一种低高频串扰的微带结构设计与实验研究

d o i :10.13756/j .g t x y j.2019.02.010光电器件研究与应用一种低高频串扰的微带结构设计与实验研究廖传武,梁红伟,杜国同(大连理工大学物理与光电工程学院,辽宁大连 116024)摘要:为了满足高频信号对400G b i t /s 光器件性能的要求,通过高频结构仿真软件H F S S 建立㊁分析了三维电磁场模型,在分析电场分布的基础上,设计㊁研制了一种具有新的阻抗补偿结构的可降低高频串扰的微带线结构㊂实验测试和仿真结果均表明,使用这种微带线结构可以使串扰在0~60G H z 频率范围内小于-30d B ,能够满足高频信号对400G b i t /s 光器件性能的要求㊂关键词:高频电路;微带结构;H F S S;串扰中图分类号:T N 817 文献标志码:A 文章编号:1005-8788(2019)02-0043-04AS i m u l a t i o na n dE x p e r i m e n tR e s e a r c ho n M i c r o s t r i p St r u c t u r e w i t hL o wC r o s s t a l ka tH i g hF r e q u e n c yL I A OC h u a n -w u ,L I A N G H o n g -w e i ,D UG u o -t o n g(S c h o o l o fP h y s i c s a n dO p t o e l e c t r o n i cE n g i n e e r i n g ,D a l i a nU n i v e r s i t y o fT e c h n o l o g y,D a l i a n116024,C h i n a )A b s t r a c t :I no r d e r t om e e t t h e r e q u i r e m e n t o f h i g h s p e e dd a t a t r a n s m i s s i o n a t 400G b i t /s ,a n e w m i c r o s t r i p st r u c t u r ew h i c h c a n r e d u c e t h e c r o s s t a l k o f h i g h f r e q u e n c y s i g n a l i s p r e s e n t e d i n t h i s p a p e r .B a s e d o n t h e a n a l y s i s o f t h e e l e c t r i c f i e l d d i s t r i b u t i o nb yu s i n g H i g hF r e q u e n c y S i m u l a t i o nS o f t w a r e (H F S S )t o b u i l d a n d a n a l y z e 3De l e c t r o m a gn e t i cm o d e l ,t h e s i m u l a t i o n r e s u l t s h o w s t h a t t h e c r o s s t a l ko f t h e d e v i c ew i t ht h i sn e w m i c r o s t r i p s t r u c t u r e i s l e s s t h a n -30d B w i t h i nt h e f r e q u e n c y r a n geo f 0~60G H z ,w h i c hm e e t s t h e r e q u i r e m e n t o f 400G b i t /s o pt i c a l d e v i c e .K e y wo r d s :h i g h f r e q u e n c y c i r c u i t ;m i c r o w a v e s t r u c t u r e ;H F S S ;c r o s s t a l k 0 引 言随着智能手机的普及,4k b i t /s 和8k b i t /s 视频和虚拟现实等技术的发展对无线和有线网络的数据传输速度要求越来越高㊂光纤传输网络中的光器件调制速率和通道数量也随之不断提高[1]㊂在超100G b i t /s (4ˑ25G b i t /s)的速率下,就要求光器件内的单路调制速率达到56G b i t /s㊂在非归零码(N o n -R e t u r n t oZ e r o ,N R Z )调制下,可通过内部集成8路信号合波来实现400G b i t /s (8ˑ56G b i t /s )速率;而在四阶脉冲幅度调制(P u l s e A m pl i t u d e M o d u l a t i o n4,P AM 4)下,可通过内部集成4路信号合波来实现400G b i t /s (4ˑ112G b i t /s )[2]速率㊂光器件内部集成多路信号通道并且速率达到56G b i t /s,这就对高频电路设计提出了新的要求,对高频下通道间的电信号串扰的要求尤为突出[3]㊂通道间的串扰问题会限制并行通道的数量,从而导致传输速率无法达到400G b i t /s ㊂同时串扰问题也会限制并行通道间的距离,导致光模块的体积过大,无法满足高密度布板的要求㊂如果串扰问题不能解决,只能采用更高阶调制技术等手段来满足400G b i t /s 的要求,这无疑会大幅度增加成本㊂所以串扰处理技术㊁光电集成技术和数字信号处理技术成为400G b i t /s 