Strategien zum Design von Nebensprechen zwischen zwei parallelen Mikrostreifenleitungen auf PCB basierend auf der Simulationsanalyse

Übersprechtheorie

Basierend auf der elektromagnetischen Theorie bezeichnet Übersprechen die elektromagnetische Entkopplung zwischen zwei Signalleitungen. Es ist eine Art von Rauschen, das durch gegenseitige Kapazität und gegenseitige Impedanz zwischen Signalleitungen verursacht wird.

In Abbildung 1 hat von den zwei parallelen Leitungen eine Leitung eine Signalquelle (V_S ) und Innenwiderstand (Z_OG ) an einem Ende der Leitung und der Lastimpedanz (Z_LG ) auf der anderen Seite und bildet eine geschlossene Schleife durch den Boden. Die andere Leitung hat nur Widerstand (Z_OR und Z_LR ) mit einer Struktur aus einem einzelnen Draht zum Boden. In dieser Abbildung wird die Leitung mit der Signalquelle als Sendeleitung oder Interferenzleitung bezeichnet, während die andere Leitung als Empfangsleitung oder Interferenzleitung bezeichnet wird.

Wenn das Treibersignal (1) die Sendeleitung passiert, wird ein Interferenzsignal mit entgegengesetzten Richtungen infolge der parasitären Kapazität zwischen Sendeleitung und Empfangsleitung erzeugt. Währenddessen erzeugt das Ansteuersignal beim Passieren der Sendeleitung ein sich änderndes Magnetfeld, das einen Interferenzstrom mit einer entgegengesetzten Richtung zum Ansteuersignal induziert, nachdem es die Empfangsleitung gekreuzt hat. Die Störströme (2) und (3) werden durch das Ansteuersignal von der Sendeleitung auf die Empfangsleitung signalsignalentkoppelt. So entsteht Übersprechen.

Übersprechen kann basierend auf unterschiedlichen Ursachen in kapazitives Übersprechen und induktives Übersprechen klassifiziert werden. Kapazitives Übersprechen bezieht sich auf die entkoppelte Spannung, die durch gegenseitige entkoppelte Kapazität erzeugt wird, während sich induktives Übersprechen auf den entkoppelten Strom bezieht, der durch gegenseitige entkoppelte Induktivität erzeugt wird.

Basierend auf den Orten, an denen Nebensprechen stattfindet, kann Nebensprechen in Nahnebensprechen und Fernnebensprechen klassifiziert werden. In Abbildung 1 ist Nahnebensprechen das Interferenzsignal, das durch das Treibersignal (1) am nahen Ende der Empfangsleitung erzeugt wird, wobei kapazitives Übersprechen (3) und induktives Übersprechen (2) hinzugefügt werden. Fernnebensprechen ist das Interferenzsignal, das durch das Ansteuersignal (1) am entfernten Ende der Empfangsleitung erzeugt wird und umgekehrt kapazitives Übersprechen (3) und induktives Übersprechen (2) hinzufügt.

Aufgrund der elektromagnetischen Entkopplung wird zwischen zwei Leitungen Übersprechen erzeugt. Die Analyse des Übersprechens dient dazu, die Störspannung von der Treibersignalinduktivität zu beiden Seiten der Empfangsleitung mit dem bereitgestellten Treibersignal zu berechnen. V_R (0) wird als Störspannung auf der Empfangsleitung eingestellt, wenn X gleich 0 ist, während V _{R ist} (L) ist die Störspannung auf der Empfangsleitung, wenn X gleich L ist. Dann erhält man zwei Formeln:

Das Simulationsmodell der Nebensprechanalyse zwischen zwei parallelen Mikrostreifenleitungen

In diesem Artikel hat die im Simulationsmodell verwendete Leiterplatte eine Größe von 20 x 60 mm (Breite x Länge) mit epoxidbeschichteter Glasfaser FR-4 als Substratmaterial, deren Dielektrizitätskonstante 4,7 beträgt. Abbildung 2 zeigt die Schnittansicht des Simulationsmodells.

In Fig. 2 ist die obere Schicht eine Verdrahtungsebene (Mikrostreifenleitungsebene), während die untere Schicht eine Bildebene ist. Die Mikrostreifenleitung ist ein idealer Leiter, während die Bildebene eine ideale leitende Ebene ist. Die Parameter von zwei parallelen Mikrostreifenleitungen können wie folgt eingestellt werden:L =40 mm, B =0,5 mm, H =0,3 mm. Nach der Formel der charakteristischen Impedanz der Mikrostreifenleitung ( ), beträgt die charakteristische Impedanz der Mikrostreifenleitung 50 Ω.

