CN102012955B - 获取背板连接器针头钻阵列的散射矩阵的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种获取背板连接器针头钻(Pindrill)阵列的散射矩阵的方法和装置，通过在整个背板连接器Pindrill阵列中选取包含足够信息量的最小Pindrill阵列单元，对该最小Pindrill阵列单元进行建模仿真后提取其散射矩阵，再根据Pindrill阵列的结构特征确定整个Pindrill阵列散射矩阵与最小Pindrill阵列单元散射矩阵之间的关系，并拟合出整个Pindrill阵列的散射矩阵。由于Pindrill阵列的散射矩阵是一个由散射参数(S参数)构成的n×n阶矩阵(n为阵列的端口数)，因此通过对各散射参数进行拟合，可以得到整个Pindrill阵列的散射参数，以形成整个Pindrill阵列的散射矩阵。本发明避免了对较大规模的背板连接器Pindrill阵列进行仿真建模，节省了时间，而且提高了仿真效率和精确度，同时，节省了在仿真过程中需要消耗的计算机资源。

Description

获取背板连接器针头钻阵列的散射矩阵的方法和装置

技术领域

本发明涉及电子信息技术领域，尤其涉及对背板连接器性能进行仿真分析时，快速获取背板连接器针头钻(Pindrill)阵列的散射矩阵的方法和装置。

背景技术

随着电子信息技术领域中各系统带宽需求的持续增长，系统中背板的容量也需要扩容，这就对背板连接器的性能有了更高的要求。背板连接器的性能主要体现在其本身的损耗、阻抗、串扰和偏移特性上，通常其性能需要通过仿真进行对比分析。在背板连接器或单板背板连接器上有许多针头钻(Pindrill)阵列，阵列之间存在阻抗和串扰，随着背板或单板容量的增加，Pindrill阵列规模也不断加大，其阻抗和串扰特性也成为信道性能的一个重要瓶颈。为测试不同背板连接器的性能，需要在各种类型的背板连接器上设计Pindrill阵列并进行精确的建模仿真后提取其散射矩阵，才能为背板连接器性能评定提供正确的Pindrill阵列阻抗和串扰等参数，因此，提取Pindrill阵列的散射矩阵成为评定背板连接器性能的关键。

采用传统方法对背板连接器性能进行评定，提取背板连接器Pindrill阵列的散射矩阵的方法是：对整个背板连接器的Pindrill阵列进行建模，并在电磁仿真工具中提取其散射矩阵，这种方法存在以下问题：

由于背板连接器Pindrill阵列规模较大，对整个背板连接器的Pindrill阵列进行建模需要花费大量的时间，建模过程需要设置大量的参数；而且，随着目前背板连接器针脚数目的不断增加，建模需要花费的时间会更多，需要设置的参数也更多，以中等规模的Pindrill阵列仿真为例，通常需要1-2天的仿真时间，在仿真过程中，如果出现错误或参数变化而需要进行更改，必须重头重新仿真，这就需要花费更多的时间，仿真效率低下，同时由于对背板连接器Pindrill阵列进行仿真需要在仿真软件中进行，仿真整个Pindrill阵列也需要消耗大量的计算机资源。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种获取背板连接器针头钻阵列散射矩阵的方法和装置，能够缩短仿真时间，提高仿真效率和精确度，节省计算机资源。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种获取背板连接器针头钻Pindrill阵列的散射矩阵的方法，该方法包括以下步骤：