方案能否商用的3大技术难题[4]㊂电信号串扰是指信号在传输线上传播时产生的电磁场,通过容性耦合和感性耦合方式对相邻的传输线产生的噪声干扰㊂尤其对于不连续的结构,如开缝地和十字开缝地等结构,其感性耦合远大于容性耦合,因此串扰幅度很大[5]㊂一般在低速率的情况下减少串扰的措施有:增加线间距㊁减小线长度㊁插入地线隔离和采用差分传输等[6]㊂通常的串扰分析是通过建立等效电路模型来计算互容和互偶的极性和大小,最终找出影响串扰的因素[7]㊂但在高速率光器件内,由于空间的限制以及速率达到56G b i t /s后,上述措施和分析方法不再适用㊂本文采用电场分布分析方法来分析和研究高频串扰的影响㊂基于高频仿真软件H F S S 进行三维电磁场建模和仿真,通过优化微带线结构使得电场分布均匀,并使每个信号被束缚在自己的通道范围收稿日期:2018-08-28基金项目:国家 九七三 计划资助项目(2016Y F B 0400600,2016Y F B 0400601)作者简介:廖传武(1977-),男,湖北随州人㊂博士,主要研究方向为微电子学与固体电子学㊂通信作者:梁红伟,教授㊂E -m a i l :h w l i a n g@d l u t .e d u .c n 342019年 第2期总第212期光通信研究S T U D Y O N O P T I C A LC OMMU N I C A T I O N S2019.04(S u m.N o .212)内,从而降低信号通道间的串扰影响㊂同时采用这种分析方法找到了影响高频串扰的问题所在,并设计研制了一种具有新的阻抗补偿结构的可降低高频串扰的微带线结构㊂实验测试和仿真结果均表明,使用该微带线结构可以使串扰在0~60G H z 频率范围内小于-30d B ,能够满足高频信号对400G b i t /s 光器件性能的要求,对提高无线和有线网络数据的传输速度有一定意义㊂1 实验与讨论本文在常用的阻抗计算和等效电路分析等方法的基础上,采用三维电磁场建模和仿真的方法来分析和优化通道间的串扰对高速光器件的影响㊂首先基于光器件的电路需求,设定微带线的结构参数来计算阻抗[8];然后基于三维电磁场仿真软件H F S S进行建模和仿真,计算通道间的串扰曲线;最后在高频范围内仿真时域三维电磁场的分布,并根据分布来优化微带线结构,使串扰满足56G b i t /s 光器件的要求㊂1.1 阻抗匹配高频信号劣化(反射㊁衰减和串扰)通常发生在阻抗不连续的地方[9]㊂在光器件结构上存在的阻抗不连续通常是在不同材料导电通路的连接处,管壳陶瓷电路与外部电路焊接处为光器件常见阻抗不连续位置,这是因为焊接使得管壳陶瓷电路的管脚处增加了焊锡,从而使得管脚处金属的总厚度变大,破坏了原有的阻抗结构,导致阻抗变小[10]㊂图1(a)所示为无焊锡管壳陶瓷电路三维模型,图1(b )所示为焊接后增加焊锡的电路三维模型㊂图1(a )中,D I F F 1和D I F F 2分别为两组差分100Ω阻抗的信号线;G N D 为信号回路的地线;S U B 为陶瓷(A l 2O 3)介质㊂图1(b )中,在表面D I F F 1㊁D I F F 2和G N D 的一端增加了一定厚度的金属来模拟焊接后的电路㊂图2所示为差分微带线模型,此模型的差分阻抗Z d i f f 与信号线宽度w ㊁信号线厚度t ㊁差分信号线间距d ㊁介质厚度h 和相对介电常数εr 相关[11]:Z d i f f =174εr +1.41l n 5.98ˑh 0.8ˑw +æèçöø÷t ˑ1-0.48e x p -0.96d æèçöø÷éëêùûúh ㊂根据光器件的实际情况,设w =0.35mm ;d =0.65mm ;h =0.5mm ;εr =9.8㊂在无焊锡时t =0.01mm ;有焊锡后t =0.1mm ㊂经过计算,无焊DIFF 2DIFF 1GNDSUB（a ）无焊锡管壳陶瓷电路三维模型增加焊锡（b ）焊接后增加焊锡的电路三维模型图1 陶瓷电路三维模型wdt h图2 差分微带线模型锡时Z d i f f 为100.42Ω,满足阻抗匹配;有焊锡后的Z d i f f 为91.25Ω,从而导致阻抗不连续㊂在现有频率下(25G H z )通常的做法会在焊接处做一个补偿,即将焊接处地平面(信号回路)挖空一块,增加介质厚度,来增大阻抗,补偿焊锡导致的阻抗变小[12]㊂图3所示为在地平面挖空一块后的电路三维模型,即介质厚度h 从0.5mm 变为1.0mm ㊂经计算,挖空后差分阻抗变为100.31Ω,使得阻抗重新变得连续㊂GND挖空图3 阻抗补偿模型1.2 串扰优化图4所示为不同频率下的串扰仿真曲线,即挖空后的两组信号线之间的串扰(D I F F 1对D I F F 2的44光通信研究2019年 第2期 总第212期串扰)㊂由图可知,频率在25G H z 时,能满足串扰<-30d B 的要求;但当频率达到56G H z左右时,串扰曲线出现尖峰,串扰>-30d B ,无法满足56G b i t /s速率器件的性能要求[13]㊂这表明,在频率达到56G H z 时,使用的地平面挖空的补偿结构会导致通道间的串扰变得很严重㊂因此需要使用特殊的空间结构来保证在阻抗连续的同时降低串扰㊂串扰/d B-10-20-30-40-50-60-70-80051020152530354045505560频率/GHz图4 不同频率下的串扰仿真曲线为了确定器件的串扰来源,本文用H F S S 进行三维电磁场建模仿真㊂以D I F F 1信号线为激励源,观察它对D I F F 2信号线的影响㊂图5所示三维电磁场能量分布仿真的上视图㊂由图5(a )可知,能量都集中在D I F F 1信号线内部,且分布均匀㊁对称,所以串扰很小㊂从图5(b )可以看到,能量不再被束缚在D I F F 1信号线内部,而是串扰到了D I F F 2信号线部分,并且能量分布不再是对称的,这就造成了串扰在56G H z 时突然增大[14]㊂（a ）无焊锡时陶瓷电路在56GHz 时的三维电磁场能量分布图（b ）有焊锡并挖空地平面后陶瓷电路在56GHz 