專利名稱：一種阻抗控制的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通信技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及高速印制電路板傳輸線阻抗控制的方法。
背景技術(shù)：
隨著芯片的工作頻率越來越高，信號(hào)的上升時(shí)間越來越快，對(duì)印制電路板的設(shè)計(jì)將是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。在目前單板上，信號(hào)頻率已經(jīng)達(dá)到10Gbps，甚至更高的40Gbps，上升時(shí)間也只有幾十皮秒，如何通過印制電路板實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)，這是需要在印制電路板設(shè)計(jì)的初期就開始考慮的問題。
阻抗控制是高速印制電路板實(shí)現(xiàn)的最基本要求，尤其在高速多層板中，也是在印制電路板設(shè)計(jì)中經(jīng)常使用的一種方法，通常，阻抗控制是通過調(diào)整傳輸線的線寬、與參考平面的距離等因素達(dá)到阻抗控制的目的。以微帶線為例，微帶線是一種位于介質(zhì)材料和空氣之間的傳輸線，它的結(jié)構(gòu)如圖1所示，傳輸線1的上面是空氣，下面是介質(zhì)材料，傳輸線1的簡(jiǎn)化阻抗計(jì)算公式Z0=87ϵγ+1.41In(5.89H0.8W+T)---(1)]]>阻抗Z0通常由以下幾個(gè)因素影響W-信號(hào)的線寬；H-介質(zhì)的厚度(與相鄰參考平面的間距)；T-傳輸線銅的厚度；εγ-介電常數(shù)(介質(zhì)的一種特性)。由公式1可見，通常情況下信號(hào)的線寬W越寬，阻抗越??；介質(zhì)越薄，即H越小，阻抗越??；傳輸線銅厚T越厚，阻抗越小；介電常數(shù)εγ越大，阻抗越小。而單板的成品厚度等于所有介質(zhì)和銅箔的厚度總和。
目前，一種傳統(tǒng)的阻抗控制方法是依據(jù)公式1，通過調(diào)整線寬、信號(hào)線與相鄰參考平面的介質(zhì)厚度、信號(hào)線的銅厚等，來達(dá)到設(shè)計(jì)的需求。而這種傳統(tǒng)的阻抗控制的方法，對(duì)實(shí)際單板的設(shè)計(jì)具有一定的限制，特別當(dāng)由于受多種條件限制，導(dǎo)致設(shè)計(jì)線寬都小于匹配器件的焊盤時(shí)，該阻抗控制方法無法使兩者之間達(dá)到阻抗匹配。
另一種阻抗控制方法是通過采用挖空傳輸線下方的平面層的方式，進(jìn)行阻抗控制，但該種方式的參考平面仍然在傳輸線的正下方。這種阻抗控制方式，由于它的參考平面仍然在傳輸線的正下方，阻抗允許的變化情況與單板的層疊結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)，例如一個(gè)四層單板，傳輸線在TOP層，那傳輸線與參考平面的距離就只能是第一層同第二層的間距、或第一層同第三層的間距、或第一層同第四層的間距。因此采用該阻抗控制方法，阻抗數(shù)值不能連續(xù)的任意選擇確定。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種阻抗控制方法，該方法可以使傳輸線1寬度大于傳輸線2的寬度時(shí)，在不調(diào)整層疊結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，控制傳輸線1的阻抗，保證傳輸線1和傳輸線2的阻抗匹配要求。
本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為一種傳輸線阻抗控制的方法，包括如下步驟A、對(duì)被控傳輸線垂直方向?qū)?yīng)的所有的信號(hào)層和平面層做挖空處理；B、將所有信號(hào)層和平面層挖空的寬度設(shè)置為變量，通過調(diào)整和設(shè)置所述挖空寬度，控制所述被控傳輸線的阻抗為任意需求值。
