印刷电路板通信通道中的任何不连续都有可能显著扭曲通过它传播的信号。这种难以平衡的扭曲影响了损失预算，最终降低了渠道覆盖范围。分析和优化每个潜在的不连续已成为板级信号完整性的关键组成部分:特别是对于非常长的通道，这些通道会提高它们所连接设备的损耗能力。开云体育官网登录平台网址
随着带宽的增加，过孔的优化会变得特别痛苦:主要是由于他们的桶的影响增加。在设计过程中，不同的筒体长度(取决于层对)可以使一个结构在模拟层对时表现出可接受的工作。设计师很容易陷入反复迭代的循环中，因为他们试图找到一个适用于每一层的结构。
因此，观察像过孔这样的可变长度结构，以自信地了解它们是如何调谐的，而不仅仅是它们是否调谐到给定的长度，是很有吸引力的。例如，设计人员可能寻求将通孔的每个“部分”与特征阻抗匹配，使性能不依赖于长度:就像阻抗匹配长传输线一样。但是，在整个结构上迭代的典型的以tdr为中心的设计方法并不适合这项任务。所显示的值取决于损耗、上升时间、多次相互作用的反射、窗口等等——所有这些都削弱了准确查看结构内部的能力。
可以利用两个经典概念来解决这个问题:在迭代过程中将结构分解为单独的模型，并将图像阻抗作为精确定义和频率依赖的模拟应用于特征阻抗。本文将讨论这两个概念，以及利用这两个组件通过设计加速示例8信号层的简单调优策略。标称示例设计实现了每个微带到条带线转换的25 dB返回损耗，几乎是传统tdr中心方法估计仿真时间的一半。
分解
第一个基本概念是分解:将结构分解为逻辑组件，在迭代过程中分别进行分析。虽然通过分解是一个公认的概念，但它通常用于建模目的，而不是设计目的。[1,2]当分解被用于设计时，它通常用于研究远高于当前广泛采用的SerDes数据速率的现象。[3,4]在本文中，表面到内层的通孔被分解为四个元素:微带过渡，一个周期性地-信号-地垂直几何的单个单元(这里称为“垂直元素”)，任何功率层交叉，以及带存根的带线过渡。(见图1）
每个元素然后分别在全波求解器中建模-在这种情况下是ANSYS HFSS 3D FEM现场求解器。TEM波端口被放置在每个元素的边界，通过扩展每个元素的外部面来创建发射。波端口完全从求解后的结果中去嵌入(参见图2)．
波端口用于消除可能与其他类型的端口和模拟一起出现的边缘场伪影。各元素边界的选择是基于实际结构中这些位置的场结构以瞬变电磁法为主的假设。不正确的程度将降低精度，特别是如果在整个结构的元素之间有任何重要的场相互作用。
发射被故意保持较短，以尽量减少它们在啮合过程中对收敛的影响。由于每个结构的物理尺寸非常小，也使用了相对严格的ΔS收敛标准0.005。
请注意，过去已经演示了许多其他分解建模技术。整篇论文还讨论了一种类似于现有技术的2D方法:用一些精度换取每个横截面几何只求解一次的能力，而不需要重新求解大多数材料变化。
图像阻抗
第二个基本概念是一个额外的优点，它可以轻松地查看结构内部，以理解和控制它们是如何调优的。返回损失可能是熟悉的，但对于周期或变长度结构(如通过桶)的单个部分来说是没有意义的。因此，对于这些元件，一个精确定义的和频率相关的特性阻抗模拟物是特别需要的:它不依赖于长度，并且当等于终端阻抗时表明无反射结构。我们在一个被称为“图像阻抗”的属性中发现了这一点。
图像阻抗是一种双端口网络特性，用于可追溯到20世纪30年代的经典滤波器设计技术。[5]任意两端口网络中每个端口的图像阻抗定义为对端端口在自己的图像阻抗[5]中终止时该端口的输入阻抗，如图所示图3．
图像阻抗可以根据Z参数计算-场求解器的常见输出-如下:
只要没有模式转换，就可以很容易地为多导体结构端口的每个模式定义图像阻抗-有效地将每个模式视为孤立的两端口网络。本文最后给出的示例设计利用了这一点来定义差分模式图像阻抗。
对称网络方便地为两个端口提供相同的图像阻抗。[5]一个具有相同图像阻抗的任意数量的对称网络，因此Zimg[2]可以级联，同时始终呈现Zimg的输入阻抗，只要输出端也匹配到Zimg(参见图4)．
全文通过几个实例非正式地演示了图像阻抗的一些性质，并与特征阻抗进行了比较。最终，一个具有已知图像阻抗的对称电路被连接五次和十次，每次连接都以匹配的高阻抗和低阻抗结束，并且检查每个连接的输入阻抗:(参见图5）
这个例子非正式地演示了Z0=Zimg的变长传输线的两个平行行为:
1.一个对称电路连接的图像阻抗不依赖于它连接了多少次:最终的图像阻抗与基础电路的图像阻抗相同。同样，传输线特性阻抗不随长度变化。
2.当误端时，输入阻抗围绕图像阻抗振荡。当更多的细胞连接在一起时，这种振荡的周期会变短。同样，当误端时，无损传输线的输入阻抗沿特性阻抗振荡，其周期与长度有关。在设计长度问题上，如果每个元素都没有精确匹配，这一点就非常重要。
全周期结构理论可以用来更严格地解释所演示的行为。可以为周期结构定义一个传播常数，并与Zo-Bloch阻抗进行更严格的类比。然而，由于图像阻抗与阻抗匹配的直观联系，这里使用了图像阻抗。还要注意，对于对称和互反的网络，图像阻抗简化为布洛赫阻抗。(在[5]中查找定义并自己尝试!)
