CN100488338C - 一种阻抗控制的方法 - Google Patents

Abstract

一种阻抗控制的方法，用于通信技术领域中高速印制电路板传输线的阻抗控制，所述方法包括如下步骤：A、对被控传输线垂直方向对应的所有的信号层和平面层做挖空处理；B、将所有信号层和平面层挖空的宽度设置为变量，通过调整和设置所述挖空宽度，控制所述被控传输线的阻抗为任意需求值。采用了本发明方法，可以在不调整层叠结构的基础上控制焊盘的阻抗，保证匹配器件与信号走线的阻抗匹配，改善信号的传输质量。并且该方法简单，易于广泛推广。

Description

一种阻抗控制的方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及高速印制电路板传输线阻抗控制的方法。

背景技术

随着芯片的工作频率越来越高，信号的上升时间越来越快，对印制电路板的设计将是一个很大的挑战。在目前单板上，信号频率已经达到10Gbps，甚至更高的40Gbps，上升时间也只有几十皮秒，如何通过印制电路板实现设计，这是需要在印制电路板设计的初期就开始考虑的问题。

阻抗控制是高速印制电路板实现的最基本要求，尤其在高速多层板中，也是在印制电路板设计中经常使用的一种方法，通常，阻抗控制是通过调整传输线的线宽、与参考平面的距离等因素达到阻抗控制的目的。以微带线为例，微带线是一种位于介质材料和空气之间的传输线，它的结构如图1所示，传输线1的上面是空气，下面是介质材料，传输线1的简化阻抗计算公式：

$Z_0=\frac{87}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\γ}}+1.41}}\mathrm{In}\left(\frac{5.98H}{0.8W+T}\right)---\left(1\right)$

阻抗Z₀通常由以下几个因素影响：W-信号的线宽；H-介质的厚度(与相邻参考平面的间距)；T-传输线铜的厚度；ε_γ-介电常数(介质的一种特性)。由公式1可见，通常情况下信号的线宽W越宽，阻抗越小；介质越薄，即H越小，阻抗越小；传输线铜厚T越厚，阻抗越小；介电常数ε_γ越大，阻抗越小。而单板的成品厚度等于所有介质和铜箔的厚度总和。

目前，一种传统的阻抗控制方法是依据公式1，通过调整线宽、信号线与相邻参考平面的介质厚度、信号线的铜厚等，来达到设计的需求。而这种传统的阻抗控制的方法，对实际单板的设计具有一定的限制，特别当由于受多种条件限制，导致设计线宽都小于匹配器件的焊盘时，该阻抗控制方法无法使两者之间达到阻抗匹配。

另一种阻抗控制方法是通过采用挖空传输线下方的平面层的方式，进行阻抗控制，但该种方式的参考平面仍然在传输线的正下方。这种阻抗控制方式，由于它的参考平面仍然在传输线的正下方，阻抗允许的变化情况与单板的层叠结构紧密相关，例如一个四层单板，传输线在TOP层，那传输线与参考平面的距离就只能是第一层同第二层的间距、或第一层同第三层的间距、或第一层同第四层的间距。因此采用该阻抗控制方法，阻抗数值不能连续的任意选择确定。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种阻抗控制方法，该方法可以使传输线1宽度大于传输线2的宽度时，在不调整层叠结构的基础上，控制传输线1的阻抗，保证传输线1和传输线2的阻抗匹配要求。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案为：

