本發(fā)明涉及一種基于fdtd算法分析接地孔對信號完整性影響方法，屬于服務器pcb電路板技術(shù)領域。

背景技術(shù)：

fdtd以其直接時域計算、廣泛的適用性、節(jié)約存儲空間和計算適合并行計算及計算程序的通用性的特點，正受到越來越廣泛的重視，并逐步應用于實際問題。可以將全波電磁分析的精確性和電路分析的快速性結(jié)合起來，利用fdtd全波電磁方法提取頻變參數(shù)后，轉(zhuǎn)為利用多種電路分析方法對高速互連進行分析。fdtd是一種顯式差分算法，是按時間步進計算電磁場在計算空間內(nèi)的變化規(guī)律，時間步長和空間步長應該遵守一定的規(guī)則，否則會發(fā)生穩(wěn)定性問題。這種不穩(wěn)定性不是由于誤差積累產(chǎn)生的，而是由于人為規(guī)定時間與空間步長破壞了電磁波傳播的因果關(guān)系造成的。因此，為了用導出的差分方程進行穩(wěn)定的計算，就需要合理地選取時間步長與空間步長的關(guān)系。

fdtd正應用于實際問題，用電磁場直接模擬分析高速電路中信號響應和同步開關(guān)噪聲的方法，相比較于以往的等效電路法，無論是計算精度還是應用范圍都有了巨大進步。將多個大型機并行使用并以fdtd方法進行多層pcb的電特性模擬，充分利用fdtd適合并行計算的優(yōu)點，對于多層pcb的電磁計算效率有很大提高。

如今，對si的研究正趨向場路混合建模以及多種數(shù)值算法的協(xié)同配合。可以將全波電磁分析的精確性和電路分析的快速性結(jié)合起來，利用fdtd全波電磁方法提取頻變參數(shù)后，轉(zhuǎn)為利用多種電路分析方法對高速互連進行分析，例如，對復雜電路系統(tǒng)可應用模型降階分析；由于高速板中器件管腳多、布局密度大且約束條件多，布線在一層就可以走通的情況非常少，過孔作為信號的換層手段就顯得必不可少。高速條件下不僅考慮過孔連通性，還應考慮其高頻時的電氣特性、寄生參數(shù)的影響，對于寬頻帶的高速信號，其寄生效應更為復雜。

此時，過孔相當于信號傳輸路徑上的一個不連續(xù)點，會導致信號的反射、衰減等問題。根據(jù)工藝，過孔分為通孔、盲孔、埋孔和微孔。通孔穿過整個線路板，可用于實現(xiàn)內(nèi)部互連或作為元件的安裝定位孔；盲孔、埋孔與微孔有利于提高pcb的密度，主要用于多芯片模塊中，但是制作工藝復雜，成本較通孔高，所以絕大部分pcb均使用通孔。

從過孔的作用來看，除了上文提到的信號過孔，還有地過孔和散熱過孔。本發(fā)明將詳細研究信號通孔的對高速信號的影響，并通過fdtd分析接地過孔對高速信號完整性的改善作用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對上述技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種基于fdtd算法分析接地孔對信號完整性影響方法，其能夠準確的判斷接地孔對信號完整性的影響，極大地的降低pcb換層處與接地孔之間的信號相互影響。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題采取的技術(shù)方案是：基于fdtd算法分析接地孔對信號完整性影響方法，其特征是，將全波電磁分析的精確性和電路分析的快速性進行結(jié)合，利用fdtd全波電磁方法提取頻變參數(shù)后轉(zhuǎn)為利用多種電路分析方法對高速互連進行分析。

進一步地，所述的方法包括以下具體步驟：

步驟s1，根據(jù)高速信號換層處的具體情況將信號換層處分為不同的參考平面；

步驟s2，根據(jù)對信號通孔結(jié)構(gòu)的分析建立等效π模型；

步驟s3，采用fdtd算法對接地孔進行分析；

步驟s4，利用hfss仿真軟件提取的s參數(shù)以及等效π模型的二端口網(wǎng)絡，并計算3ghz范圍內(nèi)的該通孔寄生參數(shù)；

步驟s5，對fdtd計算結(jié)果和hfss仿真結(jié)果進行分析比較；

步驟s6，對有、無地接孔情況下的s參數(shù)以及時域響應繼續(xù)比較，確定接地孔對信號完整性的改善作用。

進一步地，在步驟s1中，根據(jù)高速信號換層處的具體情況將信號換層處分為：(a)信號換層之后的參考層仍然是同一平面、(b)信號換層之后參考相同性質(zhì)的不同平面、(c)信號換層之后參考不同性質(zhì)的平面。