所述的方法，其中所述的步驟B包括如下步驟
B1、根據(jù)印制電路板的結(jié)構(gòu)，在仿真軟件中建立仿真模型；B2、在所述仿真模型中，以所述被控傳輸線挖空的寬度為變量進(jìn)行參數(shù)掃描；B3、根據(jù)自定義的目標(biāo)函數(shù)，確定挖空的寬度為第一寬度；B3、將所述被控傳輸線垂直方向?qū)?yīng)的所有信號(hào)層和平面層的挖空寬度設(shè)置成所述第一寬度。
所述的方法，其中所述仿真軟件為HFSS。
本發(fā)明的有益效果為采用了本發(fā)明的方法，在多層印制電路板設(shè)計(jì)時(shí)，當(dāng)匹配器件的焊盤的寬度大于信號(hào)走線的寬度時(shí)，在不調(diào)整層疊結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上也可以控制焊盤的阻抗，保證匹配器件與信號(hào)走線的阻抗匹配，改善信號(hào)的傳輸質(zhì)量。這就使單板在不需要增加成本的情況下可以達(dá)到設(shè)計(jì)要求，在實(shí)際中應(yīng)用中具有重要的意義；并且由于方法簡(jiǎn)單，能夠得到廣泛的推廣。


圖1為微帶線的結(jié)構(gòu)；圖2a為常規(guī)的傳輸線側(cè)視圖；圖2b為作了挖空處理的傳輸線側(cè)視圖；圖3為單板層疊結(jié)構(gòu)圖；圖4a為兩種情況下反射特性對(duì)比圖；圖4b為兩種情況下傳輸特性對(duì)比圖；圖5為將匹配器件焊盤下所有層挖空的示意圖；圖6為將挖空寬度為變量的參數(shù)掃描曲線；圖7a和圖7b分別為將挖空寬度設(shè)置為50mils時(shí)的反射參數(shù)和傳輸參數(shù)。
具體實(shí)施例方式
下面根據(jù)附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明
以圖2a、圖2b所示的四層單板為例，所述單板的層疊結(jié)構(gòu)如圖3所示，其第一層為信號(hào)層1，第二層為GND平面層，第三層為POWER平面層，第四層為信號(hào)層2；圖2中畫有斜線的部分是銅皮，其余部分由介質(zhì)構(gòu)成。傳輸線1和傳輸線2都位于單板的第一層，并且傳輸線1的寬度大于傳輸線2的寬度，傳輸線1可以是單線、差分線、器件的焊盤等，我們假設(shè)傳輸線1為匹配器件的焊盤；對(duì)于圖2a所示的現(xiàn)有技術(shù)情況，S1層信號(hào)的參考平面是GND層，根據(jù)公式1可知，由于匹配器件的焊盤和傳輸線2寬度W不同，因此焊盤和傳輸線2的阻抗不同，也就是匹配器件無法與信號(hào)阻抗匹配。兩個(gè)傳輸線之間是否匹配，由信號(hào)的傳輸特性和反射特性來衡量，傳輸特性是指信號(hào)有多少能量可以從一端傳向另一端，傳輸特性是0dB表示能量全部傳到，沒有損耗，因此傳輸參數(shù)是越接近0越好；而反射特性是衡量傳輸?shù)搅硪欢说男盘?hào)又反射回來多少的參數(shù)，反射參數(shù)也是越小越好。當(dāng)一個(gè)鏈路阻抗不匹配，即一段阻抗是50歐姆，一段阻抗是30歐姆時(shí)，信號(hào)會(huì)在鏈路中來回振蕩，信號(hào)能量不能從一端全部傳到另一端；而阻抗匹配時(shí)，就是整個(gè)鏈路各個(gè)位置的阻抗都是50歐姆時(shí)，這樣信號(hào)就會(huì)很流暢的傳送，反射參數(shù)和傳輸參數(shù)都非常小。本發(fā)明提供的阻抗控制方法，就是要當(dāng)一塊單板的同一層同時(shí)有兩種阻抗要求時(shí)，在不調(diào)整層疊結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上控制傳輸線1的阻抗，達(dá)到阻抗匹配的目的。
