高速数字信号在PCB中的传输特性分析

第２４卷

第３期

电波科学

学报

Ｖ０１．２４，Ｎｏ．３

２００９年６月

ＣＨＩＮＥＳＥＪＯＵＲＮＡＬＯＦＲＡＤＩＯ

ＳＣＩＥＮＣＥ

Ｊｕｎｅ．２００９

文章编号１００５—０３８８（２００９）０３—０４９８－０４

高速数字信号在ＰＣＢ中的传输特性分析

刘学观

江盼盼

郭辉萍

曹洪龙

（苏州大学电子信息学院，江苏苏州２１５０２１）

摘要首先分析了ＰＣＢ板走线损耗特性，建立分析模型并进行了数值仿真计算，得到了一些有益的结论；然后对ＰＣＢ走线串扰特性进行了研究，给出了相应的等效电路模型，分析了护卫接地技术中接地孔对串扰抑制的影响。分析结果表明，科学设计护卫接地可以有效地改善ＰＣＢ走线所引起的串扰，为实现高速数字电路设计打下了基础。

关键词信号完整性；ＰＣＢ设计；高速数字信号；串扰抑制；护卫接地技术中图分类号ＴＮ９１１

文献标志码Ａ

Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄ

ｄｉｇｉｔａｌｓｉｇｎａｌｉｎＰＣＢ

ＬＩＵＸｕｅ．－ｇｕａｎ

ＪＩＡＮＧＰａｎｌ。ｐａｎＧＵＯＨｕｉ＿’ｐｉｎｇＣＡＯＨｏｎｇ－ｌｏｎｇ

（ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃａｎｄＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｏｏｃｈｏｗＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，

Ｓｕｚｈｏｕ］ｉａｎｇｓｕ２１５０２１。Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ

Ｍｏｒｅａｎｄｍｏｒｅａｔｔｅｎｔｉｏｎｓｈａｖｅｂｅｐａｉｄ

ｔｏ

ｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｓｏｆｓｉｇｎａｌｉｎｔｅｇｒｉｔｙ

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ｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｌｏｓｓｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆ

ｐｒｉｎｔｅｄｃｉｒｃｕｉｔｂｏａｒｄ（ＰＣＢ）ｌｉｎｅ，ａｓｕｉｔａｂｌｅａｎａｌｙｓｉｓｍｏｄｅｌｉｓ

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ａｎｄｎｕｍｅｒｉｃａｌ

ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｉｓａｌｓｏｇｉｖｅｎ．ＴｈｅｎｔｈｅｃｒｏｓｓｔａｌｋｏｆＰＣＢ

ｔｒａｃｅｓ

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ｐｉｅａｎｄｖｉａｈｏｌｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｇｕａｒｄｇｒｏｕｎｄｉｎｇ

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ｃｉｒｃｕｉｔｓｄｅｓｉｇｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ

ｓｉｇｎａｌｉｎｔｅｇｒａｔｅ；ＰＣＢｄｅｓｉｇｎ；ｈｉｇｈｓｐｅｅｄｄｉｇｉｔａｌｓｉｇｎａｌ；ｃｒｏｓｓｔａｌｋ

ｒｅ—

ｄｕｃｔｉｏｎ；ｇｕａｒｄｇｒｏｕｎｄｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ

引言

由于ＰＣＢ走线的复杂性，目前没有统一的走线分析模型，本文将利用微波技术的基本知识，以端接随着数字信号基准频率的不断提高，高速数字

过孔的有耗线为例。建立合适的ＰＣＢ中走线分析模信号在传输中带来越来越严重的信号完整性问题，型，以此分析研究高速数字信号在ＰＣＢ中的传输特其中有两个主要问题：一是由于ＰＣＢ板上铜导线和性。

介质材料的损耗随着频率的升高而显著加大，从而对于串扰机理及其抑制技术，有许多学者已经引起在其上传输的数字信号的失真，导致误码率增做了大量工作‘３￣６］，其中护卫接地技术是有效技术高；二是由于走线之间串扰随着频率的增加而明显之一，本文将从传输线基本理论出发，给出相应的等加剧‘ｌ ２１。