進一步地，在步驟s2中，對信號通孔結(jié)構(gòu)的分析過程為：對于高速信號，過孔會產(chǎn)生寄生電容與寄生電感，寄生電容主要使數(shù)字信號上升沿減慢，尤其對于多次信號躍遷，嚴重降低了電路的速度；寄生電感帶來的危害往往更大，通孔串聯(lián)電感會降低電源旁路電容的有效性，使整個電源供電濾波效果變差；由于通孔結(jié)構(gòu)很小，當信號在通孔上的傳播時延小于邊沿變化率的1/10時，可將其建模為集總元件，即等效π模型。

進一步地，在步驟s3中，采用fdtd算法對接地孔進行分析的具體過程包括以下步驟：

(1)選擇空間步長δx＝δy＝0.2mm，δz＝0.1mm，其層數(shù)分別為lx＝ly＝lz＝10，為準確模擬微帶線結(jié)構(gòu)，微帶線各方向采用局部細分，亞網(wǎng)格空間步長即每次全局fdtd循環(huán)迭代中局部細分的亞網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)電磁場進行五次fdtd迭代，則該結(jié)構(gòu)的計算網(wǎng)格總數(shù)為：nx*ny*nz＝156×172×142，并建立計算模型：信號層與地層厚1.97mil，信號層與參考平面介質(zhì)厚度8mil，平面間厚度40mil，過孔barrel長63.22mil，半徑5mil，pad半徑12mil，antipad半徑12mil，在信號孔周圍均勻放置4個半徑為6mil，間距為35mil的接地孔；

(2)為滿足數(shù)值穩(wěn)定性條件，計算時間步長：

式中，c0為真空中光速；

(3)選擇高斯脈沖為激勵源，其中脈沖時延t0為0，脈沖寬度σ＝128δt＝44.8ps，沿z向建立內(nèi)阻sr＝50ω的標準電壓源；

(4)由于地孔相對于一個過孔，并且這個過孔賦有g(shù)nd屬性，為了便于用maxwell方程分析，所以可以將地孔看做一條平行于高速線的傳輸線，在接地線上以每隔四分之一最高信號頻率分量的波長的距離沿傳輸方向設置接地孔，pcb板的地參考面可靠連接在一起。

進一步地，在步驟s4中，計算得到3ghz范圍內(nèi)的該通孔寄生參數(shù)寄生電容cpad和串聯(lián)電感l(wèi)barrel，寄生電容cpad值在隨頻率變化且低頻段電容值是不可靠的，串聯(lián)電感l(wèi)barrel值在隨頻率變化且低頻段電感值是不可靠的，經(jīng)驗計算值與hfss結(jié)果近似。

進一步地，在步驟s5中，由s參數(shù)計算分析可知過孔直徑、焊盤直徑、反焊盤直徑分別與s21成反比，而與s11成正比。

進一步地，在步驟s6中，如果信號換層之后參考同性質(zhì)的不同平面或不同性質(zhì)的平面，過孔的信號完整性問題就比較嚴重，針對這兩種情況的噪聲抑制措施分別是加接地孔和去耦合電容。

進一步地，在步驟s6中，對有、無地接孔情況下的時域響應進行比較的過程為：在給定一個同樣波形后，通過fdtd算法分別比較有無地孔之后的脈沖響應，無論從上升時間還是延遲時間，有地孔的性能均優(yōu)于無地孔的。

進一步地，對有、無地接孔情況下的s參數(shù)進行比較的過程為：通過運行fdtd算法得到，在tm波以過孔為中心呈圓形的波前面，在s11參數(shù)中，在3gb頻率以內(nèi)，有地孔的信號損耗低于沒有地孔的信號損耗；在s回損參數(shù)中，同樣得到與在s11參數(shù)中相同的結(jié)論。

本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明采用fdtd算法來分析接地孔對信號完整性影響的方法，fdtd以其直接時域計算、廣泛的適用性、節(jié)約存儲空間和計算適合并行計算及計算程序的通用性的特點，正受到越來越廣泛的重視，并逐步應用于實際問題；在pcb實際線路走線時，能夠準確的知道接地孔對信號完整性的影響，極大地的降低了pcb換層處與接地孔之間的信號相互影響，從具體數(shù)字中得到接地孔對信號完整性的影響。

