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        基于PCB差分功分網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)

        2014-12-05 02:01:32王勝源徐利兵
        電子與封裝 2014年3期
        關(guān)鍵詞:單端入射波差分

        王勝源,徐利兵,彭 艷

        (中國(guó)西南電子設(shè)備研究所,成都 610036)

        1 引言

        隨著現(xiàn)代半導(dǎo)體技術(shù)和PCB[1]技術(shù)的發(fā)展,在現(xiàn)代信號(hào)處理中已經(jīng)廣泛地將中頻數(shù)字化甚至射頻數(shù)字化應(yīng)用到工程領(lǐng)域。例如在高速全極化數(shù)字微波輻射計(jì)中就直接采樣高速至2 GHz的模擬極化信號(hào)然后作數(shù)據(jù)處理。在高端電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域,為了實(shí)現(xiàn)電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)模塊化、變換靈活性等特點(diǎn)而把RF或者射頻信號(hào)直接數(shù)字化。隨著數(shù)字信號(hào)處理的前端向模擬方向推移,不可避免地帶來(lái)諸如PCB布線等問(wèn)題。差分信號(hào)能夠減少電磁干擾[2]和噪聲,提高信號(hào)質(zhì)量。為了解決抗干擾能力弱、信號(hào)質(zhì)量差等問(wèn)題,需要在PCB走線設(shè)計(jì)上采用差分線結(jié)構(gòu)。

        射頻網(wǎng)絡(luò)的散射參數(shù)方法[3]是處理射頻和微波問(wèn)題的系統(tǒng)方法,不需要知道網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和復(fù)雜性。網(wǎng)絡(luò)方法的最大特點(diǎn)是在系統(tǒng)級(jí)簡(jiǎn)化了解決方案,S參數(shù)方法在通行系統(tǒng)中可以把一個(gè)比較大的復(fù)雜系統(tǒng)分解成一些級(jí)聯(lián)的子網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)具有輸入、輸出的“黑盒”級(jí)聯(lián)時(shí),S參數(shù)之間的相互作用和串?dāng)_可以被忽略,但它會(huì)導(dǎo)致在插入損耗、回波損耗和整個(gè)系統(tǒng)的反射性能方面產(chǎn)生微小的錯(cuò)誤。

        然而,傳統(tǒng)的微波理論中電流與電壓應(yīng)用于單端網(wǎng)絡(luò)[4]并且S參數(shù)用于描述單端信號(hào)?,F(xiàn)代通信電路和系統(tǒng)中使用差分信號(hào)使得微波、射頻電路的設(shè)計(jì)與分析變得異常困難。

        本文首先論述了單端網(wǎng)絡(luò)散射參數(shù)的概念,然后又對(duì)射頻差分電路的混合模式S參數(shù)進(jìn)行了分析。并以CST軟件為工具提取了差分PCB電路的混合模式S參數(shù)。最后通過(guò)仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)參數(shù)的對(duì)比證明了混合模式S參數(shù)能夠快速準(zhǔn)確地設(shè)計(jì)射頻差分網(wǎng)絡(luò)[5]。

        2 差分功分網(wǎng)絡(luò)混合模式S參數(shù)

        2.1 單端網(wǎng)絡(luò)S參數(shù)

        根據(jù)傳輸線理論,S參數(shù)所定義的入射波和反射波的關(guān)系如式(1)所示:

        式中:Sij=bi/aj(ak=0, k≠j),aj為網(wǎng)絡(luò)端口j的入射波;bi為網(wǎng)絡(luò)端口i的反射波。

        通過(guò)在端口j加入射波aj,除端口i外其余端口都接匹配負(fù)載,測(cè)量端口i的反射波bi,可計(jì)算Sij。其中Sii是第i個(gè)端口的反射系數(shù),Sij是第j端口到第i端口的傳輸系數(shù)。

        圖1 n端口射頻網(wǎng)絡(luò)S參數(shù)的定義

        2.2 差分網(wǎng)絡(luò)混合模式S參數(shù)

        如圖2所示的四端口網(wǎng)絡(luò),利用單端口網(wǎng)絡(luò)方法可以得到一個(gè)16單元的S參數(shù)矩陣,如式(2)所示。

        圖2 平衡放大器四端口網(wǎng)絡(luò)

        由于實(shí)際的差分信號(hào)是由差模信號(hào)與共模信號(hào)構(gòu)成,現(xiàn)有的單端四端口S參數(shù)不能提供差模、共模的匹配及傳輸信息,故需要采用混合模式S參數(shù)。由端口的對(duì)稱性以及差模與共模共存,因此對(duì)于傳統(tǒng)的四端口網(wǎng)絡(luò),用混合模式S參數(shù)[6]表示如式(3)所示。

