您好,欢迎来到五一七教育网。
搜索
您的当前位置:首页PCB传输线间串扰抑制方法分析

PCB传输线间串扰抑制方法分析

来源:五一七教育网
第27卷第9期 计算机仿真 2010年9月 文章编号:1006—9348(2010)09—0323—05 PCB传输线间串扰抑制方法分析 杜廷辉,丁君,郭陈江 (西北工业大学电子信息学院,陕西西安710129) 摘要:研究数字电子技术设备中,串扰是印刷电路板(PCB)上电磁兼容的重要内容之一。为了抑制PCB传输线间串扰,提高 系统信号准确性,消除噪音,通常在传输线间插入一列用金属填充的、顶端用微带连接的接地柱线(简称保护带)。由于加有 保护带的传输线系统结构复杂,理论分析比较困难,利用网络级联的方法对加有保护带的传输线建模进行分析。计算分析 结果表明,加入保护带能有效地抑制线间串扰,保护带参数(接地柱间距、半径)的变化对串扰抑制有明显影响。研究对工程 中正确设置保护带以降低串扰提供了必要的参考。 关键词:电磁兼容;串扰;传输线理论;保护带 中图分类号:TM152 文献标识码:B Analysis of Crosstalk Reduction in Transmission Lines on PCBs DU Ting—hui,DING Jun,GUO Chen—jiang (School of Electronic and Information Engineering,Northwestern Polytechnical University,Xi’an Shanxi 710072,China) ABSTRACT:Crosstalk is one of the important EMC problems on PCBs.To reduce the crosstalk between transmission lines,metal filled via holes which were connected by microstrips on the top of via holes and grounded(guard trace) were inserted between the transmission lines,the circuit concept approach for transmission line sections and imped— ,anee modeling for via hole sections are used to simulate the guard trace.The results show the effectiveness of crosstalk suppression,the signiifcantl effects of ugard trace on the crosstalk suppression with parameters(hole spacing,radi— US)changing.The study provides the essential reference for setting up guard trace in order to lower crosstalk in the engineering project. KEYWORDS:EMC;Crosstalk;Transmission line theory;Guard trace 1 引言 杂,理论分析比较困难。本文利用网络级联的方法来分析加 在数字电子技术领域,随着电子设备的高频、高速及小 有保护带的传输线。该方法将加保护带传输线等效为一-系 型化,高密度印刷电路板的设计已成必须。在印刷电路板的 列端口子网络级联,各子网络由传输线部分和接地柱部分组 高密度设计过程中,PCB传输线之间的串扰直接导致了系统 成,传输线部分用传输线理论近似,金属接地柱用阻抗模型 信号完整性和电磁兼容等问题。因此,传输线问的串扰在 近似,求得各子网络传输矩阵,通过传输矩阵将各子网络级 PCB电路设计中不容回避,已经成为电磁兼容的焦点问题之 联得到传输线终端响应。通过对结果分析发现,加入保护带 一O 能有效的抑制线间串扰。同时,保护带参数(接地柱间距、半 目前,在抑制PCB传输线之间串扰问题的研究上,人们 径)变化对传输线问串扰有明显影响。 已提出了很多方法,如:加大信号线间距,地平面尽量完 整…,在耦合传输线间加入保护带等。由于加大信号线间距 2 原理 的方法增加了布线空间,不适合集成度较高的PCB设计;地 多层PCB上的传输线可以用微带线和带状线建模 】, 平面尽量完整的方法,不增加布线空间但是工程上不易实 本文仅针对普通的微带线模型进行分析。