示例调优策略和设计
本文最后给出了一个示例设计，利用分解和图像阻抗加速了一个8信号层背板通道的设计，每个微带-带线过渡的返回损耗都优于25 dB。示例中定义了一个简单的调优策略，该策略基于存根是最难调优的元素的假设。简单的策略演示了分解和图像阻抗的实际应用，即使没有严格的调谐理论。每个元素的设计目标是:
- 带状线过渡加存根:整个结构允许的最小返回损失:如果可能的话更高。请注意，使用绝对最小值只能在有限带宽上工作，除非其他元素完全匹配。
- 垂直单元:图像阻抗尽可能接近标称终端阻抗，用公式(1)或(2)计算。由于垂直单元的对称性，两者给出相同的结果。
- 微带转换:比最小值高10 dB的返回损耗:基于它足够高而不会显著降低结构性能的假设任意选择。
- 核心:比最小值高10 dB的回波损耗，选择的原因与微带目标相同。
在实例设计中，通过迭代每个元素来实现上述目标。值得注意的是，在没有繁琐的几何实现的情况下调整stub需要一个反垫结构，该结构提供了高于最佳垂直元素图像阻抗。为了预测这将如何影响性能，将垂直元素的相关解决方案与存根解决方案连接了不同的次数——回想一下，长度很重要，除非完全匹配并终止。测试结果预测了可接受的性能，因此继续使用调整后的防垫进行设计。
对各个元素进行优化后，求解整个结构，验证每一层过渡都达到了性能目标。这个完整的模拟显示了一个成功的设计，每个微带到带线层的转换都有大于25 dB的返回损耗(参见图6)．
此外，示例设计只需要3小时22分钟的总仿真时间，包括验证每个层对的完整结构(参见表1)．
传统的全结构迭代方法可能需要经验丰富的工程师在每层转换中进行三次迭代。每次全通径求解的平均计算时间为22分钟，因此设计时间为6小时36分钟。分解技术的速度几乎是前者的两倍。为了使用这种技术达到收支平衡，设计师将只允许四次迭代收敛到一个单层转换的解决方案，然后在验证后不进行进一步迭代的情况下跨其他五个转换工作。
相关
通过分解预测的结果在整篇论文中显示，除了非常短的过孔外，都与求解的完整过孔具有很好的相关性(参见图7)．这种差异可能是由内部垫和表面垫之间的场相互作用引起的，这种相互作用只发生在短通孔中，不能通过分解捕获。
结论
分解和图像阻抗可以加速和改进设计，允许设计师自信地查看内部结构，并用直观的优点数字解释结果。这使得空间感知的调优策略和设计技术成为可能，例如本文中演示的示例。
此外，调谐技术不需要关注于匹配每个元素，这是本文的重点，高阻抗元素可以用于在有限的带宽上轻松调谐低阻抗元素。更先进的技术也是可能的。
理解结构是如何调优(或错误调优)的能力是非常强大的，并允许设计人员满怀信心地识别和迭代有问题的区域。展望未来，分解等改进传统设计流程的技术只会变得更有用，因为行业趋势是56G PAM4，并考虑56G NRZ及更高。
该论文在2017年设计展上发表。下载整篇论文在这里．
文章发表在SIJ 2019年2月的电子书上，PAM4/误码率测试”，由安立公司赞助。8页。
参考文献
[1] G. Antonini等人，“通孔不连续的等效网络综合”，IEEE Adv. Packag。，第25卷，no。4，页528-536,2002年11月
[2] E. Laermans等人，“通过孔结构建模复杂”，IEEE Adv. Packag。，第25卷，no。2，页206-214,2002年5月
[3] X. Duan等人，“通过抑制共享Antipads中的寄生模式来优化印刷电路板上高速差分信号的微带到通道过渡”，IEEE Int。计算机协会。关于电磁兼容性，2014年8月
[4] C. Tsai等人，“在频率高达67 GHz的多层LTCC中通过过渡的微带到微带的设计，”IEEE传输。Compon。Packag。Manuf抛光工艺。，第1卷，no。4，页595-601,2011年4月
[5] D. M. Pozar，“微波滤波器”，在微波工程，4th纽约:Wiley出版社，2012年，第8章，第8.2节，第388-390页