效电路模型，分析护卫线接地过孔串扰抑制的影响，

收稿日期：２００８—０５．１６．

基金项目：苏州大学博士基金项目（Ｑ４１１９８０３）

联系人：刘学观Ｅ－ｍａｉｌ：ｔｘｄｚｌｘｇ＠ｓｕｄａ．ｅｄｕ．ｃｒｌ

４９８

万　

方数据

第３期

刘学观等：高速数字信号在ＰＣＢ中的传输特性分析４９９

通过电磁仿真技术来研究护卫线接地过孔对串扰的影响，仿真结果印证了谐振原理的正确性，为直观、简洁设计护卫接地提供了参考。１

Ｐ（、Ｂ走线的传输线模型及损耗特性

一般的ＰＣＢ板通常以ＦＲ－４材料为基材，其损

耗主要由金属导带损耗和介质损耗两部分组成，根据电磁理论，金属损耗、介质损耗随频率的增加而显

著增大，为了充分反映ＰＣＢ走线所带来的影响，下面以带状线为例分析ＰＣＢ走线的传输特性。

为了考虑实际终端过孔的影响，将走线两端的过孔等效为Ⅱ型电路，其中Ｃ。表示过孔第一部分的电容，Ｌ表示过孔的回路电感，ｃ２表示过孔第二部分的电容，文献［１］给出了优化后的Ⅱ型等效电路的参数。ＰＣＢ走线段等效为有损传输线，导体损耗、介质损耗引起的单位长总衰减为［７］

口＝口。＋口ｄ

（１）

式中，口。、幻分别是导体衰减常数和介质衰减常数。

这样一段长为ｌ的ＰＣＢ走线就可以等效为如图１所示的传输线模型。

圈１

具有两端过孔的传输线等效电路模型

根据网络［Ａ］参数级联公式［７１，该模型总的［Ａ］参数为

［Ａ］。“＝［Ａ］。。［Ａ］。［Ａ］。。

（２）

式中，［Ａ］一ｔ、［Ａ］。：分别为过孔等效Ⅱ型电路的［Ａ］参数；［Ａ］。为有损传输线的［Ａ］参数。根据参数变换，我们可以得到该等效电路模型的［ｓ］参数

嘲＝赤［卅６■ｄ６辇：型ｃ］

（３）

式中，口、６、ｃ、ｄ为［Ａ］。。的归一化参数。

从而可以得到其总的插入损耗（Ｉｎｓｅｒｔｉｏｎ

Ｌｏｓｓ）

儿＝Ｓ２１＝—ａ＋——ｂ＋竺—ｃ＋一ｄ

（４）

通常，ＦＲ－４材料的相对介电常数设为４．４，耗散因子为０．０１５，现分析特性阻抗为５１．２Ｑ、长度为１０ｃｍ的有损传输线的传输特性。根据上述分析，可以得到等效参数传输线插入损耗的计算结果如图２所

万　

方数据示。

从图２可见，插入损耗的幅值随频率的升高而下降，直到６ＧＨｚ左右，衰减的斜率接近常数。

通过仿真我们可以得出以下结论：由于金属材料、介质材料其衰减特性与频率有关，因此高速数字信号通过ＰＣＢ走线时既会产生幅度畸变，又会产生

宙

３

靼孽耀羁＿＜颦

（ａ）幅度

≮趟

霉ｊ：ｊ｛骣一＜颦

（ｂ）相位

圈２

传输线的插入损耗仿真结果

相位失真，特别对宽带数字信号有明显的影响，而且随着频率的增加，变得更加严重，必要时需采取如预失真等补偿措施；相对材料引起的失真而言，过孔所造成的影响很小。２

ＰＣＢ走线串扰及其抑制

ＰＣＢ板上走线之间的耦合会引起信号的串扰，

从电磁场的观点出发，这是因为在一根走线通以变化的信号，在其周围会产生电场和磁场，而处在该电磁场中的另一根走线就会耦合到信号，从而产生信号的串扰。随着信号频率的不断提高，这种串扰的影响显著增加。为了减少这种串扰，人们采用多种方法来抑制，其中护卫接地技术就是在两根信号线之间