Hinweis:0,38 mm

In Abbildung 3 ist der erste Anschluss (P1) der Emissionsleitung der Störquellenanschluss. Jeder Port der Sendeleitung und der Empfangsleitung ist durch die charakteristische Impedanz (50 Ω) verbunden, sodass das Übersprechsignal absorbiert wird, wenn es das nahe Ende und das ferne Ende der Empfangsleitung erreicht, und nicht zurückkehrt, um das Übersprechen zu beeinflussen. Dadurch bilden zwei Mikrostreifenleitungen ein 4-Tor-Netzwerk, dessen Parameter S13 bzw. S14 berechnet werden können:, .

TR₀ bezieht sich auf das Übersprechen der Sendeleitung zum nahen Ende der Empfangsleitung, während TR_L bezieht sich auf das Übersprechen der Sendeleitung zum fernen Ende der Empfangsleitung.

Simulationsergebnis und Diskussion

• Übersprechintensität bei Frequenzänderung

Gewöhnliche Signale sind das Ergebnis der Addition von Sinuswellen mit unterschiedlichen Frequenzen und Bereichen, daher ist es sinnvoll zu untersuchen, wie sich das Übersprechen zweier Mikrostreifenleitungen mit der Frequenz einer einzelnen Sinuswelle ändert.

Um die Regeln besser widerzuspiegeln, wird Abbildung 4 mit einem Verdrahtungsabstand (D) mit Werten von 1 mm und 3 mm erhalten und zeigt, wie sich das Übersprechen mit der Frequenz ändert.

Daraus kann geschlossen werden, dass im Niederfrequenzbereich die Intensität des Übersprechens eine lineare Beziehung zur Signalfrequenz hat, unabhängig vom Fernnebensprechen oder Nahnebensprechen. Im hochfrequenten Bereich, Nahnebensprechen (S₁₃ ) zeigt die starke periodische Vibration mit zunehmender Frequenz, während sich das Fernnebensprechen entgegengesetzt verhält. Dies beruht hauptsächlich auf den unterschiedlichen Abständen zwischen kapazitivem Übersprechen und nahem/fernem Ende, zwischen induktivem Übersprechen und nahem/fernem Ende. Im niederfrequenten Bereich sind die Phasen von diesen beiden Übersprecharten und Ports meist gleich und die relativen Phasen des integrierten Signals haben wenig Einfluss auf das Ausmaß. Im Hochfrequenzbereich haben die Phasen jedoch bei unterschiedlichen Frequenzen große Differenzen von diesen beiden Arten von Übersprechsignalen und Ports, wenn sich das Ausmaß dieser beiden Arten von integrierten Interferenzsignalen periodisch mit der Phasenänderung ändert, was zu führt die offensichtlich periodische Schwingung des Ausmaßes nach Frequenz.

• Nebensprechintensität bei Änderung des Leitungsabstands

Bei einem Verdrahtungsabstand (L) von 40 mm, einer Substratdicke (H) von 0,3 mm und einer Signalfrequenz von 2 GHz und 5 GHz ist das Simulationsergebnis der Übersprechintensität bei Änderung des Verdrahtungsabstands in Abbildung 5 dargestellt.

In dieser Figur nehmen sowohl das Nahnebensprechen als auch das Fernnebensprechen ab, wenn der Verdrahtungsabstand größer wird. Wenn der Verdrahtungsabstand von 1 mm an zuzunehmen beginnt, nimmt das Nebensprechen schnell ab, aber mit zunehmendem Abstand wird die Abnahme des Nebensprechens langsam. Wenn der Abstand größer als das Dreifache der Breite ist, kann das Übersprechen zwischen Leitungen offensichtlich nicht durch Vergrößern des Abstands zwischen Leitungen verbessert werden. Dies liegt daran, dass, wenn zwei Mikrostreifenleitungen zu nahe kommen, sowohl die gegenseitige Kapazität als auch die Induktivität so deutlich werden, dass das Übersprechen erheblich ansteigt.

• Nebensprechintensität bei Änderung der Leitungslänge

Bei einem Verdrahtungsabstand (D) von 2,0 mm, einer Substratdicke (H) von 0,3 mm und einer Signalfrequenz von 1 GHz und 5 GHz ist das simulierte Ergebnis der Übersprechintensität bei Längenänderung in Abbildung 6 dargestellt.

