PCB传输线间串扰抑制方法分析

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（２２）
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同理可以求得其他子网络的端电压电流级联矩阵。将各 级子网络级联，可求得传输线终端电压、电流传输矩阵方程
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（２３） ｍ为保护带上接地柱的数量。
将终端条件代入（２０）式就可以求得终端电压，电流的 解。
３ 计算实例及讨论分析
为了验证耦合传输线线间加入的保护带对串扰抑制的 有效性，以及保护带参数变化对传输线串扰的影响，利用上 面的理论，对ＰＣＢ加保护带传输线进行了一系列计算。
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圈３ 传输线部分示意图
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图２ 加保护带耦合ＰＣＢ传输线模型
本文根据保护带结构的周期性，将加保护带传输线系 统等效为一系列六端１２１子网络的级联，各子网络由传输线部 分和接地柱部分组成，如图２ｂ所示，传输线部分由多导体传 输线理论求出级联矩阵，金属接地柱用阻抗模型近似，各子 网络通过级联矩阵串联起来，得到传输线的终端响应。 ２．１传输线部分的分析方法
明显影响，地柱半径越大，近端串扰被衰减越多，但是地柱半 径变化对远端串扰影响不大。
４ 结论 以上计算结果验证了保护带对串扰抑制的有效性，研究
了保护带参数（接地柱间距、半径）对串扰响应的影响。通过
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柱部分两端的电压电流可做如下近似：Ｖ’。＝矿。，∥：＝Ｐ：，
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形式表示为：
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（２１）
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将（２１）式代入（１４）、（１５）、（１６）、（１７）式得子网络端电 压电流方程的矩阵形式
（１６）
ｄ为子网络中传输线部分长度。 ２．２ 接地柱部分分析方法
接地柱的阻抗由电阻ｒ和电感两部分组成‘６】［引，
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图４ 接地柱截面图
接地柱的电阻是频率的函数，随频率的升高，趋附效应 加剧，接地柱导电截面积减小，接地柱截面图如图４所示，阻 抗ｚ。增加，接地柱单位长度电阻可近似为：
Ｌｒ＝磊丽１ ．ｆ一斋“筋 （１８） Ｌ》筋
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万方数据
１）传输线周围的电磁场基本结构是横电磁波（ＴＥＭ）结 构，即空间各点的电场、磁场矢量没有与传输线平行的分量。
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图１ ＰＣＢ传输线模型
串扰是由相邻两条传输线间电磁耦合产生的互感和互容引 起的噪声，当信号通过发射线时，发射线和受扰线间的互电
容，会在受扰线上产生向两端走向的干扰信号；同时，信 号通过发射线时在发射线周围产生一个变化的磁场，这个磁 场与受扰线相交，并在受扰线上感应出一个与信号走向相反 的干扰电流，这两个干扰电流就是从发射线耦合到接收线上 的串扰口］。为阻止受扰线接收干扰信号产生串扰，在传输线 间插入一条保护带，保护带通过一系列金属填充孔与接地平 面相连，实现多点接地，保护带其他参数均与传输线相同，如 图２ａ所示。保护带能够影响发射线和受扰线间的电场和磁 场，减小两者之间的互感和互容。发射线在保护带上产生干 扰电流，与发射线上的信号电流方向相反。因此保护带在受 扰线上产生的二次干扰电流与发射线在受扰线产生的干扰 电流相互抵消，使受扰线上产生的干扰电流与未设置保护带 时相比减小。虽然保护带能起到抑制串扰的作用，但是如果 保护带设置不合理，保护带在受扰线上产生的二次干扰电流 可能使串扰加剧。
（６６）
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Ｔ‘｜，２ＬｃＴ＝１２＝１ ０记０ ｌ
（９）
ｋ（ｚ）＝匕＋ｅ’＋ｋ—ｅｐ 将式（１０）代入式（７）中，得到实际电压的解
ｋ＝玑（ｚ）
将式（１１）代入式（１ａ）可得实际电流解
ｔ＝一２去㈧
将传输线部分两端电压电流写成矩阵形式
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式中
∥Ｉ。＝÷ｉ，一ｒ（ｅ一一＋ｅ一）ｒ‘１ｉ，
第２７卷第９期 文章编号：１００６—９３４８（２０１０）０９—０３２３—０５
计算机仿真
ＰＣＢ传输线间串扰抑制方法分析
２０１０年９月
杜廷辉，丁君，郭陈江
（西北工业大学电子信息学院，陕西西安７１０１２９）
