更好，更快，更自信的25+ Gbps通过设计:应用分解和图像阻抗

印刷电路板通信通道中的任何不连续都有可能显著地扭曲通过它传播的信号。这种难以平衡的失真消耗了损失预算，最终减少了渠道覆盖范围。因此，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，这将推动它们连接的设备的损耗能力。开云体育官网登录平台网址

随着带宽的增加，通孔的优化可能会变得特别痛苦:这主要是由于它们的桶的影响增加了。不同的桶长(取决于层对)可以调整结构，使其在设计过程中模拟的层对可以接受地工作。设计师很容易陷入反复迭代的循环中，因为他们试图找到适用于每一层的结构。

因此，查看像通孔这样的可变长度结构的内部是很有吸引力的，这样可以自信地了解它们是如何调整的，而不仅仅是它们是否针对给定的长度进行了调整。例如，设计人员可能会设法使通孔的每个“部分”与特性阻抗相匹配，从而使性能不依赖于长度:就像阻抗匹配长传输线一样。然而，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。显示的值取决于损耗、上升时间、多重相互作用反射、窗口等，所有这些都削弱了准确观察结构内部的能力。

可以利用两个经典概念来解决这个问题:在迭代期间将结构分解为单独的模型，并将图像阻抗作为精确定义且与频率相关的模拟应用于特征阻抗。本摘要讨论了这两个概念，以及一个简单的调优策略，该策略利用这两个组件通过设计加速示例8信号层。标称示例设计实现了每个微带到带线转换的25 dB回波损耗，并且几乎是传统tdr中心方法估计的仿真时间的一半。

分解

第一个基本概念是分解:将结构分解为在迭代期间单独分析的逻辑组件。虽然通过分解是一个完善的概念，但它通常用于建模目的，而不是设计。[1,2]当分解用于设计时，通常是为了研究远高于当前广泛采用的SerDes数据速率的现象。[3,4]本文将表面到内层的通孔分解为四个要素:微带过渡、周期性地-信号-地垂直几何的单个单元(此处称为“垂直单元”)、任何功率层交叉以及带存根的带状线过渡。(见图1）

然后在全波求解器中分别对每个元件进行建模-在这种情况下是ANSYS HFSS 3D FEM场求解器。TEM波端口放置在每个元素的边界上，通过扩展每个元素的外部表面来创建发射。波端口完全从求解后的结果中去嵌(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。每个单元边界的选择是基于假设实际结构中的场结构在这些位置上占主导地位。不正确的程度将降低准确性，特别是在整个结构中元素之间存在任何重要的场相互作用的情况下。

发射时间故意保持较短，以尽量减少它们在网格划分期间对收敛的影响。由于每个结构的物理尺寸非常小，因此还使用了相对严格的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。全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，而不需要对大多数材料变化重新求解。

图像阻抗

第二个基本概念是一个额外的价值值，它可以很容易地查看结构内部，以理解和控制它们是如何调优的。回报损失可能是熟悉的，但对于周期性或可变长度结构(如通孔桶)的单个部分没有意义。由于这个原因，对这些元件来说，精确定义和频率相关的特性阻抗模拟是特别可取的:不依赖于长度的东西，当等于终端阻抗时，它表示无反射结构。我们在一个被称为“图像阻抗”的特性中发现了这一点。

图像阻抗是一种双端口网络特性，可追溯到20世纪30年代的经典滤波器设计技术。[5]任意双端口网络中，每个端口的图像阻抗定义为对端端口终止于自身图像阻抗[5]时该端口的输入阻抗，如图3．

图像阻抗可以根据Z参数(场求解器的常见输出)计算为:

只要没有模式转换，也可以很容易地定义多导体结构端口的每个模式的图像阻抗-有效地将每个模式视为孤立的两端口网络。在本文最后给出的示例设计中利用了这一点来定义差模图像阻抗。

对称网络方便地为两个端口提供相同的图像阻抗。因此，对于任意数量的具有相同图像阻抗的对称网络，只要输出端也与Zimg匹配，Zimg[2]就可以级联，同时始终呈现Zimg的输入阻抗(参见图4)。

全文通过几个例子非正式地演示了图像阻抗的一些特性，并与特征阻抗进行了类比。最后，一个具有已知图像阻抗的对称电路被串联五次和十次，每次串联都以匹配的高阻抗和低阻抗终止，并检查每次串联的输入阻抗:(参见图5）