在背板连接器Pindrill阵列中提取包含足够信息量和足够精确度的阵列结构的最小Pindrill阵列单元；

对获得的最小Pindrill阵列单元进行建模仿真提取其散射矩阵，并根据最小Pindrill阵列单元的散射矩阵拟合背板连接器Pindrill阵列的散射矩阵。

所述提取最小Pindrill阵列单元的方法为：根据所述背板连接器Pindrill阵列的结构分布特点，选取或构造最小Pindrill阵列单元；

所述最小Pindrill阵列单元包含有为拟合所述背板连接器Pindrill阵列所需的散射参数。

所述根据背板连接器Pindrill阵列的结构分布特点，选取或构造的最小Pindrill阵列单元具体包括：所述背板连接器Pindrill阵列中所有类型的端口。

所述散射参数包括：反射系数，信号传输路径上的传输系数，端口之间由串扰引起的不可忽略的传输系数，以及端口之间串扰很小可以忽略的传输系数。

所述根据最小Pindrill阵列单元的散射矩阵拟合背板连接器Pindrill阵列的散射矩阵包括：分别拟合所述散射参数。

所述拟合反射系数为：选取位于背板连接器同一侧的结构相同的端口进行反射系数的拟合。

所述拟合端口之间由串扰引起的不可忽略的传输系数为：

通过所述最小Pindrill阵列单元中具有相同结构的两个端口之间的传输系数进行拟合。

所述拟合端口之间串扰很小可忽略的传输系数为零。

所述拟合信号传输路径上的传输系数为：

根据已拟合出的所述反射系数，端口之间由串扰引起的不可忽略的传输系数确定所述信号传输路径上的传输系数的模的值，散射参数的相位信息由相同Pindrill结构的相位代替。

一种获取背板连接器针头钻阵列的散射矩阵的装置，包括最小Pindrill阵列单元提取模块、建模仿真模块、散射矩阵提取模块，以及拟合模块，其中，

最小Pindrill阵列单元提取模块，用于在整个Pindrill阵列中提取出包含足够信息量和足够精确度的阵列结构的最小Pindrill阵列单元；

建模仿真模块，用于对提取得到的最小Pindrill阵列单元进行建模仿真以获得最小Pindrill阵列单元的散射矩阵；

散射矩阵提取模块，用于对建模仿真模块得到的最小Pindrill阵列单元进行散射矩阵的提取，以获取Pindrill阵列散射阵列；

拟合模块，用于应用散射矩阵提取模块202输出的最小Pindrill阵列单元的散射矩阵拟合出整个Pindrill阵列的散射矩阵。

所述的装置中，所述最小Pindrill阵列单元提取模块，具体用于选取或构造包括所述背板连接器Pindrill阵列中所有类型的端口的最小Pindrill阵列单元。

所述的装置中，所述拟合模块，具体用于：

拟合反射系数；

拟合端口之间由串扰引起的不可忽略的传输系数；

拟合端口之间由串扰引起的可忽略的传输系数为零值；

拟合信号传输路径上的传输系数。

本发明提供的方法，通过在整个背板连接器Pindrill阵列中选取包含足够信息量的最小Pindrill阵列单元，对该最小Pindrill阵列单元进行建模仿真后提取其散射矩阵，再根据Pindrill阵列的结构特征确定整个Pindrill阵列散射矩阵与最小Pindrill阵列单元散射矩阵之间的关系，并拟合出整个Pindrill阵列的散射矩阵。由于Pindrill阵列的散射矩阵是一个由散射参数(S参数)构成的n×n阶矩阵(n为阵列的端口数)，因此通过对各散射参数进行拟合，可以得到整个Pindrill阵列的散射参数，以形成整个Pindrill阵列的散射矩阵。本发明避免了对较大规模的背板连接器Pindrill阵列进行仿真建模，节省了时间，而且提高了仿真效率和精确度，同时，节省了在仿真过程中需要消耗的计算机资源。