        式中:SMNij為在端口j加入N模式激勵(lì)、在端口i產(chǎn)生M模式響應(yīng)時(shí)測(cè)得的S參數(shù),M(N)為D或C;aMi為在網(wǎng)絡(luò)端口i以M模式出現(xiàn)的入射波;bMi為在網(wǎng)絡(luò)端口i以M模式出現(xiàn)的反射波。

        單端四端口網(wǎng)絡(luò)用雙端口差分網(wǎng)絡(luò)表示如圖3。

        圖3 雙端口差分網(wǎng)絡(luò)

        2.3 單端與混合S參數(shù)轉(zhuǎn)換關(guān)系

        假定圖2中四個(gè)端口的特性阻抗都為Z0,由單端網(wǎng)絡(luò)及差分網(wǎng)絡(luò)的電壓、電流定義,可以得到:VD1=V1-V3,ID1=(I1-I3)/2,VD2=V2-V4,ID2=(I2-I4)/2,VC1=(V1+V3)/2,IC1=I1+I3,VC2=(V2+V4)/2,IC2=I2+I4。其中,Vi和Ii是4個(gè)端口的單端電壓和電流,VDI和IDI是在端口I定義的差模電壓和電流,VCI和ICI是在端口I定義的共模電壓和電流。進(jìn)一步由入射波、反射波重新定義的電壓和電流分別為:其中ai和bi為單端網(wǎng)絡(luò)的入射波和反射波;aDI和bDI是差分模式下I端口的入射波和反射波;aCI和bCI是共模式下I端口的入射波和反射波;ZD和ZC是差分和共模模式下的傳輸線的特性阻抗。由上面論述可以得到如下關(guān)系:

        aD1=(a1-a3)綜合以上關(guān)系可得式(4)~(6):

        由式(2)~(5)可得式(7):

        定義差分S參數(shù)為:

        容易得出:

        將式(6)、(9)代入式(7)可得:

        從式(10)~(13)可以看出,混合模式S參數(shù)可由單端網(wǎng)絡(luò)中直接推導(dǎo)出來(lái),這說(shuō)明單端S參數(shù)包含有混合模式S參數(shù)的所有信息?;旌夏J絊參數(shù)是突出差分和共模模式[7]的網(wǎng)絡(luò)的另一種表示形式。

        3 差分功分網(wǎng)絡(luò)分析

        作為說(shuō)明的例子,分析通常PCB上用來(lái)連接芯片管腳的差分線路。圖4顯示了PCB差分線路的結(jié)構(gòu)。

        差分網(wǎng)絡(luò)由三部分組成:差分微帶線、差分帶狀線和差分微帶線,通過(guò)過(guò)孔連接起來(lái)。圖5為PCB的疊層關(guān)系及尺寸參數(shù)圖。

        圖4 PCB上差分線結(jié)構(gòu)

        基于CST軟件[8]分析了PCB差分網(wǎng)絡(luò),其中的電磁場(chǎng)仿真如圖6所示,電路仿真如圖7所示。結(jié)合安捷倫矢量網(wǎng)絡(luò)分析E5071C,對(duì)PCB差分網(wǎng)絡(luò)的混合S參數(shù)進(jìn)行了測(cè)試[9],仿真結(jié)果與測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖8,測(cè)試結(jié)果表明使用混合模式S參數(shù)能夠很好表征差分網(wǎng)絡(luò)參數(shù),能夠提高射頻微波差分網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)準(zhǔn)確性。

        圖5 PCB的疊層關(guān)系及尺寸參數(shù)

        圖 6 PCB的CST電磁場(chǎng)仿真

        圖 7 PCB的CST電路仿真

        圖 8 PCB的差分網(wǎng)絡(luò)仿真結(jié)果與測(cè)試結(jié)果對(duì)比

        4 結(jié)論

        本文根據(jù)一般的單端S參數(shù)及其性質(zhì),基于差分網(wǎng)絡(luò),定義了與之等效的二端口網(wǎng)絡(luò),給出了S參數(shù)在單端模式和混合模式之間的轉(zhuǎn)換。最后,通過(guò)一個(gè)具體工程例子,利用混合模式S參數(shù),借助于CST軟件分析了典型PCB上芯片管腳間連接的差分線路。實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果表明,利用混合模式S參數(shù)能夠準(zhǔn)確分析射頻差分網(wǎng)絡(luò),能夠提高射頻電路設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。

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