这个例子非正式地展示了Z0=Zimg的变长传输线的两个相似之处:

1.一个对称电路的串联的图像阻抗不依赖于它被串联多少次:最终的图像阻抗与基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.当误端接时，输入阻抗在图像阻抗附近振荡。随着更多的细胞连接在一起，这种振荡的周期变得更短。同样，当误端接时，无损传输线的输入阻抗在特性阻抗附近振荡，周期取决于长度。在设计长度问题中，如果每个元素都不精确匹配，这一点至关重要。

全周期结构理论可以更严格地解释所证明的行为。有可能定义周期结构的传播常数，以及与Zo-Bloch阻抗更严格的类比。然而，这里使用图像阻抗，因为它与阻抗匹配有直观的联系。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]中查找定义并亲自尝试!)

示例调优策略和设计

本文最后给出了一个示例设计，该设计利用分解和图像阻抗来加速8信号层中间层的设计，每个微带带线转换的回波损耗优于25 dB。本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这一假设。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回报损失:如果可能的话，更高。请注意，除非其他元素完全匹配，否则使用绝对最小值只能在有限的带宽上工作。
• 垂直元件:图像阻抗尽可能接近标称终止阻抗，由式(1)或式(2)计算。由于垂直元件的对称性，两者都给出相同的结果。
• 微带转换:比最小值高10db的回波损耗:根据假设它足够高而不会显著降低结构的性能而任意选择。
• 核心:比最小值高10db的回波损耗，选择的原因与微带目标相同。

在示例设计中，对通孔的每个元素进行迭代以实现上述目标。值得注意的是，在没有繁琐的几何结构的情况下调整存根需要一个反垫结构，该结构提供比最佳垂直元件图像阻抗更高的阻抗。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进行可变次数的连接——记住，长度很重要，除非完全匹配并终止。结果预测了可接受的性能，因此设计继续调整反垫。

在对每个单元进行优化后，对整个结构进行求解，以验证每个层过渡的性能目标都得到了满足。这个完整的模拟显示了一个成功的设计，每个微带到带状线层转换的回波损耗大于25 dB(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，包括对每个层对的完整结构的验证(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每层转换进行三次迭代。每个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它的两倍。为了平衡这种技术，设计师将只允许四个迭代收敛到一个单层转换的解决方案，然后在验证后不需要进一步迭代就可以跨其他五个转换工作。

相关

全文显示，分解预测的结果与除非常短的通孔外所有通孔的解算完全相关(见图7)。这种差异可能是由内部和表面衬垫之间的场相互作用引起的，这种相互作用只发生在短的通孔中，并且不能通过分解来捕获。

结论

分解和图像阻抗可以加速和改进设计，使设计师能够自信地查看结构内部，并通过直观的价值图来解释结果。这支持空间感知调优策略和设计技术，例如本文中演示的示例。

此外，调谐技术不需要专注于匹配每个元件，正如本文所关注的那样，高阻抗元件可以用来在有限的带宽上轻松地调谐低阻抗元件。更先进的技术也是可能的。

理解结构是如何调整(或错误调整)的能力是非常强大的，它允许设计师充满信心地识别和迭代有问题的区域。展望未来，随着行业趋向于56G PAM4并考虑56G NRZ及更高的标准，分解等改进传统设计流程的技术只会变得更加有用。

本文发表于2017年设计大会。下载整篇论文在这里．

文章发表在2019年2月的SIJ电子书上。PAM4/误码率测试”，由安立公司赞助。8页。

参考文献

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[10]李建军，“复杂孔洞结构的建模”，电子工程学报。，第25卷，第25号。2，第206-214页，2002年5月
[10]段鑫等，“基于抑制共享Antipads中寄生模式的高速差分信号微带-过通转换优化”，电子工程学报。计算机协会。关于电磁兼容性，2014年8月
[10]蔡志强等，“高频率LTCC的微带到微带过渡设计”，《电子工程学报》。Compon。Packag。Manuf抛光工艺。，第1卷，第1期。4，第595-601页，2011年4月
[10]李志强，“微波滤波器”，微波工程学报，第4期^th编。纽约:Wiley, 2012，第8章，第8.2节，第388-390页