一种传输线阻抗控制的方法，包括如下步骤：

A、对被控传输线垂直方向对应的所有的信号层和平面层做挖空处理；

B、将所有信号层和平面层挖空的宽度设置为变量，通过调整和设置所述挖空宽度，控制所述被控传输线的阻抗为任意需求值。

所述的方法，其中：所述的步骤B包括如下步骤：

B1、根据印制电路板的结构，在仿真软件中建立仿真模型；

B2、在所述仿真模型中，以所述被控传输线挖空的宽度为变量进行参数扫描；

B3、根据自定义的目标函数，确定挖空的宽度为第一宽度；

B3、将所述被控传输线垂直方向对应的所有信号层和平面层的挖空宽度设置成所述第一宽度。

所述的方法，其中：所述仿真软件为HFSS。

本发明的有益效果为：采用了本发明的方法，在多层印制电路板设计时，当匹配器件的焊盘的宽度大于信号走线的宽度时，在不调整层叠结构的基础上也可以控制焊盘的阻抗，保证匹配器件与信号走线的阻抗匹配，改善信号的传输质量。这就使单板在不需要增加成本的情况下可以达到设计要求，在实际中应用中具有重要的意义；并且由于方法简单，能够得到广泛的推广。

附图说明

图1为微带线的结构；

图2a为常规的传输线侧视图；

图2b为作了挖空处理的传输线侧视图；

图3为单板层叠结构图；

图4a为两种情况下反射特性对比图；

图4b为两种情况下传输特性对比图；

图5为将匹配器件焊盘下所有层挖空的示意图；

图6为将挖空宽度为变量的参数扫描曲线；

图7a和图7b分别为将挖空宽度设置为50mils时的反射参数和传输参数。

具体实施方式

下面根据附图和实施例对本发明作进一步详细说明：

以图2a、图2b所示的四层单板为例，所述单板的层叠结构如图3所示，其第一层为信号层1，第二层为GND平面层，第三层为POWER平面层，第四层为信号层2；图2中画有斜线的部分是铜皮，其余部分由介质构成。传输线1和传输线2都位于单板的第一层，并且传输线1的宽度大于传输线2的宽度，传输线1可以是单线、差分线、器件的焊盘等，我们假设传输线1为匹配器件的焊盘；对于图2a所示的现有技术情况，S1层信号的参考平面是GND层，根据公式1可知，由于匹配器件的焊盘和传输线2宽度W不同，因此焊盘和传输线2的阻抗不同，也就是匹配器件无法与信号阻抗匹配。两个传输线之间是否匹配，由信号的传输特性和反射特性来衡量，传输特性是指信号有多少能量可以从一端传向另一端，传输特性是0dB表示能量全部传到，没有损耗，因此传输参数是越接近0越好；而反射特性是衡量传输到另一端的信号又反射回来多少的参数，反射参数也是越小越好。当一个链路阻抗不匹配，即一段阻抗是50欧姆，一段阻抗是30欧姆时，信号会在链路中来回振荡，信号能量不能从一端全部传到另一端；而阻抗匹配时，就是整个链路各个位置的阻抗都是50欧姆时，这样信号就会很流畅的传送，反射参数和传输参数都非常小。本发明提供的阻抗控制方法，就是要当一块单板的同一层同时有两种阻抗要求时，在不调整层叠结构的基础上控制传输线1的阻抗，达到阻抗匹配的目的。

本发明的方法如图2b所示，是将传输线1(匹配器件的焊盘)垂直方向对应的所有参考平面(平面层和信号层)做挖空处理，所谓挖空处理，就是将焊盘下垂直对应的所有铜皮层去掉，由介质取而代之，使焊盘下垂直方向没有参考平面。例如图2中将GND平面层，POWER平面层，信号层2垂直对应于传输线1的铜皮部分挖掉，而用介质来填充上。此时，传输线1的参考平面不在它的垂直下方，而是在其相邻层的两侧，如图2b所示，传输线1的参考平面是在GND02层画有斜线的铜皮处；相当于焊盘与参考平面的距离由最初的垂直距离变成了斜边，这样就增大了匹配器件的焊盘部分与参考平面的距离。根据公式1，当增大参考平面同信号的距离H时，阻抗会增大；而从图2b可看出，当挖空的宽度W不同时，传输线1与参考平面的距离就不同，因此，传输线1的阻抗值就不同，由此可见，可以通过调整和设置挖空宽度，来控制传输线1的阻抗为任意需求值。由于挖空处理后，传输线1的参考平面没有在它的垂直下方，而是在相邻层(例如图2b所示GND02层)的斜线处，因此无法简单地确认H的值，所以不能简单的套用公式1来求得传输线1的阻抗，而需要在仿真软件中搭建模型，并通过仿真来确定挖空宽度。因此控制传输线阻抗的具体方法为：

