PCB差分线回流路径的3D电磁场分析

当回流路径上存在不连续点的时候，电流就要绕过这些不连续的地方，从而增大了回路面积，回路面积的增加就会导致电感的增加，这就会造成信号完整性的问题。回流路径的不连续会造成的最基本的效应就是等效地增加了电路上的串联电感，而感应系数的大小则由电流实际绕过的距离来决定。那么对于一个电子信号来说，它需要寻找一条最低阻抗最小电感的电流回流到地的途径，所以如何处理信号回流就变得非常关键。

而差分信号不同于单端信号，差分信号是由奇模方式和耦模方式组成的。在奇模的情况下可以在两个导体正中间竖直画一条线，这样穿过它的电力线都是和这条线垂直正交的。那么在奇模情况下的两个导体之间存在一个虚拟的地。当奇模信号的回路不理想时，这个虚拟的地就可以给信号提供一定的参考，继而可以降低因为非理想回路而造成的对信号质量的影响。但耦模分量没有虚拟的地参考回路，在跨越开槽间隙是耦模分量会受到严重的影响。那么，参考平面间隙究竟对差分信号完整性影响有多大呢？带着这个问题，开始下面的参考平面间隙对差分信号回流路径影响的分析。

4，开槽GND1平面其回路场分析及S参数分析
　　

将参考平面GND1开槽，参考平面GND2保持完整，其三维几何图形如图8:

图8参考GND1平面开槽的三维几何图形

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9:

图9参考平面GND1开槽-S参数曲线图。

图10S参数
　　

如图10:可以查出：T1的S11为0.36357，S21为0.79713;T2的S11为0.382，S21为0.78853。　　如图9:T1和T2的S21均不小于-20dB，S11接近-3dB.回波损耗S11，GND1开槽和完整参考平面相比较，GND1开槽的回波损耗S11(大约在0.37)要比整参考平面的回波损耗S11(大约在0.035)差了一个数量级，GND1开槽的情况下信号有部分能量反射会源端，致使回波损耗S11变大。　　

由于差分信号分为奇模方式和耦模方式，对于差分信号我们要关心的S参数还有SDD……DIFFERENTIAL-TO-DIFFERENTIAL PARAMETERSSCC……COMMON-TO-COMMON PARAMETERS在奇模和耦模的形式下S参数的比较。由于插入损耗大那么回波损耗就小。为了使问题简单话，在此之比较SDD21和SCC21，即只比较奇模和偶模的插入损耗。在这将完整参考平面与参考平面GND1开槽两种情况进行SDD21和SCC21的S参数曲线进行比较。如图11所示：

图11完整参考平面与参考平面GND1开槽-奇模和耦模的S参数比较图
　　

如图11所示，开槽对奇模影响很小，对耦模影响很大。在奇模情况下的两个导体之间存在一个虚拟的地。当奇模信号的回路不理想时，这个虚拟的地就可以给信号提供一定的参考，继而可以降低因为非理想回路而造成的对信号质量的影响。而耦模分量没有虚拟的地参考回路，在跨越开槽区域时需绕路而行，增加了耦模分量的回流路径从而造成耦模分量信号质量的劣化。　　

然后进行铜箔参考平面的场定义。　　

铜箔GND1参考平面GND1 Polt fields为Mag_E，结果如图12所示：

图12GND1平面开槽情况下GND1的电场分布图
　　

铜箔GND2参考平面Polt fields为Mag_E，结果如图13所示：

图13GND1平面开槽情况下GND2的电场分布图
　　

将图6、图7和图12、13比较，在GND1开槽后，平面GND1和平面GND2的电场能量分布均有较大的差别。电场能量不再完全集中在信号下方而是在整个平面上高低不同的电场能量都，但是在信号正下方电场能量要比整个平面其它区域要强。

5，继上，将开槽改为在参考平面GND2

上参考平面GND1保持完整，其三维几何图形如图14:

图14参考GND2平面开槽的三维几何图形
　　

进行分析计算。结果如下为：

图15S参数

如图8可以查出：T1的S11为0.33514，S21为0.90913;T2的S11为0.048959，S21为0.90467.　　与图相比T1的S11为0.36357，S21为0.79713;T2的S11为0.382，S21为0.78853.GND2开槽比GND1开槽对信号质量影响要小。由于GND2与SIG的介质较厚，相对的电场能量更多的集中在GND1.