PCB差分线回流路径的3D电磁场分析

1，差分信号简介
　　

当驱动器在传输线上驱动一路信号时，在信号线和返回路径之间会存在一个信号电压，通常称为单端传输线信号。当两路驱动器驱动一个差分对时，除了各自的单端信号外，这两路信号线之间还存在着一个电压差，称为差分信号。与单端信号相比，差分信(Differential Signal)在信号完整性方面有很多优势。如降低了轨道塌陷和EMI，有更好的抗噪声能力，对衰僐不敏感。在高速电路设计中的应用越来越广泛，电路中最关键的信号往往都要采用差分结构设计。　　

承载差分信号的任意一对走线就称为差分走线。差分传输线具有两种独特的传传输方式---奇模方式和耦模方式。奇模方式在两个传输信号间存在以个非零电位，耦模方式一对信号相对GND有一个非零电位。而实际的差分信号带有直流偏置的差分信号。

2，差分信号回路三维建模　　

为了对差分信号回路进行精确的分析，需要借助三维的电磁场仿真软件。选用了Ansoft的HFSS进行三维建模和分析。HFSS是基于三维电磁场设计的EDA标准设计工具。HFSS依据其独有的模式？节点和超宽带插值扫频专有技术，利用有限元(FEM)快速精确求解整板级PCB或整个封装结构的所有电磁特性，真正全面考虑(准)静态仿真中无法分析的有失配、耦合、辐射及介质损耗等引起的电磁场效应，从而得到精确的频域高频特性(如S参数等)并生成全波Spice模型以支持高频、高速、高密度PCB应用中实现精确的Spice宽带电路仿真设计。　　

为了表明较长回流路径的影响，参见图2，描述了一根带状线跨过了地参考平面上的一个沟壑，构建的一个不连续回流路径的简单模型，该模型结构简单，回流路径很容易被理解，同时它也能被扩展应用到更多的常见结构中。定义信号回路的信号在PCB板上的位置以及PCB叠层如图1和结构如图2所示，为带状线，特征阻抗100欧姆，铜箔厚度0.035mm，信号线线宽0.127mm，信号的间隙为0.2286mm，线长5cm.介质厚度为0.1524mm，GND的铜箔度。0.035mm，介电常数4.0.

图1PCB叠层结构

信号跨分割沟壑，即信号的参考平面不是完整平面。回流路径中的间隙通常用于隔离电路板上的某个区域。当电源平面用做参考层或使用分离电源层时也会出现开槽的间隙。有时在回流路径中出现了非故意的开槽间隙，像回流路径中出砂孔过分刻蚀和交叠的情况，造成信号回流参考平面不完整。如图2所示：

如图2跨越地平面沟壑信号的平面几何图形
　　

根据图1和图2，在HFSS下进行三维建模如图4，导线处在介电常数为4.0，损耗角正切为0.02的板材中，板材的上下侧均为铜箔参考平面，导线的差分特征阻抗为102欧姆。

图3完整参考平面的三维几何图形　　

3，完整参考平面回路场效应分析
　　

导线的两端定义端口分别为Waveport1和Waveport2，端口Waveport1的激励定义为Waveport阻抗为50欧姆，差分阻抗为100欧姆;端口Waveport1的边界条件定义为Waveport阻抗为50欧姆，差分阻抗为100欧姆。场分析时，在整板外围设计为50C50C40空气体，将该空气体的吸收边界条件定义为Radiation.在HFSS中，设定求解的频率为2.5GHz，最大的ΔS为0.05，设置为5%能满足精度要求而又不需要花费太多的时间，在此基础上加入间插频率扫描分析，即定义全波模型适用的频率范围，从0.01GHz扫描5GHz，步长0.01GHz，误差2%，进行分析计算。结果如下图5：　　

根据S参数的基本知识，如果以Waveport1作为信号的输入端口，Waveport2作为信号的输出端口，S11表示回波损耗，也就是有多少能量被反射回源端，这个值越小越好，一般建议S11<0.1，即-20dB，S21表示插入损耗，也就是有多少能量被传输到目的端(Port2)了，这个值越大越好，理想值是1，即0dB，越大传输的效率越高，一般建议S21>0.7，即-3dB.

图4S参数

图5完整参考平面-S参数曲线图
　　

如图4可以查出：T1的S11为0.059688，S21为0.9086;T2的S11为0.016963，S21为0.90776.　　如图5:T1和T2的S21<-20dB，S11<-3dB.从上面的S参数可以判断该信号为正常。　　然后进行铜箔平面的场的定义。　　铜箔平面GND1 Polt fields为Mag_E，结果如图6所示：

图6完整参考平面情况下GND1的电场分布图

铜箔平面GND1 Polt fields为Mag_E，结果如图7所示：

图7完整参考平面情况下GND2的电场分布图

如图6和7可以明显看出T1和T2的电场能量主要集中贴近差分信号下面的GND1层。由于GND1与SIG间的FR4_1的板材厚度为0.1651mm;GND2与SIG间的FR4_2的板材厚度为0.7099mm，GND1与SIG间距比GND2与SIG间距小。GND2层的电场能量相对GND1的电场能量要少得多，从图7可以看到红色区域是电场能量最大的地方。高速信号的回流路径紧贴最近的参考平面回流。