微带线阻抗不连续性的补偿研究

余文志，李晓磊，吴柏昆，吴 锋，钱银博

( 华中科技大学光学与电子信息学院，湖北武汉 430074 )



微带线阻抗不连续性的补偿研究

余文志，李晓磊，吴柏昆，吴 锋，钱银博

( 华中科技大学光学与电子信息学院，湖北武汉 430074 )

随着测试仪表板卡中传输信号频率的增加和上升时间变短，板卡中微带线与金手指宽度不一致引起的阻抗不连续问题对信号完整性的影响越来越严重。文中提出使用在参考地层构建反焊盘的方法对这种阻抗变化进行补偿，并使用高频结构仿真软件HFSS和高频电路仿真软件Ansoft Designer对单端和差分情况下的补偿效果进行时域和频域仿真。参数扫描仿真结果表明，通过选择合适的反焊盘面积，可以获得极佳的阻抗补偿效果，验证了该方法的可行性和有效性。该研究对实际PCB设计中类似问题的解决具有一定的参考价值。

信号完整性；阻抗不连续；阻抗匹配；HFSS仿真；金手指

0 引言

随着现代电子行业的迅猛发展，电子电路工作速度越来越高，信号上升沿越来越陡，工作频带也越来越宽，高速PCB电路设计已经进入GHZ时代。这意味着相应的测试仪表中信号的速率也随之提高，而测试仪表对信号传输的质量要求更高，这对测试仪表电路的设计提出了更高的挑战。在以往低频电路设计中，如线宽突变、过孔、拐角等，显得无关紧要的问题，在高速电路设计中都必须予以重视，处理不好将会导致严重的信号完整性问题[1-2]。高速电路中高速信号走线与其邻近的参考层构成了微带传输线或者是带状传输线，微带线的线宽变化会引起微带线的特征阻抗的变化，即在高速信号传输路径上产生了阻抗不连续性问题，高速信号传输时将产生反射和失真，引起信号完整性问题。所以在高速电路设计时，要尽量保持走线宽度一致，但在实际的PCB设计中，如芯片引脚与微带线的连接，耦合电容与微带线的连接，微带线与金手指的连接等，都会无可避免的出现线宽跳变，从而导致阻抗不连续问题。针对上述问题，从实际应用出发，针对仪表板卡设计中常见的微带线与金手指的过渡问题，用高频结构仿真软件HFSS建立了微带线与金手指连接的三维仿真模型，结合高频电路仿真软件Ansoft Designer，从频域和时域角度对此问题进行了分析和研究。

1 模型建立与理论分析

如图1所示，微带线与金手指连接是一个宽度在连接处发生跳变的结构，微带线的宽度为W1，金手指的宽度为W2。由微带线常用阻抗计算公式[3]

(1)

式中：H表示微带线与信号参考层间介质厚度；εr为介质的介电常数；W为微带线线宽；T为微带线厚度。

图1 模型示意图

由式(1)可知微带线阻抗为Z1，金手指部分阻抗为Z2，在连接处发生了阻抗突变。假定信号传播方向为微带线传向金手指端，从电压电流角度看，在微带线一侧电压为V1，在金手指一侧电压为V2，可以将V1分为正向传输电压Vin和反向传输电压Vreflect，将V2记为传输电压Vtrans。则可得此结构的反射系数为[4]

(2)

传输系数为

(3)

由以上两式可知，只要知道两阻抗的变化就可以知道反射系数和传输系数的大小，因此在信号完整性设计时，要更多的关注阻抗的变化，想办法控制两侧阻抗的变化，才能得到尽量小的反射系数和尽量大的传输系数。但一般微带线为了满足阻抗匹配都有特殊的阻抗要求，按照微带线阻抗设计的结构，其中εr、H和T几个参数均已确定，而金手指的尺寸也由相关标准确定，由式(1)来看金手指部分阻抗似乎无法改变。但式(1)并没有考虑到信号返回路径对微带线阻抗的影响，实际上均匀微带线的特性阻抗在数值上与瞬态阻抗相等，其计算公式如下

(4)

式中：Z为特性阻抗；C0为单位长度电容量；εr为介质材料的介电系数。

由式(4)可知，影响特性阻抗的主要因素为单位长度电容量和介质材料介电系数，对于确定设计介质介电系数固定，所以单位长度电容量为主要影响因素，通过控制单位长度容量即可以达到控制阻抗大小的目的。信号传输时，微带线与其回流路径存在一定的电荷量，所以在微带线和回流路径之间产生相应大小的电容。如果减小回流路径，其单位长度电容将减小，其特性阻抗将变大；反之，其单位长度电容增大，其特性阻抗将变小。由式(1)可知金手指在其它参数一定情况下，其宽度如果较微带线宽，其阻抗将小于微带线阻抗，减小回流路径可使金手指部分阻抗增大，通过优化设计将能使微带线和金手指阻抗匹配达到最佳状态，使反射得以减小[5]。