在整個pcb設計中，由于高速信號在高速信號不可避免的要進行換層，本發(fā)明通過在高速信號換層處加入接地孔大大的改善了整個pcb系統(tǒng)的全面性，從而保證了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性，更好的進行了信號之間的在實際運行中高速傳輸狀態(tài)，增強了服務器系統(tǒng)的可靠性。

附圖說明

下面結(jié)合說明書附圖對本發(fā)明進行說明。

圖1為本發(fā)明的方法流程圖；

圖2為信號通孔結(jié)構(gòu)示意圖；其中，圖2(a)為信號換層之后的參考層仍然是同一平面的示意圖，圖2(b)信號換層之后參考相同性質(zhì)的不同平面，圖2(c)信號換層之后參考不同性質(zhì)的平面；圖3為通孔結(jié)構(gòu)的等效電路示意圖；

圖4為過孔寄生電容cpad和寄生電感l(wèi)barrel的示意圖；

圖5為通孔結(jié)構(gòu)反射系數(shù)s11和傳輸系數(shù)s21的示意圖；

圖6為通孔結(jié)構(gòu)的時域響應示意圖；

圖7(a)為增加接地孔后的通孔結(jié)構(gòu)反射系數(shù)s11和傳輸系數(shù)s21示意圖；

圖7(b)為增加接地孔后的通孔結(jié)構(gòu)的時域響應示意圖。

具體實施方式

為能清楚說明本方案的技術(shù)特點，下面通過具體實施方式，并結(jié)合其附圖，對本發(fā)明進行詳細闡述。下文的公開提供了許多不同的實施例或例子用來實現(xiàn)本發(fā)明的不同結(jié)構(gòu)。為了簡化本發(fā)明的公開，下文中對特定例子的部件和設置進行描述。此外，本發(fā)明可以在不同例子中重復參考數(shù)字和/或字母。這種重復是為了簡化和清楚的目的，其本身不指示所討論各種實施例和/或設置之間的關(guān)系。應當注意，在附圖中所圖示的部件不一定按比例繪制。本發(fā)明省略了對公知組件和處理技術(shù)及工藝的描述以避免不必要地限制本發(fā)明。

本發(fā)明的一種基于fdtd算法分析接地孔對信號完整性影響方法，它將全波電磁分析的精確性和電路分析的快速性進行結(jié)合，利用fdtd全波電磁方法提取頻變參數(shù)后轉(zhuǎn)為利用多種電路分析方法對高速互連進行分析。

如圖1所示，本發(fā)明基于fdtd算法分析接地孔對信號完整性影響方法包括以下具體步驟：

步驟s1，根據(jù)高速信號換層處的具體情況將信號換層處分為不同的參考平面；根據(jù)高速信號換層處的具體情況將信號換層處分為：(a)信號換層之后的參考層仍然是同一平面、(b)信號換層之后參考相同性質(zhì)的不同平面、(c)信號換層之后參考不同性質(zhì)的平面。

步驟s2，根據(jù)對信號通孔結(jié)構(gòu)的分析建立等效π模型；對信號通孔結(jié)構(gòu)的分析過程為：對于高速信號，過孔會產(chǎn)生寄生電容與寄生電感，寄生電容主要使數(shù)字信號上升沿減慢，尤其對于多次信號躍遷，嚴重降低了電路的速度；寄生電感帶來的危害往往更大，通孔串聯(lián)電感會降低電源旁路電容的有效性，使整個電源供電濾波效果變差；由于通孔結(jié)構(gòu)很小，當信號在通孔上的傳播時延小于邊沿變化率的1/10時，可將其建模為集總元件，即等效π模型。

步驟s3，采用fdtd算法對接地孔進行分析；穩(wěn)定性判斷fdtd是一種顯式差分算法，是按時間步進計算電磁場在計算空間內(nèi)的變化規(guī)律，時間步長和空間步長應該遵守一定的規(guī)則，否則會發(fā)生穩(wěn)定性問題。這種不穩(wěn)定性不是由于誤差積累產(chǎn)生的，而是由于人為規(guī)定時間與空間步長破壞了電磁波傳播的因果關(guān)系造成的。因此，為了用導出的差分方程進行穩(wěn)定的計算，就需要合理地選取時間步長與空間步長的關(guān)系。采用fdtd算法對接地孔進行分析的具體過程包括以下步驟：