将PCB上两条平 现;耦合传输线中间加入保护带的方法不需要增加布线空 行传输线放置在介质板同一面,如图1所示,其中一条线一 间,能够抑制集成度较高的PCB传输线间串扰,但是结构复 端接有信号源,源内阻为Z ,另一端接有负载,阻抗为Z ,称 为发射线;另一条线两端接负载,阻抗分别为R 和R ,称 为受扰线,两条传输线有公共接地平面。传输线线宽为W,线 收稿日期:2009—06—12 间距为s,长度为 ,基板相对介电常数为 ,基板厚度为h。 .--——323...—— 1)传输线周围的电磁场基本结构是横电磁波(TEM)结 构,即空间各点的电场、磁场矢量没有与传输线平行的分量。 2 ^ , 图1 PCB传输线模型 图3 传输线部分示意图 串扰是由相邻两条传输线问电磁耦合产生的互感和互容引 2)线宽w《O.1 ,基板厚度h《0.1 。 图3所示,传输线 起的噪声,当信号通过发射线时,发射线和受扰线间的互电 容,会在受扰线上产生向两端走向的干扰信号;同时,信 号通过发射线时在发射线周围产生一个变化的磁场,这个磁 场与受扰线相交,并在受扰线上感应出一个与信号走向相反 的干扰电流,这两个干扰电流就是从发射线耦合到接收线上 的串扰 J。为阻止受扰线接收干扰信号产生串扰,在传输线 间插人一条保护带,保护带通过一系列金属填充孔与接地平 面相连,实现多点接地,保护带其他参数均与传输线相同,如 图2a所示。保护带能够影响发射线和受扰线问的电场和磁 场,减小两者之间的互感和互容。发射线在保护带上产生干 扰电流,与发射线上的信号电流方向相反。因此保护带在受 扰线上产生的二次干扰电流与发射线在受扰线产生的干扰 电流相互抵消,使受扰线上产生的干扰电流与未设置保护带 时相比减小。虽然保护带能起到抑制串扰的作用,但是如果 保护带设置不合理,保护带在受扰线上产生的二次干扰电流 可能使串扰加剧。 (8)示意图 图2 加保护带耦合PCB传输线模型 本文根据保护带结构的周期性,将加保护带传输线系 统等效为一系列六端口子网络的级联,各子网络由传输线部 分和接地柱部分组成,如图2b所示,传输线部分由多导体传 输线理论求出级联矩阵,金属接地柱用阻抗模型近似,各子 网络通过级联矩阵串联起来,得到传输线的终端响应。 2.1传输线部分的分析方法 根据传输线理论,PCB传输线满足下面两个条件时,传 输线上的电压电流可用多导体传输线方程表示: ...——324...—— 部分电压和线电流满足传输线方程: 杀 =一 (z) (1a) j( )=一 ( ) (16) 其中,电压电流相量分别为 1(2) [芝篓享],c=[曼 甍]cs, (z)=(jto) LC i/( ) (6o) ( )=( ) LC ( ) (66) ( )=T一(iro) LC (z) (8) T(1) LcT=^y =l 0 222 0 l (9) (z)= e + —e (10) ; ; 露 :i ; ! l.1 v;一…… v:l一; . 将式(10)代入式(7)中,得到实际电压的解 =rv.(z) (11) 将式(11)代人式(1a)可得实际电流解 一疑 一 订 图5 接地柱部分等效图 口 2 of,(z) 出(12) 将传输线部分两端电压电流写成矩阵形式 l ^ ^ l 2 2 ^ 式中 。 =^ 3 3 ^ ÷i, (e一 +e ) 。i, (14a) ^ 。 =一÷i, (e一 一e )T (14b) 2。=一— (e一 一e'rd)’, 一 j, (15) 22=÷ (e一 +e'rd)TI1 (16) d为子网络中传输线部分长度。 2.2 接地柱部分分析方法 接地柱的阻抗由电阻r和电感两部分组成 , ⑦◎ =r●【图4 接地柱截面图 1 0 0o。o, 3 接地柱的电阻是频率的函数,随频率的升高,O O 1 j 趋附效应 1●●J 加剧,接地柱导电截面积减小,接地柱截面图如图4所示,阻 抗z 增加,接地柱单位长度电阻可近似为: 屹 = r 6 r●●【 O O O 【r 1 : 》26 O O O 0 0 0 根据金属柱的单位长度电感求得接地柱单位长度分布 电感为, z= h+,v/ ̄2+h2)+ 3 一 )1 (19) 6为金属接地柱的趋附深度, 为接地柱半径,h基板厚度。 由式(15)和式(16)可得接地柱阻抗: Z :(r+jw1)h (20) r为金属接地柱单位长度阻抗,l为等效单位长度电感,h为介 质板厚度。 接地柱半径 与传输线部分长度相比很小,传输线上接地 柱部分两端的电压电流可做如下近似:V = ,V = , V ,: ,, 。=,,,。, = + ,, ,= ,则电压电流用矩阵 形式表示为: (21) , l l ^ ^ , 2 rt2 ^ 2.3 加保护带传输线终端响应 = r●●●●●L将(21)式代入(14)、(15)、(16)、(17)式得子网络端电  O O O 压电流方程的矩阵形式 0 1 0 00 , 00  0 嘲 (22) l0 2, 2 : 同理可以求得其他子网络的端电压电流级联矩阵。