微带线仿真分析

微带线仿真分析

作者：tony

1、 仿真结构

下面利用传输线理论和FEM-VFM 两种方法对一微带线结构的连续传输线（如图1所示）进行了建模和仿真，提取了等效SPICE 电路，从而得到了所需的时域仿真波形。如图1，微带线特性阻抗设置为50ohm ，这样可以与一般测试设备端口阻抗（如矢量网络分析仪和频谱仪等）相匹配，借助微带线阻抗计算公式，模型结构参数设置如下：

信号线和地平面材料设为铜，电导率75.810/S m σ=⨯，信号线宽W =2.9mm ，线长L =50mm ，线厚度T =0.018mm ，地平面长度为60mm ，宽为30mm ；介质的相对介电常数 4.4r ε=，损耗角0.015δ=，厚度H =1.5mm 。这里，信号线位于结构的中央位置。

图1 待仿真的微带互连线结构

2、 场仿真结果

用有限元方法仿真时，设PML 吸收边界与传输线结构的间距为7.5mm ，吸收层厚度为5.5mm ，信号线两端端口用集中端口。仿真带宽可以用公式0.35/Tr 近似得到，其中Tr 为高速数字信号的上升沿时间，如0.1ns 上升沿的数字信号带宽为3.5GHz ,这里就把仿真带宽设为3.5GHz ，仿真得到的11Y 和12Y 参数幅度和相位随频率的关系如图2和图3（由于网络是互易和对称的，图中只给出了11Y 和12Y 的仿真结果，其中12Y 用虚线表示）。

图2 导纳参数11Y 和12Y 的幅度

图3 导纳参数11Y 和12Y 的相位

3、 矢量拟合系数及等效电路参数

对12Y -和1112Y Y +两条支路进行拟合（考虑到这里1122Y Y =），用了8阶就已经得到很好的结果了，如图4和图5，图中用虚线代表拟合曲线。

图4 12Y -和1112Y Y +两条支路幅值矢量拟合

图5 12Y -和1112Y Y +两条支路相位矢量拟合

12Y -和1112Y Y +拟合系数和等效电路参数如表3-1所示。

表3-1 12Y -和1112Y Y +拟合系数和等效电路参数

4、时域仿真

得到这些参数后，就可以进行时域仿真了（二端口网络），假设输入信号Vs

是数字信号，源内阻为25ohm ，延迟为零，上升沿和下降沿都为0.1ns ，周期为2ns ，其保持时间为0.8ns ，低电平为0V ，高电平为2V 。如图6所示。

图6 二端口网络时域仿真模型

输出信号为o V ，负载端阻抗为75ohm ，这里用两种等效SPICE 电路对该结构进行时域仿真，一种基于传输线理论提取的等效电路，经过公式计算得特性阻抗

o Z 为50.16517ohm ，传播速度p v 等于8

1.6243

10/m s ⨯，而信号上升/下降沿为0.1ns ，于是，该微带线结构总延迟为103.07810s -⨯，其至少应该被分为31段，而每段电感为104.98110H -⨯，电容为131.97910F -⨯（近似无耗传输线）；另一种是基于FEM-VFM 方法提取的等效电路，拟合阶数为8，仿真结果如图7所示。

图7 基于传输线理论和FEM-VFM 两种方法时域仿真波形对比

从图7可以看出，FEM-VFM 方法只用了8阶拟合就已经准确地提取出图1中微带互连线结构的等效电路，而对于相同的结构，基于传输线理论提取的等效电路至少需要31段RLCG 电路单元。