Gemäß Fig. 6 nimmt bei einer Signalfrequenz von 1 GHz die Intensität sowohl des Nahnebensprechens als auch des Fernnebensprechens mit der Verlängerung der Parallellänge zu. Wenn die Signalfrequenz 5 GHz erreicht, nimmt die Intensität des Nahnebensprechens mit der Verlängerung der Parallellänge zu und die Intensität des Fernnebensprechens vibriert mit der Verlängerung der Parallellänge. Dies liegt daran, dass die elektrische Länge der Verkabelung bei der Frequenz von 5 GHz größer ist als bei der Frequenz von 1 GHz und die Phasen des kapazitiven Übersprechens und des induktiven Übersprechens am Anschluss am fernen Ende im Wesentlichen unterschiedlich sind.

• Intensität des Übersprechens mit der Änderung des Abstands zwischen Mikrostreifenleitung und Bildebene

Um die charakteristische Impedanz der Mikrostreifenleitung bei 50 Ω zu halten, muss der Wert von W/H auf 1,82 gehalten werden. Daher wird im Simulationsmodell das Verhältnis zwischen Linienbreite und Höhe der Bildebene ebenfalls auf 1,82 gehalten.

a. Wenn die Verdrahtungslänge (L) 40 mm beträgt, der Abstand zwischen den beiden Linien und ihren Rändern 1,0 mm beträgt und die Signalfrequenz 2 GHz und 5 GHz beträgt, ist die Intensität des Übersprechens mit der Änderung der Dicke der Bildebene in Abbildung 7 dargestellt.

Gemäß Abbildung 7 nimmt die Intensität des Übersprechens mit zunehmender Entfernung zu, insbesondere wenn der Abstand im Bereich von 0 bis 0,4 mm liegt, steigt die Intensität des Übersprechens so schnell an und die Geschwindigkeit neigt dazu, sich mit der kontinuierlichen Verlängerung der Höhe zu verlangsamen . Wenn H mehr als 0,5 mm beträgt, bleibt die Übersprechintensität im Wesentlichen ruhig. Dies liegt daran, dass, wenn die Mikrostreifenleitung zu nahe an der Bildebene liegt, die Entkopplung zwischen Verdrahtung und Bildebene so integriert wird, während die Entkopplung zwischen Verdrahtung so gering ist. Wenn der Abstand zwischen der Mikrostreifenleitung und der Bildebene zunimmt, wird die Entkopplung zwischen Verdrahtung und Bildebene schwach, während die Entkopplung zwischen Verdrahtung ansteigt. Mit zunehmendem Abstand zwischen Mikrostreifenleitung und Bildebene ist jedoch die Entkopplung zwischen Verdrahtung und Bildebene so schwach geworden, dass sie wenig Einfluss auf die Entkopplung zwischen Verdrahtung hat. Basierend auf der obigen Analyse sollte der Abstand zwischen Übertragungsleitung und Bildebene so weit wie möglich verkleinert werden, um das Übersprechen besser zu verringern.

b. Wenn die Verdrahtungslänge (L) 40 mm beträgt, der Abstand zwischen den Linien das Zweifache der Linienbreite und die Signalfrequenz 2 GHz und 5 GHz beträgt, ist die Intensität des Übersprechens mit der Änderung der Dicke der Bildebene in Abbildung 8 dargestellt.

Gemäß Abbildung 8 ändert sich die Intensität des Übersprechens wenig mit dem Abstand zwischen zwei Linien, der ein Vielfaches der Linienbreite ist.

Aufgrund des Vergleichs zwischen den beiden Umständen kann geschlossen werden, dass mit der Vergrößerung des Abstands zwischen Mikrostreifenleitung und Bildebene, wenn der Abstand zwischen den Linien unverändert bleibt, die Intensität des Übersprechens vergrößert wird und wenn der Abstand das stabile Vielfache ist der Linienbreite bleibt die Intensität des Übersprechens nahezu unverändert.

Strategien des PCB-Designs

Entsprechend dem obigen Analyseergebnis werden unten einige Strategien angezeigt, um das Übersprechen zwischen Übertragungsleitungen zu verringern:
a. Für Hochgeschwindigkeits-Digital-PCBs sollten Komponenten verwendet werden, deren Taktanstiegsflanken- und Abfallflankengeschwindigkeit relativ langsam ist, damit die Signalfrequenz verringert werden kann.
b. Eine parallele Anordnung über große Entfernungen sollte vermieden werden.
c. Der Abstand zwischen zwei Linien soll vergrößert werden.
d. Es sollte ein mehrschichtiges PCB-Design verwendet werden, damit die Höhe zwischen Übertragungsleitung und Bildebene verringert werden kann. Wenn Leiterplatten mit höherer Bildebene verwendet werden müssen, sollte der Abstand zwischen den Übertragungsleitungen vergrößert werden.

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