摘要：研究数字电子技术设备中，串扰是印刷电路板（ＰＣＢ）上电磁兼容的重要内容之一。为了抑制ＰＣＢ传输线间串扰，提高
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圈７ 接地柱问干扰曲线
分析仿真结果发现，保护带接地柱间距变化对近端串扰 和远端串扰有明显影响，但是，在接地柱间距与发射线最高 频率波导波长之比大于０．５时，会产生谐振，因此接地柱间 距要小于发射线上波导波长的１／２；仿真进一步证实了增大 接地柱半径有利于降低传输线近端串扰，对远端串扰影响不 明显。因此，在结构允许的情况下，可以适当增大接地柱半 径来降低近端串扰。
收稿日期：２００９—０６一１２
杂，理论分析比较困难。本文利用网络级联的方法来分析加 有保护带的传输线。该方法将加保护带传输线等效为一系 列端口子网络级联，各子网络由传输线部分和接地柱部分组 成，传输线部分用传输线理论近似，金属接地柱用阻抗模型 近似，求得各子网络传输矩阵，通过传输矩阵将各子嘲络级 联得到传输线终端响应。通过对结果分析发现。加入保护带 能有效的抑制线闻串扰。同时，保护带参数（接地柱间距、半 径）变化对传输线间串扰有明显影响。
系统信号准确性，消除噪音，通常在传输线间插入一列用会属填充的、顶端用微带连接的接地柱线（简称保护带）。由于加有
保护带的传输线系统结构复杂，理沦分析比较困难。利用网络级联的方法对加有保护带的传输线建模进行分析。计算分析
结果表明。加入保护带能有效地抑制线间串扰，保护带参数（接地桂间距、半径）的变化对串扰抑制有明显影晌。研究对工程
中正确设置保护带以降低串扰提供了必要的参考。
关键词：电磁兼容；串扰；传输线理论；保护带
中图分类号：ＴＭｌ５２
文献标识码：Ｂ
Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｃｒｏｓｓｔａｌｋ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｉｎ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｌｉｎｅｓ ｏｎ ＰＣＢｓ
ＤＵ Ｔｉｎｇ—ｈｕｉ，ＤＩＮＧ Ｊｕｎ，ＧＵＯ Ｃｈｅｎ－ｊｉａｎｇ
ｚ＝斜川ｎ（挈）＋扣一∥再，】 根据金属柱的单位长度电感求得接地柱单位长度分布
电感为，
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（１９）
占为金属接地柱的趋附深度，ｋ为接地柱半径，ｈ基板厚度。
由式（１５）和式（１６）可得接地柱阻抗：
乙＝（ｒ＋如ｆ）ｈ
（２０）
ｒ为金属接地柱单位长度阻抗，ｚ为等效单位长度电感，ｈ为介 质板厚度。
接地柱半径Ｌ与传输线部分长度相比很小，传输线上接地
２ 原理 多层ＰＣＢ上的传输线可以用微带线和带状线建模【２］，
本文仅针对普通的微带线模型进行分析。将ＰＣＢ上两条平 行传输线放置在介质板同一面，如图１所示，其中一条线一 端接有信号源，源内阻为互，另一端接有负载，阻抗为五，称 为发射线；另一条线两端接负载，阻抗分别为尺Ｍ和月。，称 为受扰线，两条传输线有公共接地平面。传输线线宽为加，线 间距为ｓ，长度为Ｌ，基板相对介电常数为Ｆ，，基板厚度为ｈ。
１ 引言 在数字电子技术领域，随着电子设备的高频、高速及小
型化，高密度印刷电路板的设计已成必须。在印刷电路板的 高密度设计过程中。ＰＣＢ传输线之间的串扰直接导致了系统 信号完整性和电磁兼容等问题。因此，传输线问的串扰在 ＰＣＢ电路设计中不容回避，已经成为电磁兼容的焦点问题之 ‘一Ｏ
目前，在抑制ＰＣＢ传输线之间串扰问题的研究上，人们 已提出了很多方法，如：加大信号线间距，地平面尽量完 整¨１，在耦合传输线间加入保护带等。由于加大信号线间距 的方法增加了布线空间，不适合集成度较高的ＰＣＢ设计；地 平面尽量完整的方法，不增加布线空间但是工程七不易实 现；耦合传输线中间加入保护带的方法不需要增加布线空 间，能够抑制集成度较高的ＰＣＢ传输线间串扰，但是结构复
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ａｎｄ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ Ｓｈａｎｘｉ ７１００７２，Ｃｈｉｎａ）
ＡＢＳＴＲＡＣＴ：Ｃｒｏｓｓｔａｌｋ ｉｓ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ＥＭＣ ｐｒｏｂｌｅｍｓ Ｏｎ ＰＣＢｓ．