附图说明

图1为本发明获取背板连接器Pindrill阵列的散射矩阵的流程图；

图2为本发明获取背板连接器Pindrill阵列的散射矩阵的装置的组成结构示意图；

图3为本发明用于提取散射矩阵的背板连接器Pindrill阵列的实施例的示意图；

图4为本发明从图3所示的背板连接器Pindrill阵列中选取的最小Pindrill阵列单元的实施例的示意图；

图5为本发明获取背板连接器Pindrill阵列的散射矩阵的方法的实施流程图。

具体实施方式

下面结合图1、图3和图4具体说明本发明获取背板连接器Pindrill阵列的散射矩阵的方法。图1为本发明获取背板连接器Pindrill阵列的散射矩阵的流程图，如图1所示，包括以下步骤：

步骤100：在背板连接器Pindrill阵列中提取包含足够信息的最小Pindrill阵列单元。

本步骤中，最小Pindrill阵列单元是根据实际情况下整个Pindrill阵列的结构分布特点，选取或构造的一个结构最小的Pindrill阵列单元。包含有足够信息的结构最小Pindrill阵列单元包括了为拟合整个Pindrill阵列所需要的S参数，其中，S参数分为四类，包括反射系数、信号传输路径上的传输系数、端口之间由串扰引起的不可忽略的传输系数，以及端口之间串扰很小的可以忽略的传输系数。特别地，由于端口之间串扰很小的可以忽略的传输系数可近似为零值而忽略不计，最小的阵列单元包含前三类S参数即可。

其中，判断一个阵列是否含有足够的信息，需要预先分析整个Pindrill阵列中决定电磁场分布的物理结构，包含足够信息量的阵列结构中结构最简单，所需仿真资源最少的阵列可以作为最小阵列单元。同时，最小阵列单元的规模越大，精确度越高，反之精确度越低，因此选取或构造的最小阵列单元包含足够的信息量并具有保证足够精确度的规模。

图3为本发明用于提取散射矩阵的背板连接器Pindrill阵列的实施例的示意图，如图3所示即为需要仿真的Pindrill阵列。图4为本发明从图3所示的背板连接器Pindrill阵列中选取的最小Pindrill阵列单元的实施例的示意图，具体从中获得如图4所示的最小阵列单元的方法为：

首先，分析图3中Pindrill阵列的结构特点，阵列中一共有5类不同的端口，具体为：

(1)第一类，如端口1，对其有影响且不可忽略的端口有其周围的端口3、13和15，与端口1结构相同的有端口37(端口37与端口1结构对称)；

(2)第二类，如端口7，对其有影响且不可忽略的端口有其周围的端口5、17、19以及其下方的接地过孔，与端口7结构相同的有端口3、5、9、11、39、41、43、45和47；

(3)第三类，如端口13，对其有影响且不可忽略的端口有其周围的端口1、3、15、25和27端口，与端口13结构相同的有25端口；

(4)第四类，如端口15，对其有影响且不可忽略的端口有其周围的1、3、13、25、27以及其下方的接地过孔，与端口15结构相同的有端口27；

(5)第五类，如端口17，对其有影响且不可忽略的端口有其周围的端口5、7、19、31、29以及其上方的接地过孔，与端口17结构相同的有端口19、21、23、29、31、33、35。

在确定出不同类型的端口后，选取或者构造具有这5类端口的最小阵列单元。具体的步骤如下：

由图3可知，最小重复阵列单元为端口1、3及端口3下方的接地过孔构成的阵列，如果选取最小重复阵列单元作为最小阵列单元，显然不能包含全部5类端口；如果将最小重复阵列单元横向或纵向重复一次或将最小重复阵列单元重复三次，仍不能包含全部五类端口；当将最小重复阵列单元重复至图4所示结构时，则可包含上述全部五类端口，其中，

端口1对应于第一类端口；

端口3对应于第二类端口；

端口9对应于第三类端口；

端口11对应于第三类端口；

端口13对应于第五类端口。

同样，在不具备重复单元的情况下，仍然可以通过从最简单的结构开始不断增加结构的方法来实现最小阵列单元的构造。

步骤101：对获得的最小Pindrill阵列单元建模仿真，从仿真结果中提取最小Pindrill阵列单元的散射矩阵。

本步骤中，只需对获得的最小Pindrill阵列单元进行建模仿真，而不必对整个Pindrill阵列进行建模仿真。其中，提取散射矩阵的方法为本领域内技术人员常用技术手段，此处不再赘述。