本發(fā)明的方法如圖2b所示，是將傳輸線1(匹配器件的焊盤)垂直方向?qū)?yīng)的所有參考平面(平面層和信號(hào)層)做挖空處理，所謂挖空處理，就是將焊盤下垂直對(duì)應(yīng)的所有銅皮層去掉，由介質(zhì)取而代之，使焊盤下垂直方向沒有參考平面。例如圖2中將GND平面層，POWER平面層，信號(hào)層2垂直對(duì)應(yīng)于傳輸線1的銅皮部分挖掉，而用介質(zhì)來填充上。此時(shí)，傳輸線1的參考平面不在它的垂直下方，而是在其相鄰層的兩側(cè)，如圖2b所示，傳輸線1的參考平面是在GND02層畫有斜線的銅皮處；相當(dāng)于焊盤與參考平面的距離由最初的垂直距離變成了斜邊，這樣就增大了匹配器件的焊盤部分與參考平面的距離。根據(jù)公式1，當(dāng)增大參考平面同信號(hào)的距離H時(shí)，阻抗會(huì)增大；而從圖2b可看出，當(dāng)挖空的寬度W不同時(shí)，傳輸線1與參考平面的距離就不同，因此，傳輸線1的阻抗值就不同，由此可見，可以通過調(diào)整和設(shè)置挖空寬度，來控制傳輸線1的阻抗為任意需求值。由于挖空處理后，傳輸線1的參考平面沒有在它的垂直下方，而是在相鄰層(例如圖2b所示GND02層)的斜線處，因此無法簡(jiǎn)單地確認(rèn)H的值，所以不能簡(jiǎn)單的套用公式1來求得傳輸線1的阻抗，而需要在仿真軟件中搭建模型，并通過仿真來確定挖空寬度。因此控制傳輸線阻抗的具體方法為A、對(duì)所述被控傳輸線垂直方向?qū)?yīng)的所有的信號(hào)層和平面層做挖空處理；B1、根據(jù)印制電路板的結(jié)構(gòu)，在仿真軟件中建立仿真模型，例如采用三維電磁場(chǎng)仿真軟件HFSS(High Frequency Structuresimulation)，在HFSS中進(jìn)行仿真；B2、在HFSS仿真模型中將被控傳輸線的挖空寬度設(shè)置成為一變量；B3、對(duì)挖空寬度這一變量進(jìn)行參數(shù)掃描，觀察挖空寬度不同時(shí)，信號(hào)的傳輸匹配情況，并根據(jù)自己定義的目標(biāo)函數(shù)(反射參數(shù)或傳輸參數(shù))來確定挖空寬度為某一具體數(shù)值，例如為第一寬度W1；B4、將傳輸線垂直方向?qū)?yīng)的所有信號(hào)層和平面層的挖空寬度設(shè)置為第一寬度W1，從而實(shí)現(xiàn)傳輸線的匹配，達(dá)到改善信號(hào)質(zhì)量的目的。
下面舉一個(gè)實(shí)例，一個(gè)2MM厚度的單板，第一層信號(hào)線的寬度是15mils，與第二層參考平面的距離是9mils，阻抗是50歐姆，而位于第一層的匹配器件的焊盤寬度是32mils，由此可見信號(hào)線與匹配器件焊盤的阻抗不匹配。根據(jù)信號(hào)線與匹配器件兩者情況在HFSS中搭建模型，并得到信號(hào)的反射特性和傳輸特性，圖4a、b為兩種情況下的反射特性和傳輸特性，圖4a、b中曲線1和曲線4為第一種情況，即現(xiàn)有技術(shù)的反射特性和傳輸特性，曲線2和3為第二種情況，即采用本發(fā)明方法將匹配器件下面所有層挖空(如圖5所示)后的反射特性和傳輸特性。前面已經(jīng)講到，反射特性越小越好，傳輸特性越接近0越好，從圖中可見，當(dāng)信號(hào)的工作頻率較高時(shí)，情況2的傳輸參數(shù)比情況1的傳輸參數(shù)好的多，由此可見挖空匹配器件的焊盤可以改善信號(hào)的質(zhì)量。為了進(jìn)一步確認(rèn)具體挖空的大小尺寸，可以在HFSS中將挖空的寬度設(shè)置為變量，對(duì)挖空寬度進(jìn)行參數(shù)掃描仿真，根據(jù)反射特性，來確認(rèn)挖空的寬度，并將被控傳輸線垂直方向?qū)?yīng)的所有層按照這一挖空寬度進(jìn)行挖空處理，從而改善信號(hào)的質(zhì)量。