Ｔｏ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｃｍｓｓｔａｌｋ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｌｉｎｅｓ，ｍｅｔａｌ ｆｉｌｌｅｄ ｖｉａ ｈｏｌｅｓ ｗｈｉｃｈ ｗｅｒｅ ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｂｙ ｍｉｃｒｏｓｔｒｉｐｓ ｏｎ ｔｈｅ ｔｏｐ ｏｆ ｖｉａ ｈｏｌｅｓ ａｎｄ ｇｒｏｕｎｄｅｄ（ｇｕａｒｄ ｔｒａｃｅ） ｗｅｒｅ ｉｎｓｅｒｔｅｄ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｌｉｎｅｓ，ｔｈｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｃｏｎｃｅｐｔ ａｐｐｒｏａｃｈ ｆｏｒ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｌｉｎｅ ｓｅｃｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｉｍｐｅｄ— ａｌｉｖｅ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｆｏｒ ｖｉａ ｈｏｌｅ ｓｅｃｔｉｏｎｓ ａｒｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｓｉｍｕｌａｔｅ ｔｈｅ ｇｕａｒｄ ｔｒａｃｅ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ ｏｆ ｃｒｏｓｓｔａｌｋ ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ，ｔｈｅ ｓｉｇｎｉｆｉｅａｎｆｌ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｇｕａｒｄ ｔｒａｃｅ ｏｎ ｔｈｅ ｅｒｏｓｓｔａｌｋ ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ ｗｉｔｈ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ（ｈｏｌｅ ｓｐａｃｉｎｇ，ｒａｄｉ－ ｕｓ）ｃｈａｎｇｉｎｇ．Ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ｔｈｅ ｅｓｓｅｎｔｉａｌ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｓｅｔｔｉｎｇ ｕｐ ｇｕａｒｄ ｔｒａｃｅ ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｌｏｗｅｒ ｃｍｓｓｔａｌｋ ｉｎ ｔｈｅ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｐｒｏｊｅｃｔ． ＫＥＹＷＯＲＤＳ：ＥＭＣ；Ｃｒｏｓｓｔａｌｋ；Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｌｉｎｅ ｔｈｅｏｒｙ；Ｇｕａｒｄ ｔｒａｃｅ
谐振频率的介质波长的１／２，因此保护线的接地柱间距△Ｚ由 攻击线上最高工作频率确定且必须满足以下条件。
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（２４）
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／二为发射线最高工作频率，占蚵为基底介质的有效相对介电
常数。
３．２接地柱半径对串扰的影响 图７给出了接地柱间距不变，传输线间串扰随保护带接
地柱半径变化频域图。 从图７可以看出，保护带接地柱半径变化对近端串扰有
（１０） （ＩＩ） （１２）
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圈５ 接地柱部分等效图
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（１４ｂ）
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万方数据
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图６ 对比串扰曲线
由图６对比表明，加入保护带后近端和远端串扰都明显 得到了抑制，近端串扰降低了１０ｄＢ左右，远端串扰降低了
７ｄＢ左右。从图６可以发现，在低频段Ｕ＜１ＧＨｚ），接地柱 间距的变化对近端、远端串扰的影响并不明显，但是随着频
率的升高，在ｍ＝３，即△ｚ＝７５ｍｍ，近端和远端串扰从０． ９ＧＨｚ左右开始出现谐振，在ｍ＝５即Ａｌ＝３７．５ｍｍ，串扰从 １．５ＧＨｚ左右开始出现谐振。经计算发现，接地柱间距约等于
根据传输线理论，ＰＣＢ传输线满足下面两个条件时，传 输线上的电压电流可用多导体传输线方程表示：
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万方数据
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专矿（ｚ）＝（必）２ＬＣ矿（ｚ）
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专ｊ（ｚ）＝（如）２ＬＣ？（ｚ）
模型如图２所示，模型参数：线宽Ｗ＝２．５ｍｍ，线长ｌ＝ １５０ｒａｍ，介质板厚度ｈ＝１．４ｍｍ，介质板的相对介电常数日＝ ４．８，线间距离Ｓ＝２Ｗ＝５ｍｍ，接地柱半径Ｌ＝２．５ｍｍ微带线 的特征阻抗Ｚｏ＝５０Ｑ，两条线的终端分别加载５０ｆｌ电阻 ３．１接地柱间距对串扰的影响
图６给出了固定接地柱半径不变，传输线问串扰随接地 ．．——３２５．．——