(1)選擇空間步長δx＝δy＝0.2mm，δz＝0.1mm，其層數(shù)分別為lx＝ly＝lz＝10，為準確模擬微帶線結(jié)構(gòu)，微帶線各方向采用局部細分，亞網(wǎng)格空間步長即每次全局fdtd循環(huán)迭代中局部細分的亞網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)電磁場進行五次fdtd迭代，則該結(jié)構(gòu)的計算網(wǎng)格總數(shù)為：nx*ny*nz＝156×172×142，并建立計算模型：信號層與地層厚1.97mil，信號層與參考平面介質(zhì)厚度8mil，平面間厚度40mil，過孔barrel長63.22mil，半徑5mil，pad半徑12mil，antipad半徑12mil，在信號孔周圍均勻放置4個半徑為6mil，間距為35mil的接地孔；

(2)為滿足數(shù)值穩(wěn)定性條件，計算時間步長：

式中，c0為真空中光速；

(3)選擇高斯脈沖為激勵源，其中脈沖時延t0為0，脈沖寬度σ＝128δt＝44.8ps，沿z向建立內(nèi)阻sr＝50ω的標準電壓源；

(4)由于地孔相對于一個過孔，并且這個過孔賦有g(shù)nd屬性，為了便于用maxwell方程分析，所以可以將地孔看做一條平行于高速線的傳輸線，在接地線上以每隔四分之一最高信號頻率分量的波長的距離沿傳輸方向設置接地孔，pcb板的地參考面可靠連接在一起。

步驟s4，利用hfss仿真軟件提取的s參數(shù)以及等效π模型的二端口網(wǎng)絡，并計算3ghz范圍內(nèi)的該通孔寄生參數(shù)；計算得到3ghz范圍內(nèi)的該通孔寄生參數(shù)寄生電容cpad和串聯(lián)電感l(wèi)barrel，寄生電容cpad值在隨頻率變化且低頻段電容值是不可靠的，串聯(lián)電感l(wèi)barrel值在隨頻率變化且低頻段電感值是不可靠的，經(jīng)驗計算值與hfss結(jié)果近似。

步驟s5，對fdtd計算結(jié)果和hfss仿真結(jié)果進行分析比較；由s參數(shù)計算分析可知過孔直徑、焊盤直徑、反焊盤直徑分別與s21成反比，而與s11成正比。

步驟s6，對有、無地接孔情況下的s參數(shù)以及時域響應繼續(xù)比較，確定接地孔對信號完整性的改善作用。如果信號換層之后參考同性質(zhì)的不同平面或不同性質(zhì)的平面，過孔的信號完整性問題就比較嚴重，針對這兩種情況的噪聲抑制措施分別是加接地孔和去耦合電容。對有、無地接孔情況下的時域響應進行比較的過程為：在給定一個同樣波形后，通過fdtd算法分別比較有無地孔之后的脈沖響應，無論從上升時間還是延遲時間，有地孔的性能均優(yōu)于無地孔的。對有、無地接孔情況下的s參數(shù)進行比較的過程為：通過運行fdtd算法得到，在tm波以過孔為中心呈圓形的波前面，在s11參數(shù)中，在3gb頻率以內(nèi)，有地孔的信號損耗低于沒有地孔的信號損耗；在s回損參數(shù)中，同樣得到與在s11參數(shù)中相同的結(jié)論。

本發(fā)明采用的fdtd算法以其直接時域計算、廣泛的適用性、節(jié)約存儲空間和計算適合并行計算及計算程序的通用性的特點，正受到越來越廣泛的重視，并逐步應用于實際問題。

它可以將全波電磁分析的精確性和電路分析的快速性結(jié)合起來，利用fdtd全波電磁方法提取頻變參數(shù)后，轉(zhuǎn)為利用多種電路分析方法對高速互連進行分析。fdtd是一種顯式差分算法，是按時間步進計算電磁場在計算空間內(nèi)的變化規(guī)律，時間步長和空間步長應該遵守一定的規(guī)則，否則會發(fā)生穩(wěn)定性問題。

這種不穩(wěn)定性不是由于誤差積累產(chǎn)生的，而是由于人為規(guī)定時間與空間步長破壞了電磁波傳播的因果關(guān)系造成的。因此，為了用導出的差分方程進行穩(wěn)定的計算，就需要合理地選取時間步長與空間步長的關(guān)系。

如圖2所示，對于高速信號，過孔會產(chǎn)生寄生電容與寄生電感，寄生電容主要使數(shù)字信號上升沿減慢，尤其對于多次信號躍遷，嚴重降低了電路的速度；寄生電感帶來的危害往往更大，通孔串聯(lián)電感會降低電源旁路電容的有效性，使整個電源供電濾波效果變差。