增加分段接地的护卫线，如图３所示。端口①②及③④分别为硼。线宽为相互耦合的两根走线的四个端口。中间为线宽为锄。的护卫接地线，其中黑点代表接地过孔。根据传输线理论［７］，该模型可以用如图４电路模型来等效。其中，Ｃ。，、Ｃ２。、Ｌ，。、Ｌ。。分别为信号走线的单位长自电容和自电感，ｃ３。、Ｌ。。为护卫线

５００

电

波科学

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的单位长自电容和自电感，Ｃ。：为信号走线间的单位长互电容，Ｃ，。、ｃ２。为信号走线与护卫线间的单位长互电容。由等效电路发现，由于护卫线的存在，使两信号走线之间的耦合变得复杂。而护卫线的两接地间线段可以看作两端短路的谐振电路，当信号频率远离该谐振频率时，其等效阻抗很小，从而起到抑制串扰的作用，但当信号频率处于该结构的谐振频率附近时，电磁能量储存在该结构附近，从而可能带来比没有护卫线时更加严重的串扰。因此科学设计护卫接地过孔位置，对串扰的抑制有很大的影响。

图３

ＰＣＢ走线与护卫接地线结构示意图

⑦

Ｃ

④

圈４带护卫接地线的ＰＣＢ走线的等效电路图

为了验证上述分析，我们用电磁仿真软件进行了串扰分析，分别对无护卫接地线、４个接地过孔的接地护卫线以及８个接地过孔的接地护卫线进行了仿真，仿真结果如图５所示。其中，各参数是信号线宽度硼１＝１．７５ｍｍ，护卫线宽度砒＝１ｔｒｉｍ，介质相对介电常数ｅ，＝４．４，信号线长度５０ｍｍ，介质板厚度ｄ一０．９ｍｍ，敷铜厚度ｔ＝０．０２

ｍｍ。

∞罩哇习！ｆ，ＧＨｚ

万　方数据图５接地护卫线对串扰影响的仿真

从仿真结果可以看出，任意添加护卫接地线未必能抑制信号的串扰，有时反而会加剧串扰，增加接地过孔数目可以有效抑制串扰。这与用等效电路的解释完全一致。

３结论

本文分别研究了ＰＣＢ走线的传输特性以及利用护卫接地线抑制串扰，根据上述研究我们可以得到以下结论：①由于金属材料、介质材料其衰减特性与频率有关，因此高速数字信号通过ＰＣＢ走线时既会产生幅度畸变，又会产生相位失真，特别对宽带数字信号有明显的影响，而且随着频率的增加，变得更加严重，必要时需采取如预失真等补偿措施；相对材料引起的失真而言，过孔所造成的影响很小；②接地护卫线段可以等效为谐振电路，有时反而会加剧信号的串扰，因此必须科学没计接地过孔数目以达到

有效抑制串扰的目的。

至于采用何种补偿措施减小ＰＣＢ传输走线的失真以及如何正确快速估计接地过孔数目以避免串

扰的加剧是下一步值得研究的课题。

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（下转第５１７页）

Ｉｓ］ＬＩ［６］［７］刘学观，郭辉萍．微波技术与天线［Ｍ］．２版．西安：西

第３期孙思扬等：利用点源阵模型分析微带贴片天线

５１７

（上接笫５００页）

郭辉萍

刘学观

（１９６５一），男，江苏

（１９６４一），女，山东

人，苏州大学电子信息学院副教授，硕士，１９８９年毕业于西安电子科技大学，主要从事电磁理论及应用、微

波与天线技术教学、科研工作。

人，苏州大学电子信息学院教授，博士，中国通信学会电磁兼容专业委员会委员，主要从事电磁散射、电磁兼容、射频与微波工程及无线通信教学、科研工作。

江盼盼

（１９８６一），男，江苏

人，苏州大学电子信息学院通信工程专业０４级学生，现为华硕科技（苏州）有限公司ＥＭＣ工程师。

万方数据　

高速数字信号在PCB中的传输特性分析

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：

刘学观， 江盼盼， 郭辉萍， 曹洪龙， LIU Xue-guan， JIANG Pan-pan， GUO Hui-ping， CAO Hong-long

苏州大学电子信息学院,江苏,苏州,215021电波科学学报

CHINESE JOURNAL OF RADIO SCIENCE2009,24(3)

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本文链接：/Periodical_dbkxxb200903022.aspx

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/05g1.html