步骤102：根据最小Pindrill阵列单元与整个Pindrill阵列之间的结构特征，拟合出整个Pindrill阵列的散射矩阵。

本步骤中，具体的拟合方法为：整个Pindrill阵列的散射矩阵是一个由散射参数(S参数)构成的n×n阶矩阵(n为阵列的端口数)。其中，S参数分为四类，包括反射系数、信号传输路径上的传输系数、端口之间由串扰引起的不可忽略的传输系数，以及端口之间串扰很小的可以忽略的传输系数。提取出的最小Pindrill阵列单元的散射矩阵也具有这四类参数，通过分别拟合出这四类S参数，可以得到整个Pindrill阵列散射矩阵，其中，

反射系数的拟合通过位于背板连接器同一侧的端口的反射系数来拟合；

端口之间串扰引起的不可忽略的传输系数的拟合，可以通过最小Pindrill阵列单元中具有相同结构的两个端口之间的传输系数来拟合；

由于端口之间串扰引起的可忽略的传输系数在端口间造成的串扰很小，其值趋向于零，端口之间串扰引起的可忽略的传输系数的拟合为：在精度要求范围内可直接使用0值代替；

信号传输路径上的传输系数的拟合为：根据散射矩阵的性质，无源、线性且忽略损耗网络的散射矩阵满足能量守恒定律，即对同一个端口，流入此端口的能量等于从该端口反射以及流到其他所有端口的能量之和。这一特性用数学模型来表述，就是散射矩阵同一列的S参数的模的平方和等于1。因此，根据已拟合得到的S参数(包括上述每个端口的反射系数、端口之间串扰引起的不可忽略的传输系数，以及端口之间串扰引起的可忽略的传输系数)，就可以计算出信号传输路径上的传输系数的模的值，在本数学模型的计算中需要用到S参数的相位信息，该相位信息可以由相同Pindrill结构的相位来代替。相位信息代替的原理为本领域技术人员所熟知，此处不再赘述。

图2为本发明获取背板连接器Pindrill阵列散射矩阵的的装置的组成结构示意图，如图2所示，包括最小Pindrill阵列单元提取模块200、建模仿真模块201、散射矩阵提取模块202和拟合模块203，其中，

最小Pindrill阵列单元提取模块200，用于在整个Pindrill阵列中提取出包含足够信息的最小Pindrill阵列单元。具体用于选取或构造包括所述背板连接器Pindrill阵列中所有类型的端口的最小Pindrill阵列单元。

建模仿真模块201，用于对提取得到的最小Pindrill阵列单元进行建模仿真以获得最小Pindrill阵列单元的散射矩阵。

散射矩阵提取模块202，用于对建模仿真模块得到的最小Pindrill阵列单元进行散射矩阵的提取，以获取Pindrill阵列散射阵列。

拟合模块203，用于应用散射矩阵提取模块202输出的最小Pindrill阵列单元的散射矩阵拟合出整个Pindrill阵列的散射矩阵。具体用于：拟合反射系数；拟合端口之间由串扰引起的不可忽略的传输系数；拟合端口之间由串扰引起的可忽略的传输系数为零值；拟合信号传输路径上的传输系数。

图3为本发明用于提取散射矩阵的背板连接器Pindrill阵列的实施例的示意图，如图3所示，每一对白色过孔可以用作差分过孔，也可以用作单端信号过孔，过孔位置和组合关系是由建模对应的连接器来确定的，但对本发明方法中提取最小Pindrill阵列单元没有影响；黑色过孔代表接地过孔。图3所示仅是背板连接器Pindrill阵列的一种实施例的示意图，实际情况下的背板连接器Pindrill阵列规模可以更大。