圖6所示為工作頻率在5GHz時(shí)，反射特性隨修改挖空層的寬度變化的情況，同一個(gè)信號(hào)在不同頻率的反射特性是不同的，需要根據(jù)設(shè)計(jì)需求在軟件中設(shè)定進(jìn)行參數(shù)掃描的頻率。從圖6中可以看到當(dāng)挖空的寬度在50mils左右的時(shí)候，表示反射特性的S11就已經(jīng)滿足要求，因此將寬度設(shè)置為50mils，再進(jìn)行仿真，得到如圖7a和圖7b所示的反射參數(shù)和傳輸參數(shù)。
該方法不僅適用于微帶線結(jié)構(gòu)，同樣適用于帶狀線結(jié)構(gòu)。對(duì)于帶狀線，同樣需要將除走線層(被控傳輸線層)以外的所有信號(hào)層和平面層進(jìn)行挖空處理。例如一6層板，假設(shè)信號(hào)在第三層，需要將第三層被控傳輸線垂直方向?qū)?yīng)的1、2、4、5、6的銅皮挖掉，并在HFSS中通過仿真確定挖空寬度。
可以理解的是，對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，可以根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案及其發(fā)明構(gòu)思加以等同替換或改變，而所有這些改變或替換都應(yīng)屬于本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種阻抗控制的方法，包括如下步驟A、對(duì)被控傳輸線垂直方向?qū)?yīng)的所有的信號(hào)層和平面層做挖空處理；B、將所有信號(hào)層和平面層挖空的寬度設(shè)置為變量，通過調(diào)整和設(shè)置所述挖空寬度，控制所述被控傳輸線的阻抗為任意需求值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的步驟B包括如下步驟B1、根據(jù)印制電路板的結(jié)構(gòu)，在仿真軟件中建立仿真模型；B2、在所述仿真模型中，以所述被控傳輸線挖空的寬度為變量進(jìn)行參數(shù)掃描；B3、根據(jù)自定義的目標(biāo)函數(shù)，確定挖空的寬度為第一寬度；B3、將所述被控傳輸線垂直方向?qū)?yīng)的所有信號(hào)層和平面層的挖空寬度設(shè)置成所述第一寬度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于所述仿真軟件為HFSS。
全文摘要
一種阻抗控制的方法，用于通信技術(shù)領(lǐng)域中高速印制電路板傳輸線的阻抗控制，所述方法包括如下步驟A.對(duì)被控傳輸線垂直方向?qū)?yīng)的所有的信號(hào)層和平面層做挖空處理；B.將所有信號(hào)層和平面層挖空的寬度設(shè)置為變量，通過調(diào)整和設(shè)置所述挖空寬度，控制所述被控傳輸線的阻抗為任意需求值。采用了本發(fā)明方法，可以在不調(diào)整層疊結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上控制焊盤的阻抗，保證匹配器件與信號(hào)走線的阻抗匹配，改善信號(hào)的傳輸質(zhì)量。并且該方法簡(jiǎn)單，易于廣泛推廣。
文檔編號(hào)H04B3/04GK1874652SQ20051003503
公開日2006年12月6日 申請(qǐng)日期2005年6月1日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月1日
發(fā)明者唐晟, 劉衛(wèi)東, 何波 申請(qǐng)人:華為技術(shù)有限公司