时的三维电磁场能量分布图图5 三维电磁场分布仿真的上视图图5表明,将地平面挖空,会使电磁场传导的物理空间结构变得不对称,从而使得电磁场能量变得不均匀[15]㊂为了既能补偿阻抗,又能减小串扰,本文在图3的结构基础上,经过计算,设计并研制了一种新的补偿结构,如图6所示,该结构能使能量在波导中对称传输㊂这种新的补偿结构主要是在原挖空的地平面上,每组差分信号线新增加了对称的3条信号回路,从而使得能量传导更对称㊂图6 增加对称信号回路的补偿结构图7所示为新的增加对称信号回路的补偿结构的三维电磁场能量分布㊂由图可知,新增加了对称信号回路后,能量重新均匀对称地分布在D I F F 1信号线内部㊂图8所示为新的增加对称信号回路的补偿结构在不同频率下的串扰曲线,可以看到串扰得到了明显改善,在0~60G H z 仿真频率范围内串扰都小于-30d B ㊂图7 增加对称信号回路补偿结构的三维电磁场能量分布视图串扰/d B-10-20-30-40-50-60-70-8051020152530354045505560频率/GHz图8 增加对称信号回路的补偿结构在不同频率下的串扰仿真曲线采用安利的M S 4640B 系列70G H z 的矢量网络分析仪(V e c t o rN e t w o r k A n a l y z e r ,V N A )对带有上述补偿结构的实验样品进行测试,得到的结果与仿真基本一致,可以看出串扰在0~60G H z 频率范围内都小于-30d B ㊂图9所示为V N A 测试方54廖传武等: 一种低高频串扰的微带结构设计与实验研究法的原理图㊂图10所示为V N A 测试结果与H F S S 仿真的串扰曲线对比㊂射频输入射频输出VNA待测器件图9 V N A 测试方法的原理图串扰/d B-10-20-30-40-50-60-70-80051020152530354045505560频率/GHzHFSS仿真曲线VNA测试结果图10 V N A 测试结果与H F S S仿真的串扰曲线对比2 结束语在常见的管壳陶瓷电路中,通常采取在焊接处增加焊锡来降低阻抗,并通过挖空地平面来补偿,使得阻抗匹配㊂在高频时,这种补偿结构会引起串扰变大㊂本文基于电场分布来优化设计的新的补偿结构,既能使阻抗匹配,又能抑制高频串扰,串扰在0~60G H z 频率范围内都小于-30d B ,可以满足单波56G H z ㊁并行400G H z 的光器件的要求㊂参考文献:[1] R i s m a n c h iB .D i s t r i c tE n e r g y N e t w o r k (D E N ),C u r -r e n tG l o b a lS t a t u sa n dF u t u r eD e v e l o p m e n t [J ].R e -n e w a b l e &S u s t a i n a b l e E n e r g y Re v i e w s ,2017,75:571-579.[2] L e eJ ,C h i a n g P C ,P e n g PJ ,e ta l.D e s i gno f 56G b i t /s N R Z a n d P AM 4S e r D e s T r a n s c e i v e r si n C MO ST e c h n o l o g i e s [J ].I E E EJ o u r n a l o fS o l i d -S t a t e C i r c u i t s ,2015,50:2061-2073.[3] C u r r i eM ,S o b o l e w s k i R ,H s i a n g TY.H i g h -F r e q u e n -c y C r o s s t a l k i nS u p e r c o n d u c t i n g M i c r o s t r i p W a v e gu i d e I n t e r c o n n e c t s [J ].I E E E T r a n s a c t i o n so n A p p l i e dS u -p e r c o n d u c t i v i t y,1999,9(2):3602-3605.[4] S r i v a s t a v aA ,O n a k aH.O p t i c a l I n t e gr a t i o n a n dD S P i n N e x tG e n e r a t i o nN e t w o r k s [C ]//E u r o pe a nC o nf e r e n c e o n O p t i c a l C o mm u n i c a t i o n .V a l e n c i a ,S pa i n :I E E E ,2015:1-3.[5] B e n e c k e J ,D i c k m a n nS .I n d u c t i v e a n dC a p a c i t i v eC o u -p l i n g s i n D C M o t o r s w i t h B u i l t -i n D a m p i n g C h o k e s [C ]//I n t e r n a t i o n a l Z u r i c hS y m p o s i u mo nE l e c t r o m a g -n e t i cC o m p a t i b i l i t y .S i n g a p o r e :I E E E ,2006:69-72.[6] H a l lS H ,H a l lG W ,M c C a l l JA.C r o s s t a l k ,H i gh S p e e dD i g i t a lS y s t e m D e s i gn [M ].N e w Y o r k :J o h n W i l e y &So n s I n c ,2000:42-88.