图4为本发明从图3所示的背板连接器Pindrill阵列中选取的最小Pindrill阵列单元的实施例的示意图，由前述方法可知，该最小Pindrill阵列单元具有整个Pindrill阵列的五类端口，能够提供足够信息以拟合出图3所示的整个Pindrill阵列。

图5为本发明获取背板连接器Pindrill阵列散射矩阵的流程图，如图5所示，包括以下步骤：

步骤500：分析需要仿真的整个Pindrill阵列的结构特点，选取或者构造最小Pindrill阵列单元。

本步骤中，假设对图3所示的Pindrill阵列的结构特点进行分析，选取或构造最小Pindrill阵列单元，得到如图4所示的最小Pindrill阵列单元。

步骤501：对得到的最小Pindrill阵列单元进行建模仿真，并在三维电磁仿真工具HFSS中进行仿真，提取其散射矩阵。由于最小pindrill阵列单元对规模远小于整个pindrill阵列，对仿真资源的要求也会有很大缩减，所以可以使用精确的三维仿真软件进行仿真，从而保证更精确的仿真结果。

本步骤中建模和仿真的过程，以及对三维电磁仿真工具HFSS的应用属于本领域技术人员惯用技术手段，具体实现这里不再赘述。

步骤502：由于目前整个Pindrill阵列的散射矩阵的S参数可以分为四类，本发明中利用最小Pindrill阵列单元的散射矩阵，分别对四类参数进行拟合。

该四类S参数包括：反射系数，信号传输路径上的传输系数，端口之间由串扰引起的不可忽略的传输系数和端口之间串扰很小可以忽略的传输系数。

其中，

由于每个端口的反射系数主要是由Pindrill本身的阻抗特性决定的，反射系数的拟合通过位于背板连接器同一侧的端口的反射系数来拟合，具体包括：选取位于背板连接器同一侧的结构相同的端口，其反射系数即可用来代替所要拟合端口的反射系数；

由于端口之间串扰引起的不可忽略的传输系数，是由两个端口之间的相对结构位置决定的，端口之间串扰引起的不可忽略的传输系数的拟合，可以通过最小Pindrill阵列单元中具有相同结构的两个端口之间的传输系数来拟合，具体包括：

首先确定散射矩阵的同一行中不可忽略的由串扰引起的S参数，这些S参数的值取决于它所对应的两个端口的相对结构，之后在最小Pindrill阵列单元中找到与这些S参数具有相同结构的两个端口，相应的也就在仿真最小Pindrill阵列单元得到的散射矩阵中找到了对应的S参数，代替所要拟合的S参数。

由于端口之间串扰引起的可忽略的传输系数在端口间造成的串扰很小，其值趋向于零，端口之间串扰引起的可忽略的传输系数的拟合为：在精度要求范围内可直接使用0值代替；

信号传输路径上的传输系数的拟合为：根据散射矩阵的性质，无源、线性且忽略损耗网络的散射矩阵满足能量守恒定律，即对同一个端口，流入此端口的能量等于从该端口反射以及流到其他所有端口的能量之和。这一特性用数学模型来表述，就是散射矩阵同一列的S参数的模的平方和等于1。因此，根据已拟合得到的S参数(包括上述每个端口的反射系数、端口之间串扰引起的不可忽略的传输系数，以及端口之间串扰引起的可忽略的传输系数)，就可以计算出信号传输路径上的传输系数的模的值，在本数学模型的计算中需要用到S参数的相位信息，该相位信息可以由相同Pindrill结构的相位来代替。相位信息代替的原理为本领域技术人员所熟知，此处不再赘述。

