沒有10年工作經(jīng)驗(yàn)，我猜你都不會(huì)用電磁場(chǎng)來分析高速問題吧？

公眾號(hào) | 高速先生

作者 | 黃剛

臨放假了，就不發(fā)一些很難理解的理論文章了，讓大家看得輕松點(diǎn)。說點(diǎn)什么內(nèi)容來開場(chǎng)呢？隨著高速信號(hào)的速率越來越高，設(shè)計(jì)難度越來越大，對(duì)layout工程師，硬件工程師和我們SI工程師的分析定位問題的能力提出了更高的要求。

我們來分析PCB上的某一條高速鏈路時(shí)，可能有90%的工程師們都會(huì)選擇從S參數(shù)和眼圖兩個(gè)維度去分析，無論是在做仿真還是測(cè)試階段。例如我們看到一條10G信號(hào)鏈路的頻域參數(shù)是這樣的時(shí)候，根據(jù)我們的經(jīng)驗(yàn)會(huì)覺得性能很好。S參數(shù)很線性，眼圖張開度很大，都挺好！

當(dāng)然經(jīng)驗(yàn)也告訴我們，以下這個(gè)鏈路的頻域性能賊差，無論是從眼圖還是S參數(shù)都能夠看到。

但是工作多年的你們有沒有想過這個(gè)問題，就是頻域參數(shù)差，到底對(duì)應(yīng)到PCB鏈路上是哪個(gè)地方的設(shè)計(jì)差呢？為什么這個(gè)設(shè)計(jì)會(huì)很差呢？傳統(tǒng)的教育已經(jīng)深入SI工程師的骨髓了，那就是S參數(shù)嘛，本身就是黑盒子，只是鏈路的收發(fā)端通過端口提取得到參數(shù)性能，可以不用管鏈路由什么結(jié)構(gòu)組成！

但是硬件工程師想知道問題啊，PCB設(shè)計(jì)工程師更想知道問題啊，他們還等著你找出問題，然后告訴他們?cè)趺葱薷腜CB設(shè)計(jì)呢！這個(gè)時(shí)候SI工程師就得打開這個(gè)黑盒子，去看看里面到底是哪個(gè)地方出了問題。尤其是像上面的一個(gè)特定鏈路，遇到一個(gè)很大的諧振尖峰時(shí)，需要你從PCB設(shè)計(jì)上去找到這個(gè)諧振產(chǎn)生的地方和原因，你能做到嗎？

時(shí)域的眼圖只能告訴你張開度怎么樣，頻域S參數(shù)只能看到損耗曲線是不是線性，有沒有諧振，有問題時(shí)他們都很難直觀的告訴你為什么是這樣，是哪里出了問題。因此假設(shè)你已經(jīng)有一定的設(shè)計(jì)和SI的積累后，高速先生今天給大家推薦一個(gè)對(duì)高速信號(hào)很有效的分析方法，通過電磁場(chǎng)分布來分析和定位問題！

我們知道，高速信號(hào)在傳輸過程中，其實(shí)就是以電磁場(chǎng)的形式在信號(hào)路徑和返回路徑之間傳輸，例如以下的一個(gè)簡(jiǎn)單的傳輸線結(jié)構(gòu)。

要是看看返回路徑（也就是你們經(jīng)常說的地平面）位置的電場(chǎng)時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)電場(chǎng)基本上都會(huì)在信號(hào)線的投影范圍傳輸，不會(huì)有太多的電場(chǎng)能量擴(kuò)散到其他位置，也就是我們經(jīng)常說的3H原則。電場(chǎng)被包裹得很好，也就是說明信號(hào)線的參考平面很完整，所以我們知道這條鏈路的性能會(huì)不錯(cuò)。

在簡(jiǎn)單入了門之后，那我們來分析下如果是不完整的參考平面情況下會(huì)怎么樣呢？例如下面的信號(hào)跨分割的設(shè)計(jì)。

如果我們還是把這個(gè)結(jié)構(gòu)當(dāng)做黑盒子的時(shí)候來提取頻域S參數(shù)的時(shí)候，通過3D仿真，能得到這條鏈路的損耗曲線，非常不線性，在某些頻點(diǎn)會(huì)有很大的諧振點(diǎn)。

結(jié)果的確很差，但是只看頻域參數(shù)，你們能分析出它差的原因嗎？在諧振點(diǎn)位置的損耗那么大是為什么呢？那我們拿其中一個(gè)諧振頻點(diǎn)（就第三個(gè)頻點(diǎn)吧，24GHz附近）去看看這個(gè)結(jié)構(gòu)的回流路徑的電場(chǎng)，你就會(huì)有驚人的發(fā)現(xiàn)。

哦?。?！這個(gè)時(shí)候你就能解釋說，原來在這個(gè)頻點(diǎn)的信號(hào)回流沿著分割槽饒了彎路，沒法從跨分割區(qū)域直接跳過去，因此導(dǎo)致很大的回流電感，損耗就變大啦！

另外電場(chǎng)在分析過孔stub到底有什么影響時(shí)，也非常的有用。例如以下這個(gè)有比較長(zhǎng)stub的過孔結(jié)構(gòu)。

從S參數(shù)上，我們當(dāng)時(shí)知道會(huì)出現(xiàn)諧振點(diǎn)，如下所示：

但是不看看電場(chǎng)，你不會(huì)了解這個(gè)在諧振點(diǎn)頻點(diǎn)位置的信號(hào)是怎么走的，一起來看看就知道了。

可以看到，在這個(gè)頻點(diǎn)時(shí)，信號(hào)的電場(chǎng)能量全部都分布在過孔stub這里，仿佛這里才是他要去的地方，而原來右邊過孔換到內(nèi)層出線的路徑，基本上沒有什么能量分布。然后這個(gè)時(shí)候不僅僅是這個(gè)過孔結(jié)構(gòu)的信號(hào)質(zhì)量比較差，往stub走的大部分能量還很容易往空間去擴(kuò)散，形成非常嚴(yán)重的EMI輻射，下圖就是這個(gè)結(jié)構(gòu)在空氣中的電場(chǎng)分布圖。

是不是給很多朋友們開拓了一條分析高速信號(hào)的新道路呢？當(dāng)然上面列舉的例子都還算很簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)。其實(shí)有很多在頻域和時(shí)域有問題，但是又非常難分析和定位問題的結(jié)構(gòu)，如果學(xué)會(huì)了這一招，或多或少都能夠找到原因哈（看個(gè)人使用能力了）。今兒高速先生只是讓大家知道這個(gè)好的招數(shù)和帶大家簡(jiǎn)單的入個(gè)門，大伙如果覺得有用的話就不妨去試試吧！

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年底了，送送積分哈，說說你們對(duì)這個(gè)分析方法的感受和想法吧，覺得好的話就幫忙轉(zhuǎn)發(fā)擴(kuò)散哈！