[7] K i mJ ,R o t a r u M D ,B a e kS ,e t a l .A n a l ys i s o fN o i s e C o u p l i n g F r o maP o w e rD i s t r i b u t i o n N e t w o r kt oS i g -n a lT r a c e si n H i g h -S p e e d M u l t i l a y e rP r i n t e d C i r c u i t B o a r d s [J ].I E E E T r a n s a c t i o n s o n E l e c t r o m a g n e t i c C o m p a t i b i l i t y,2006,48(2):319-330.[8] P o z a rD M.N i o s ea n d N o n l i n e a rD i s t o r t i o n ,i n :M i -c r o w a v eE n g i n e e r i [M ].N e w Y o r k :J o h n W i l e y &S o n s I n c ,2012:496-519.[9] A n d e r s o nJB .C a r r i e r T r a n s m i s s i o n ,i n :D i gi t a l T r a n s m i s s i o nE n g i n e e r i n g [M ].N e w Y o r k :J o h n W i -l e y &So n s ,I n c ,2005:93-97.[10]C h e nE ,C h o uSY.C h a r a c t e r i s t i c s o f C o p l a n a rT r a n s -m i s s i o nL i n e so n M u l t i l a y e rS u b s t r a t e s :M o d e l i n g an d E x p e r i m e n t s [J ].I E E E T r a n s a c t i o n s o n M i c r o w a v e T h e o r y a n dT e c h n i q u e s ,1997,45(6):939-945.[11]B o g a t i nE .D i f f e r e n t i a l P a i r a n dD i f f e r e n t i a l I m pe d a n c e ,i n :S i g n a l a n dP o w e r I n t e g r i t y [M ].N e w Y o r k :P r e n t i c e H a l l P T RS i g n a l I n t e g r i t y L i b r a r y ,2013:120-155.[12]M o n t r o s eMI .B a c k p l a n e s ,R i b b o nC a b l e s ,a n dD a u g h -t e rC a r d s ,i nP r i n t e dC i r c u i tB o a r d D e s i g n T e c h n i qu e s f o rE M C C o m p l i a n c e [M ].N e w Y o r k :I E E E P r e s s ,1996:157-173.[13]B e r n a l J ,M e s aF ,J a c k s o nD R.C r o s s t a l k i nC o u pl e d M i c r o s t r i p L i n e sw i t haT o p C o v e r [J ].I E E ET r a n s a c -t i o n s o nE l e c t r o m a g n e t i cC o m p a t i b i l i t y ,2014,56(2):375-384.[14]L i S ,S u nF .S i m u l a t i o n o f C r o s s t a l k i nC o u p l e dM i c r o s -t r i p T r a n s m i s s i o nL i n e s [C ]//C o n f e r e n c eo n E n v i r o n -m e n t a l E l e c t r o m a g n e t i c s .H a n g z h o u ,C h i n a :I E E E ,2003,13:455-460.[15]N a g a r a j o oK ,C h o n g SF .S i g n i f i c a n to fE a r t h 's M a g -n e t i cF i e l da n d I o n o s p h e r i cH o r i z o n t a lG r a d i e n t t oG P S S i g n a l s [C ]//I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c eo nS pa c eS c i e n c e a n dC o mm u n i c a t i o n .M a l a c c a ,M a l a y s i a :I E E E ,2013:110-114.64光通信研究2019年 第2期 总第212期。