将各 级子网络级联,可求得传输线终端电压、电流传输矩阵方程 r●【 l 0 0 O 1 【 O 12:r t12儿 ] (23) m为保护带上接地柱的数量。 将终端条件代入(20)式就可以求得终端电压,电流的 解。 3 计算实例及讨论分析 为了验证耦合传输线线间加入的保护带对串扰抑制的 有效性,以及保护带参数变化对传输线串扰的影响,利用上 面的理论,对PCB加保护带传输线进行了一系列计算。 模型如图2所示,模型参数:线宽w=2.5mm,线长l= 150mm,介质板厚度h:1.4mm,介质板的相对介电常数8,= 4.8,线间距离S=2W=5mm,接地柱半径r =2.5mm微带线 的特征阻抗z。=50Q,两条线的终端分别加载501-1电阻 3.1接地柱间距对串扰的影响 图6给出了固定接地柱半径不变,传输线间串扰随接地 ....——325....——   柱间距的变化频域图。 / ∞q童警蒋爝 fmquency/GHz (a逝端串扰 薯酉 *臻 frcqueucy/GHz ∞々 露5 (b)远端串扰 图6 对比串扰曲线 由图6对比表明,加入保护带后近端和远端串扰都明显 得到了抑制,近端串扰降低了lOdB左右,远端串扰降低了 7dB左右。从图6可以发现,在低频段(f<1GHz),接地柱 间距的变化对近端、远端串扰的影响并不明显,但是随着频 率的升高,在m=3,即△Z=75mm,近端和远端串扰从0. 9GHz左右开始出现谐振,在m:5即△l=37.5mm,串扰从 1.5GHz左右开始出现谐振。经计算发现,接地柱间距约等于 谐振频率的介质波长的1/2,因此保护线的接地柱间距△f由 攻击线上最高工作频率确定且必须满足以下条件。 Al< 0=£《  (24) 为发射线最高工作频率,g 为基底介质的有效相对介电 常数。 3.2接地柱半径对串扰的影响 图7给出了接地柱间距不变,传输线问串扰随保护带接 地柱半径变化频域图。 从图7可以看出,保护带接地柱半径变化对近端串扰有 明显影响,地柱半径越大,近端串扰被衰减越多,但是地柱半 径变化对远端串扰影响不大。 4 结论 以上计算结果验证了保护带对串扰抑制的有效性,研究 了保护带参数(接地柱间距、半径)对串扰响应的影响。通过 326・---—— f | V V f V W y l Frequecy/GHz (a 端干扰 —一 | /. { | | f Froqucey/GHz (b)j霾端干扰 图7 接地柱间干扰曲线 分析仿真结果发现,保护带接地柱间距变化对近端串扰 和远端串扰有明显影响,但是,在接地柱间距与发射线最高 频率波导波长之比大于0.5时,会产生谐振,因此接地柱间 距要小于发射线上波导波长的1/2;仿真进一步证实了增大 接地柱半径有利于降低传输线近端串扰,对远端串扰影响不 明显。因此,在结构允许的情况下,可以适当增大接地柱半 径来降低近端串扰。 综上所述,在PCB设计时,对传输线上串扰进行预测是 合理的,对串扰进行有效的抑制更是必要的。恰当有效地选 取保护带参数,既达到了抑制串扰的目的,又满足了小型化、 高速PCB板设计要求。 参考文献: [1]Mark I Montrose著,刘元安,等译.电磁兼容和印刷电路板 [M].北京:人民邮电出版社,2001. [2]D Poljak.Advanced Modeling in Computational Electromagnetic Compatibility[M].New York:Wiley,2007. [3]C R Pau1.Introduction to Electromagnetic Compatibility[M].New York:Wiley,1992. f 4] c R Pau1.Analysis of Muhieonductor Transmission Lines[M]. New York:Wiley,1994. r 5] C R Paul_A Brief History of Work in Transmission Lines for EMC Applications[J].IEEE Transactions on Electormagnetic Compati’ bility,2007,49(2):237—252. [6]M E Goldfarb,R A Puce1.Modeling Via Hole Grounds in Micros・ trip[J].IEEE Microwave and Guided Wave Letters,1991,1 (6):135—137. 