如圖3所示，由于通孔結(jié)構(gòu)很小，當信號在通孔上的傳播時延小于邊沿變化率的1/10時，可將其建模為集總元件，即等效π模型。

如圖4所示，利用hfss提取的s參數(shù)以及等效π模型的二端口網(wǎng)絡，計算得到3ghz范圍內(nèi)的該通孔寄生參數(shù)，cpad值在0.45--0.48pf之間隨頻率變化且低頻段電容值是不可靠的，lbarrel在1.25--1.40nh之間隨頻率變化，經(jīng)驗計算值與hfss結(jié)果近似。

事實上寄生參數(shù)是隨頻率變化的，當頻帶較寬或信號參考面較復雜時，經(jīng)驗公式就不太可靠了，因此利用fdtd方法研究信號通孔的特性。

如圖5所示，顯然fdtd計算結(jié)果和hfss仿真結(jié)果極為吻合，而experientialspice是利用電路方法構(gòu)造vna來分析經(jīng)驗公式計算出的等效π模型，得到的有較大偏差，主要是寄生參數(shù)的近似引起的。由進一步s參數(shù)計算分析可知過孔直徑、焊盤直徑、反焊盤直徑分別與s21成反比，而與s11成正比。

如圖6所示為通孔結(jié)構(gòu)的時域響應，給定一個占空比為50％，周期為2ns，與tr和tf為0.1ns的脈沖信號，圖6中inputsignaltdr表明該通孔引起的不連續(xù)性使高速信號發(fā)生反射與時延，特別是信號邊沿上的幅值衰減達到了70mv，這是由于通孔的寄生電感引起了過量反射噪聲。

另外，從通孔模型來看，寄生電感兩側(cè)各有一個寄生電容，使得感性突變轉(zhuǎn)變?yōu)閭鬏斁€。本算例中通孔的特性阻抗為48.71ω，接近兩端的微帶線特性阻抗50ω，因此outputsignal噪聲不是很嚴重(10mv左右)，主要還是時延(大約32ps)。

如圖7所示，在給定一個同樣波形后，通過fdtd算法分別比較有無地孔之后的脈沖響應，可以看到無論從上升時間還是延遲時間，有地孔的性能均優(yōu)于無地孔的。通過運行fdtd算法以后可以得到，在tm波以過孔為中心呈圓形的波前面，在s11參數(shù)中，可以看出，在3gb頻率以內(nèi)，有地孔的信號損耗低于沒有地孔的信號損耗。在s回損參數(shù)中，同樣可以得到相同的結(jié)論。在合理放置接地孔之后，在整個寬頻帶上回損顯著減小，插損接近于1，實際信號衰減從50mv左右改善到與輸入信號一致，并改善了上升時間，縮短了信號時延。另外，當高速信號經(jīng)過通孔穿越電源和地層時，一般會在過孔處感應出電流，這些過孔中的感應電流將會在金屬層之間產(chǎn)生電磁波傳播，從而由過孔處激勵起寄生的平板波導模式。平板波導模以過孔為中心呈圓形的波前面，迅速地向四周傳播開來，并且完全改變了波阻抗的性質(zhì)，場強度幅值隨之衰減。由于pcb板的尺寸有限，這種平面波傳播到pcb板的介質(zhì)邊緣時會終止其傳輸，其中部分能量被反射回來形成諧振，另一部分能量會輻射到空間中。

與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明具有以下特點：

1)、提出fdtd算法在接地孔的研究：fdtd以其直接時域計算、廣泛的適用性、節(jié)約存儲空間和計算適合并行計算及計算程序的通用性的特點，正受到越來越廣泛的重視，而本發(fā)明就是應用于接地孔的研究；

2)、提出過孔寄生電容和寄生電感隨頻率變化的情況，可以快速得到過孔寄生電容和寄生電感的具體數(shù)值；

3)、通過在高速信號換層處的fdtd計算結(jié)果和hfss仿真結(jié)果對比，兩者極其吻合，并且快速地可以查看s參數(shù)值以及時域響應；

4)、通過在高速信號換層處添加接地孔以后的fdtd計算結(jié)果和hfss仿真結(jié)果對比，在基于fdtd的情況下，可以十分清楚的看到接地孔對信號完整性的促進作用。

以上所述只是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，對于本技術(shù)領域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也被視為本發(fā)明的保護范圍。