2 仿真与分析

2.1 单端情况仿真分析

在HFSS中建立如图2所示模型[6]，模型中介质材料为Roges4350，其厚度H为3.8 mil(1 mil=25.4 μm)，相对介电系数εr为3.66，微带线宽度W1为7.3 mil，长度l1为440 mil，特征阻抗约为50 Ω，金手指宽度W2为24 mil，长度l2为60 mil。参考地铜厚为1.2 mil，其中金手指下方参考层被沿着金手指对称中心线挖开形成一个反焊盘，其宽度为2l，长度为l2。

(a)模型截面图

(b)模型俯视图

在HFSS中建立以上模型结构，通过控制l的大小，即可控制反焊盘的面积，实现对回流路径大小的控制，进而实现对金手指部分阻抗的控制。为了研究反焊盘大小对金手指部分阻抗的影响，获得最佳的阻抗匹配效果，在HFSS中将l设置为扫描参数，获得了l取不同值时的回波损耗曲线，如图3所示。

图3 不同l取值下单端回波损耗曲线

由图3，可以看到回波损耗随着频率增大而增大，意味着信号中高频部分反射较严重，传输损耗较大，信号将产生失真。在没有进行反焊盘补偿时，其回波损耗最大。随着反焊盘面积的增大，其回波损耗先减小，当l超过15 mil后，其回波损耗随着反焊盘的增大而增大，其回波损耗在l=15 mil时达到最小。

通过以上仿真得到了反焊盘大小与回波损耗之间的关系，并确定了最优的l取值。为了研究形成这种变化趋势的原因，以及反焊盘对信号完整性的补偿效果，使用电路仿真软件Ansoft designer和HFSS建立如图4所示的联合仿真模型[6-7]。进行联合仿真后，得到如图5所示的TDR曲线以及如图6所示的波形曲线。

(a)TDR曲线仿真电路

(b)波形仿真电路 图4 单端情况时域仿真电路

图6 不同l取值下单端波形曲线

由图5可以看到，微带线传输部分阻抗在50 Ω附近，在没有进行反焊盘补偿时，金手指部分的阻抗仅为33 Ω左右，与微带线阻抗严重失配，将产生严重的信号完整性问题，如图6所示此时波形产生了比较严重的畸变。在进行反焊盘补偿后，随着反焊盘面积的增加，金手指部分的阻抗逐渐增加，波形畸变也逐渐减小。当l<15 mil时，由于补偿不够，金手指阻抗小于50 Ω，仍得不到较好的阻抗匹配效果。当l等于15 mil时，可以看到金手指部分的阻抗已达到50 Ω左右，TDR曲线在50 Ω附近小范围波动，此时达到了很好的阻抗匹配效果，故在此条件下可获得最小的回波损耗，此时波形近似于标准方波。当l超过15 mil时，由于补偿过多，金手指部分阻抗超过了50 Ω，仍将出现阻抗匹配问题，波形出现过冲现象。所以使用反焊盘进行阻抗调整时，必须使用合适的反焊盘大小才能获得最佳的效果。

2.2 差分情况仿真分析

随着高速电路工作速度越来越高，对信号完整性要求越来越高，差分微带线得到越来越多的应用，差分微带线与连接的金手指之间同样存在阻抗失配的问题。将单端微带线中验证得到的补偿方法进行进一步推广，用于差分微带线的阻抗补偿研究中。

在HFSS中建立如图7所示模型[6]，模型中介质材料为Roges4350，其厚度H为6 mil，相对介电系数εr为3.66，微带线宽度W1为7.3 mil，间距S1为6 mil，长度l1为440 mil，特征阻抗约为100 Ω，金手指宽度W2为24 mil，间距S2为8 mil，长度l2为60 mil。参考地铜厚为1.2 mil，其中两个金手指下方参考层被沿着金手指对称中心线挖开形成2个反焊盘，其宽度为2l，长度为l2。

在HFSS建立如图7所示的模型，如单端微带线研究中一样，将l设置为扫描参数，在HFSS中对不同l值进行了扫描分析，得到如图8所示的曲线。

(a)模型截面图

(b)模型俯视图

图8 不同l取值下差分回波损耗曲线

由图8可知，回波损耗曲线表现出与单端情况相似的变化趋势，其回波损耗随频率增大而增大，随着反焊盘面积的增大，其回波损耗先减小，当l超过40 mil后，其回波损耗随着反焊盘的增大而增大，其回波损耗在l=40 mil时达到最小。