A、对所述被控传输线垂直方向对应的所有的信号层和平面层做挖空处理；

B1、根据印制电路板的结构，在仿真软件中建立仿真模型，例如采用三维电磁场仿真软件HFSS(High Frequency Structuresimulation)，在HFSS中进行仿真；

B2、在HFSS仿真模型中将被控传输线的挖空宽度设置成为一变量；

B3、对挖空宽度这一变量进行参数扫描，观察挖空宽度不同时，信号的传输匹配情况，并根据自已定义的目标函数(反射参数或传输参数)来确定挖空宽度为某一具体数值，例如为第一宽度W1；

B4、将传输线垂直方向对应的所有信号层和平面层的挖空宽度设置为第一宽度W1，从而实现传输线的匹配，达到改善信号质量的目的。

下面举一个实例，一个2MM厚度的单板，第一层信号线的宽度是15mils，与第二层参考平面的距离是9mils，阻抗是50欧姆，而位于第一层的匹配器件的焊盘宽度是32mils，由此可见信号线与匹配器件焊盘的阻抗不匹配。根据信号线与匹配器件两者情况在HFSS中搭建模型，并得到信号的反射特性和传输特性，图4a、b为两种情况下的反射特性和传输特性，图4a、b中曲线1和曲线4为第一种情况，即现有技术的反射特性和传输特性，曲线2和3为第二种情况，即采用本发明方法将匹配器件下面所有层挖空(如图5所示)后的反射特性和传输特性。前面已经讲到，反射特性越小越好，传输特性越接近0越好，从图中可见，当信号的工作频率较高时，情况2的传输参数比情况1的传输参数好的多，由此可见挖空匹配器件的焊盘可以改善信号的质量。为了进一步确认具体挖空的大小尺寸，可以在HFSS中将挖空的宽度设置为变量，对挖空宽度进行参数扫描仿真，根据反射特性，来确认挖空的宽度，并将被控传输线垂直方向对应的所有层按照这一挖空宽度进行挖空处理，从而改善信号的质量。图6所示为工作频率在5GHz时，反射特性随修改挖空层的宽度变化的情况，同一个信号在不同频率的反射特性是不同的，需要根据设计需求在软件中设定进行参数扫描的频率。从图6中可以看到当挖空的宽度在50mils左右的时候，表示反射特性的S11就已经满足要求，因此将宽度设置为50mils，再进行仿真，得到如图7a和图7b所示的反射参数和传输参数。

该方法不仅适用于微带线结构，同样适用于带状线结构。对于带状线，同样需要将除走线层(被控传输线层)以外的所有信号层和平面层进行挖空处理。例如一6层板，假设信号在第三层，需要将第三层被控传输线垂直方向对应的1、2、4、5、6的铜皮挖掉，并在HFSS中通过仿真确定挖空宽度。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (3)

1、一种阻抗控制的方法，包括如下步骤：

A、对被控传输线垂直方向对应的所有的信号层和平面层做挖空处理；

B、将所有信号层和平面层挖空的宽度设置为变量，通过调整和设置所述挖空宽度，控制所述被控传输线的阻抗为任意需求值。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的步骤B包括如下步骤：

B1、根据所述被控传输线所在的印制电路板的结构，在仿真软件中建立仿真模型；

B2、在所述仿真模型中，以所述信号层和平面层挖空的宽度为变量进行参数扫描；

B3、根据自定义的目标函数，确定挖空的宽度为第一宽度；

B4、将所述被控传输线垂直方向对应的所有信号层和平面层的挖空宽度设置成所述第一宽度。

3、根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述仿真软件为HFSS。

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