｓａｎｇ等人在充分改进基于多重散射逡逑（ＭｕｌｔｉｐｌｅＳｃａｔｔｅｒｉｎｇ）技术过孔模型［４１］的基碰上，提出了一种新的过孔建模方法逡逑来处理具有不规则反焊盘的差分过孔结构［４２］［４３］。从仿真验证结果可以看出

示意图,过孔,导体表面,铜箔

【参考文献】