步骤503：根据拟合得到的四类S参数构成整个Pindrill阵列的散射矩阵。

本步骤中，根据前面叙述的Pindrill阵列的散射矩阵是一个由散射参数(S参数)构成的n×n阶矩阵(n为阵列的端口数)，在拟合得到了整个Pindrill阵列的四类S参数之后，就可以得到其散射参数。具体实现属于本领域技术人员惯用的技术手段，且不用于限定本发明的保护范围，这里不再赘述。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种获取背板连接器针头钻Pindrill阵列的散射矩阵的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

在背板连接器Pindrill阵列中提取包含足够信息量和足够精确度的阵列结构的最小Pindrill阵列单元，具体是：根据背板连接器Pindrill阵列的结构分布特点，选取或构造包括背板连接器Pindrill阵列中所有类型的端口的最小Pindrill阵列单元；

对获得的最小Pindrill阵列单元进行建模仿真提取其散射矩阵，并根据最小Pindrill阵列单元的散射矩阵拟合背板连接器Pindrill阵列的散射矩阵，背板连接器Pindrill阵列的散射矩阵是由散射参数构成的n×n阶矩阵，n为阵列的端口数；

根据最小Pindrill阵列单元的散射矩阵拟合背板连接器Pindrill阵列的散射矩阵为：最小Pindrill阵列单元包括了为拟合背板连接器Pindrill阵列所需要的散射参数，通过拟合最小Pindrill阵列单元的散射参数，得到背板连接器Pindrill阵列的散射参数，以形成背板连接器Pindrill阵列的散射矩阵。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述散射参数包括：反射系数，信号传输路径上的传输系数，端口之间由串扰引起的不可忽略的传输系数，以及端口之间串扰很小可以忽略的传输系数。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述拟合反射系数为：选取位于背板连接器同一侧的结构相同的端口进行反射系数的拟合。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述拟合端口之间由串扰引起的不可忽略的传输系数为：

通过所述最小Pindrill阵列单元中具有相同结构的两个端口之间的传输系数进行拟合。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述拟合端口之间串扰很小可忽略的传输系数为零。

6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述拟合信号传输路径上的传输系数为：

根据已拟合出的所述反射系数，端口之间由串扰引起的不可忽略的传输系数确定所述信号传输路径上的传输系数的模的值，散射参数的相位信息由相同Pindrill结构的相位代替。

7.一种获取背板连接器针头钻阵列的散射矩阵的装置，其特征在于，包括最小Pindrill阵列单元提取模块、建模仿真模块、散射矩阵提取模块，以及拟合模块，其中，

最小Pindrill阵列单元提取模块，用于在整个Pindrill阵列中提取出包含足够信息量和足够精确度的阵列结构的最小Pindrill阵列单元；具体用于根据整个背板连接器Pindrill阵列的结构分布特点，选取或构造包括整个背板连接器Pindrill阵列中所有类型的端口的最小Pindrill阵列单元；

建模仿真模块，用于对提取得到的最小Pindrill阵列单元进行建模仿真以获得最小Pindrill阵列单元的散射矩阵；

散射矩阵提取模块，用于对建模仿真模块得到的最小Pindrill阵列单元进行散射矩阵的提取，以获取Pindrill阵列散射阵列；

拟合模块，用于应用散射矩阵提取模块输出的最小Pindrill阵列单元的散射矩阵拟合出整个Pindrill阵列的散射矩阵，整个Pindrill阵列的散射矩阵是由散射参数构成的n×n阶矩阵，n为阵列的端口数；

根据最小Pindrill阵列单元的散射矩阵拟合整个Pindrill阵列的散射矩阵为：最小Pindrill阵列单元包括了为拟合整个Pindrill阵列所需要的散射参数，通过拟合最小Pindrill的散射参数，得到整个Pindrill阵列的散射参数，以形成整个Pindrill阵列的散射矩阵。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述拟合模块，具体用于：

拟合反射系数；

拟合端口之间由串扰引起的不可忽略的传输系数；

拟合端口之间由串扰引起的可忽略的传输系数为零值；

拟合信号传输路径上的传输系数。