SIwave建模调整技术

SIwave建模调整技术
喻骏
阿尔卡特朗讯上海贝尔无线产品部，桂桥路255号，上海，201206
关键词：SIwave，建模，过孔调整，印制电路板, 3维电磁场分析
摘要
Ansoft公司的3维电磁场分析软件SIwave被用于印制电路板（PCB）的仿真。

如电源完整性，传输通道建模等等。

本文列出几种PCB建模调整方法。

这些方法来源于工程经验并能够缩短建模时间。

差分过孔的模型会被用于描述这些方法。

相关的参数调整如材料，叠层及过孔等等也会被介绍。

1.介绍
PCB设计（Cadence公司的Allegro，Mentor公司的Expedition等工具完成的PCB设计）可以被到处为外部文件。

这些外部文件能够被导入到SIwave软件里并被转换成扩展名为.siw 的PCB模型。

通常一个完整的PCB可以被看成为叠层，元件封装，过孔，走线和金属平面的综合。

整个的PCB结构可以进行谐振的分析。

谐振分析是SIwave的一个重要功能。

另一个重要的功能是通道建模及参数提取（散射参数或者全波子电路）。

大部分PCB通道是微带线和带状线。

这些通道上或有过孔或者没有。

被提取的通道可以是单通道也可以是多通道。

图1: 在Siwave环境里的整个PCB模型
现代芯片的速率发展得越来越块。

高速PCB存在于很多不同的领域如通讯，信息存储等。

对于高速PCB设计而言，全通道仿真工作是必要的。

如果仿真没有被实现，就会带来PCB 失败的可能性。

因为对于高速信号来说，通道上存在的反射，损耗及串绕带来了更大的影响。

仿真能够实现对叠层架构，介质材料，过孔尺寸等参数的评估判断。

一些商业软件能够构建3维电磁场分析模型并导出通道模型用于全通道仿真。

SIwave是专门应用于PCB领域的分析工具。

能够提供通道的S参数或者全波SPICE子电路。

通常有走线和过孔的PCB通道模型能够首先在PCB设计工具里设计出。

当通道结构需要被调整时（如走线换层），一些工作不得不在PCB设计工具及Siwave里面重做。

本文提供了几种简化操作的调整方法。

2.从以前的文件导入材料信息
在Siwave的集成环境里可以为仿真工程设置新的材料。

但是当一个新的工程产生时，在先前的工程里面设置的新材料不会出现。

所以需要的新材料需要在当前工程里重建。

如果有很多新材料需要重建，会是一种压抑的操作。

Siwave里的材料信息被存储于.siw文件里。

用文本编辑器可以打开.siw文件并查找B_MATERIALS和E_MATERIALS之间的区域。

这个区域里的每行对应一种材料信息。

材料复用的方法是复制需要的材料的信息行到新的工程的.siw。

然后在打开的新工程里就能看到并操作材料的使用。

图2: PCB材料相关性
在SIwave的集成环境里可以建立金属导体和电介质材料。

一种新的电介质材料FR408HR 被建立在上面的菜单里。

通过输入的频率点及对应的介电常数，损耗因数来构建材料的特性。

这些信息被软件记录到.siw文件里。

只要复制FR408HR的材料信息到另外的.siw文件，就可以快速的在另外的工程里引入FR408HR材料的信息。

3. 改变走线的存在层
一对扇出过孔被构建在球形封装区域。

这个区域是Xilinx公司Virtex－6 FPGA芯片的1毫
米中心距封装。

差分信号焊盘被地焊盘围绕。

差分对线被从焊盘拉出接到过孔。

每个信号过孔有两根在不同层的走线。

一根线在顶层，另一根在第8层。

现在要求将第8层的线换到第4层并保持走线形状不变。

图3: BGA封装的差分扇出通道模型
叠层结构信息被存储于.siw文件的B_LAYERS and E_LAYERS之间的区域。

每一层的图形信息被联系到左列的数字。

调整这些数字位置能够将走线换层。

下图的操作显示了这个转换过程。

如果换层后还需要调整层厚，仍然可以回到SIwave的集成环境里进行调整。

图4: 走线层交换
因为介电材料层也会占用层编号。

所以导体层4被编号到8。

而导体层8被编号到16。

交换左列数字的8和16就实现了扇出线从层8迁移到层4。

可以看到焊盘和反焊盘并没有实现换层。

过孔焊盘调整在下面的内容描述。

4.调整焊盘和反焊盘
前面的操作已实现线层交换。

但过孔焊盘仍然需要调整。

对于一个过孔而言，在不同的导体层有不同的焊盘和反焊盘分布。

这些焊盘和反焊盘能够在过孔属性里调整。

首先是选中这些过孔，然后编辑过孔属性，再者选择反焊盘是否出现在某一层。

通常高速设计方法里会将没有走线连接的内存焊盘去掉。

下图表示了第4层和第8层的设置改变效果。

可以看到过孔
pad被从第8层换到第4层。

图5：焊盘和反焊盘转移
5.模型的通道S参数
在上面的操作中，一个有第4层走线的新的通道模型被从原来的第8层走线模型生成。

下面的图片描述了在相同仿真设置下，两个通道模型的不同散射参数。

可以看到有着更长反射分支的模型（右图）有着更差的插入损耗和回波损耗。

图6: 两个通道模型的散射参数比较
6.总结
PCB高速通道建模和仿真对于高速PCB设计是必须的。

本文给出了从一个基本模型产生根多模型的方法。

这些方法有着快速和高效的特点。

通过调整模型和提取散射参数能够判断通道的性能。

关于叠层材料，叠层结构，过孔尺寸等的PCB设计约束信息能够通过全通道仿真获得确认。

而仿真是在获取模型之后实现。

如果一个通道的性能不是足够好，那么一些材料，叠层结构，过孔尺寸等的调整应该被考虑。

并通过重新建模和仿真进行验证。