从事电磁兼容、电磁计算、天线设计、智能天线、新型电磁材料特性等 方面的研究。 [7] R Sorrentino,F Alessandri.Full—Wave Modeling of Via Hole Grounds in Microstrip by Three—Dimensional Mode Matching 郭陈江(1963一),男(汉族),陕西人,西北工业大学电子信息学院 教授,博士学位,博士生导师,主要研究方向:电磁兼容、微波测量、微 Technique[J].IEEE Trans.Microwave Theory and Techniques, 波通信、电子对抗、现代天线、射频仿真、电磁目标特性等。 1992,40(10):2228—2234. [作者简介] 杜延辉(1983一),男(汉族),山东人,西北工业大 学电子信息学院硕士研究生,主要从事电磁兼容、电 磁计算等方面的研究。 丁君(1964一),女(汉族),陕西人,西北工业大 学电子信息学院教授,博士学位,博士生导师,主要 (上接第257页) view of computer—aided diagnosis of breast cancer:Toward the detection of subtle signs[J].Journal of the Franklin Institute, 2007.344:312—348 ] 王瑞平,]万柏坤,朱欣,曹旭晨,赵颖.乳腺钼钯x射线影像中  ] 1 ] 微钙化点的检测方法[J].国外医学生物医学工程分册, 2001,24(5):212—217. 云磊,同小军,黄秋鸣.一种基于Top—hat算子的小目标图像 预处理方法[J].中国水运,2007,5(6):l1l—l12. 董妍,高新波,王颖.一种基于Top—hat的乳腺图像中钙化点 的检测方法[J].中国图象图形学报,2006,11(12):1839— 1843. 周德芳,.二维最大熵阈值分割的一种快速递推算法及应 用[J].现代电子技术,2003,24(167):85—87. 姜楠楠,齐敏,郝重阳.一种基于SVM的相关反馈图像检索算 法[J].计算机仿真,2009,26(1). S A Hojjatoleslami.J Kittler.Automatic Detection of Calciifcation in Mammograms[J].Image Processing And Its Applications, 1995,4(5):139~143. Bnjesh Verma.A neural network based techniques to locate and classify microcalciifcations in digital mammograms[J].Neural Net— works Proceedings,IEEE World Congress on Computational Intelli- gence,1998,3:1790—1793. (c)c0bc1检测结果 (f)s 0be1检测结果 Issam El—Naqa,Yongyi Yang,Miles N Wemiek,Nikolas P Ga- latsanos,Robe ̄M Nishikawa.A Suppo ̄Vector Machine Ap— 图4 隐匿性钙化点的检测对比 proaeh for Detection of Microcalciifcations『J].IEEE Transactions On Medical Imaging,2002,21(12):1552—1563. 本文结合Top—hat算子和二维最大熵阈值分割算法,应用 到乳腺x线图像的钙化点检测中,取得了良好效果。事实 [作者简介] 上,由于Top—hat算子和二维最大熵阈值分割算法具有坚 许立腾(1985一),男(汉族),广东汕头人,硕士研 实的理论基础,结合两种方法对图像中的微小目标进行检测 究生,主要研究领域为信号与信息处理。 的算法具有较好的通用性。 徐向民(1972一),男(汉族),广东东莞人,教授,硕 士研究生导师,主要研究领域信号与信息处理。 参考文献: [1]M Rangaraj.Rangayyan,Fabio J Ayres,J E Leo Desautels.A re. .---——327----—— ] 

因篇幅问题不能全部显示,请点此查看更多更全内容

Copyright © 2019- 517ttc.cn 版权所有 赣ICP备2024042791号-8

违法及侵权请联系:TEL:199 18 7713 E-MAIL:2724546146@qq.com

本站由北京市万商天勤律师事务所王兴未律师提供法律服务