连接器信号完整性仿真教程 七

       本将介绍微带线及差分微带线仿真。做连接器信号完整性仿真时，有时后没法将激励端口直接设置到连接器端子上，这就需画出连接器PCB PAD，将激励端口设置在PAD的端面上，或者用引线连接PAD，将引线引出到适当的位置，再在引线端设置激励端口。通常把SMT PAD及引出线当作微带线来处理。在连接器信号完整性仿真教程六中，已经讲过什么是微带线。在做连接器信号完整性仿真时，这个微带线不是随便画画就可以的，必须做到阻抗匹配。如果你的连接器设计目标特性阻抗是50欧姆，那么用于设置端口的微带线也应是50欧；如果你的连接器设计目标差分阻抗是85欧姆，那么用于设置端口的差分微带线特性阻抗也应该是85欧姆。如何知道自己画的微带线特性阻抗是否是自己需要的呢，一是用计算工具计算，第二就是仿真。常用的计算工具计算结果并不十分准确。最好的办法是先用计算工具计算个大概，然后再进行仿真，将微带线调整到阻抗完美匹配。下面介绍常用微带阻抗计算工具及微带线及微带差分线仿真操作。

    一 微带阻抗计算工具

    首先介绍一款在线计算工具。可能是职业关系，我比较喜欢访问EDA365电子论坛网站，也比较喜欢EDA365电子论坛网站上EDA工具箱中的微带阻抗及差分微带阻抗计算工具，常用它做阻抗粗略计算。其微带阻抗计算的界面如下：

 其差分微带阻抗计算工具的界面如下：

       最常用的微带线阻抗计算离线工具为Txline，其绿色版很小，1MB多点，如下：

 是免安装的，解压后就三个文件，如下：

 双击txline.exe即可运行，可以将xline.exe快捷键发送到桌面，方便使用。

       Txline的运行界面如下：

从其界面内容可以看出其功能是相当强大的。

       二 微带线仿真

       除仿真夹具中会用到微带线，其实 高频连接器信号完整性测试PCB中，连接器锡脚与SMA接头连接的走线绝大部分也是微带线，这个高频测试板，是很贵的，如果画出来的板不做仿真，做出来才发现阻抗不匹配，那就麻烦了。因此，了解与掌握微带线仿真十分必要。从ED365的微带阻抗计算工具可以看出微带线阻抗与微带线的长度无关，与微带宽度及其材料厚度基板厚度及介电常数相关。因此在做微带线仿真时，不必过分在意微带线的长度。对于SMT连接器，一旦其Pitch及锡脚宽度确定，其PCB PAD的宽度几乎就确定了，仿真的重点在于确定基板厚度，以实现阻抗匹配。

        下图是一款FPC连接器。

 下图是锡脚的放大图：

        从放大图可以看出，在对这款连接器做信号完整性分析时，就不方便直接在PAD上设置端口，需在PCB PAD或其延长线上设置端口。这款FPC Connector 的PAD宽度为0.30。现在以已该连接器为例，讲解微带线仿真。假定此处连接器的目标特性阻抗为50欧姆，那么其PCB PAD及其延长微带线阻抗也应是50欧姆，才不会影响仿真准确性。

       在用CST仿真前，需构建3D模型。在画微带线前，先用计算工具计算出基板的大概厚度，以便绘制微带3D模型。下面是计算结果：

下面是在UG中画出的微带线结构（当然也可以在CST中直接画出）：

 

 导入CST后如下图示（这里是用的CST2023做演示）：

     这个仿真使用的是多Pin无屏蔽连接器仿真模版 。

下面设置材料。

     1. 设置基板（Substrate）材料：

  2. 设置微带（Trace）材料：

 3. 设置覆铜（copper）材料：

 设置端口

          这里需要设置波导端口。在设置波导端口前，先用CST宏工具计算波导端口边界延伸系数K。如下：

        从图可以看出K的取值范围为3.78~7.67，可在设置端口时将K值取5。

        设置端口1如下：

         设置端口2如下：

设置背景 设置背景为空气，如下：

设置边界条件 将边界条件设置为电边界，设置如下：

 

开始仿真 仿真设置如下：

 查看仿真结果 仿真结果如下：

 

        从TDR曲线可以看出微带线阻抗其实是在75欧姆左右，并非目标值50欧，说明计算结果不是十分精确。

下面是Port Mode：

 

从上图可以看出无论Port1还是 Port2其线性阻抗都是75.1367欧姆，这个就是微带线特性阻抗。

要做到阻抗匹配，需继续调整PCB基板厚度，再做仿真，直到阻抗匹配程度在允许的公差范围内。

下面再用Txline计算一下仿真模型的特性阻抗，结果如下：

       Txline的计算结果为：77.3034欧姆，其结果更接近仿真结果。如果要用计算工具微带线的特性阻抗，建议使用Txline。下面用Txline试算一下基板厚度结果如下：

下面将基板厚度调整到0.172mm，再做一次仿真，看下结果如何。仿真结果如下：

 

 下面是Port Mode：

 

 从仿真结果可以看出，Txline的计算结果与仿真结果差异并不大，在1%以内。以这个精度计算微带阻抗来匹配连接器信号完整性仿真已经够了，也就是说如果你不想通过仿真来调节匹配连接器的微带线参数，可以用这个工具来计算。

       三 差分微带线仿真

       为了减少串扰，提高传输可靠性，高速高频信号基本都是通过差分线来传输的。如PCI E标准中，严格定义了连接器的差分对Pin，基本上是一个·差分对间隔两个GND Pin，完全做到差分对Pin不相邻。现在又用上面的FPC Connector 来做这种差分微带线阻抗仿真，假定该Connector的目标特性阻抗为100欧姆。在绘制3D模型前，同样先使用工具计算基板的厚度，结果如下：

    绘制的模型如下图示：

 

 导入CST后如下（采用多Pin无屏蔽连接器仿真模版）：

        与微带线仿真一样设置材料 。

       设置差分端口

       在设置端口前，先用宏工具，计算端口边界延伸系数K，如下：

 

 这里K可取6。

     设置端口Port1    如下：

     设置端口Port2 如下： 

    设置背景为Air

   设置边界为电边界 如下：

 开始仿真

 查看仿真结果  TDR如下：

 

Port Mode如下：

        从仿真分析结果可以看出，计算结果与目标阻抗还是存在些出入。如果需要精确匹配还需对基板厚度再做调整，适当加厚。将基板厚度调整到0.35后的仿真结果，如下：

 

 

        从结果可以看出，差分微带线的阻抗已很接近目标阻抗100欧，其差异小于5%，匹配精度已经足够。

       微带线及差分微带线阻抗仿真操作比较简单。本期教程就讲到这里。

       到目前为止，与连接器信号完整性仿真相关的基本操作，都已做了介绍。欢迎有兴趣的朋友上传模型，探讨具体的仿真操作或仿真中面临的问题。

    本期仿真实例及微带计算工具Txline有打包上传到CSDN，文档连接为：https://download.csdn.net/download/billliu66/88259421