从阻抗变化来看，使用Ansoft designer和HFSS建立如图9所示的联合仿真模型[6-7]，进行联合仿真后，得到如10所示的TDR曲线以及如图11所示的波形曲线。

(a)TDR曲线仿真电路

(b)波形仿真电路图9 差分情况时域仿真电路

图10 不同l取值下差分TDR曲线

图11 不同l取值下差分波形曲线

由图10可以看到，在没有进行反焊盘补偿时，金手指部分的差分阻抗仅为77 Ω左右，与微带线100 Ω差分阻抗相差较大，信号反射较严重，波形出现较严重失真(如图11所示)。在进行反焊盘补偿后，随着反焊盘面积的增加，金手指部分的阻抗逐渐增加，波形失真减小。当l达到40 mil时，可以看到金手指部分的差分阻抗已接近100 Ω，TDR曲线在100 Ω附近小范围波动，此时达到了很好的阻抗匹配效果，故在此条件下可获得最小的回波损耗和最佳的波形。l在40 mil附近时可以看到阻抗变化与单端TDR曲线变化类似，但阻抗变化没有单端时变化那么剧烈，波形变化不明显。在差分微带线的金手指阻抗补偿中，反焊盘同样获得了比较好的补偿效果，表明这一方法对在差分情况下的金手指阻抗补偿同样适用。

3 结论

文章针对高速测试仪表板卡中微带线和金手指的过渡引起的阻抗不匹配问题进行了理论分析和研究，提出了利用控制反焊盘面积来控制阻抗变化，实现最佳阻抗匹配的方法。通过高频结构仿真软件HFSS与高频电路仿真软件Ansoft Designer进行联合仿真，从频域和时域角度对反焊盘补偿效果进行仿真分析。发现通过改变反焊盘面积的大小可以很好的调节金手指阻抗大小，在合适的补偿面积下，可以获得良好的阻抗匹配效果和传输波形。同时将此方法推广用于差分微带线金手指连接引起阻抗失配问题的控制，在仿真中也取得了良好的效果，验证了此方法的有效性和可靠性。该研究为实际设计中此类问题的解决提供了一些参考。

[1] 吴健，孔德升. 高速数据采集卡的信号完整性分析.仪表技术与传感器，2013(12):93-96.

[2] 焦雨晨，车晴，逯贵祯.不同拐角差分传输线结构的信号完整性分析.微波学报，2012(S3):364-366.

[3] Mark I. Montrose. EMC and the printed circuit board：design,theory, and layout made simple. USA: IEEE Press，1998．

[4] 于争.信号完整性揭秘．北京：机械工业出版社，2013.

[5] 史凌峰，林凯，杨一洲，等.基于信号返回路径宽度的阻抗匹配技术研究.电波科学学报，2010，25(6):1182-1186.

[6] Ansoft Corporation. HFSS Full Book. Pittsburgh: Ansoft Corporation, 2005.

[7] Ansoft Corporation. Designer Full Book. Pittsburgh:Ansoft Corporation, 2004.

Analysis of Compensation of Microstrip Line Impedance Discontinuity

YU Wen-zhi, LI Xiao-lei, WU Bo-kun, WU Feng, QIAN Yin-bo

(College of Optics and Electronic Information, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)

With the increase of transmission signal frequency and decrease of rise time on the testing instrument’s integrated circuit boards, the influence of the impedance discontinuity caused by the width difference between the microstrip line and bonding finger on signal integrity becomes more significant. In this paper, a method of constructing antipad on the reference strata was presented, which could compensate this impedance change. Time and frequency domain simulation for the case of single-ended and differential compensation were made with HFSS (high frequency structure simulation software) and Ansoft Designer (high frequency circuit simulation software). The parameter scanning simulation results show that the best impedance compensation effect can be obtained by selecting suitable antipad size, which proved the feasibility and effectiveness of the method. The study has a certain reference value to solve the similar problem in the actual PCB design.

signal integrity; impedance discontinuity; impedance matching; HFSS simulation; bonding finger

2014-11-12 收修改稿日期：2015-03-10

TN41

A

1002-1841(2015)08-0088-04

余文志(1989—)，硕士研究生，研究方向为高速并行光收发模块及测试仪器设计。E-mail：yuwenzhi999@163.com

钱银博 (1982—)，博士后，主要研究方向为高速光模块及测试仪器设计。E-mail: qianyinbo@hust.edu.cn