PCB传输线间串扰抑制方法分析

｜
ｆｒｃｑｕｅｎｃｙ／ＧＫ （ｂ）远端串扰
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
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
Ｅ
一
圈３ 传输线部分示意图
圯，《弘加隧］（２，
（ａ旃ｉ棚
ｌ
ＩＩ
Ｉ
！ｊ
，
【】
Ｌ
Ｉｌ
－Ｉ
ｌＩ
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
柱部分两端的电压电流可做如下近似：Ｖ’。＝矿。，∥：＝Ｐ：，
矿，＝％，，’。＝，，。，，，＝￡＋，２，，’，＝以，则电压电流用矩阵
形式表示为：
阶巴：蛳
（２１）
妒，。＝【ｉ ； ；】 妒屹＝【； ； 兰】
％＝麒。卜＝睦 ；；】
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
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
（６６）
专吒（ｚ）＝Ｔ一（如）２ＬＣ吒（：）
（８’
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
【；］＝暖孤２２ Ｊ ｌ
式中
∥Ｉ。＝÷ｉ，一ｒ（ｅ一一＋ｅ一）ｒ‘１ｉ，
（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，
⑦诊
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
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：
．．．——３２４．．－一
万方数据
ＬＬ：２ｆ三艺ｋ乏－１，如 ：『ｑｋＣ．ｌ１，ｉＣ ２。 Ｃ艺％乏％］。ｌ ５，（５’
Ｌ Ｚ砬ｋ厶。，＿ｌ
Ｉ－ｃ葩Ｃ帕Ｃ３３＿Ｊ
专矿（ｚ）＝（必）２ＬＣ矿（ｚ）
（６口’
专ｊ（ｚ）＝（如）２ＬＣ？（ｚ）
睁［笼列ｌ
（２２）
【笼≯巴汀暖２】
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
嘲镀褂１２”２［髦蓉ｔ１２】【怒】
（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。
一厂ｉ ，尸
—Ｉ一，● ∥，
矿
∞々良Ｉｌｏ主幸蒌目＾
｝
ｌ
， ｆ
Ｆｒ明ｕ唧，０｝ｋ
∞远端干挽
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。
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．．——
（１０） （ＩＩ） （１２）
㈤，
（１４ａ）
龟． ；｛ 鼍ｉ 匮ｊ：ｌ；．． ｖ；…一 一＋ｖ．７
．
Ｅ
曰舞订一ｉ，舌丽毋０
曰攀睡订
。曰＝：：；口于
圈５ 接地柱部分等效图
【；：，】嘲》
∥１２＝一÷ｉ，＿１乃（ｅ－一ｅ一）Ｔ。
（１４ｂ）
∥２。＝一÷ｒ（ｅ－一一ｅ＿）７ｒ＿１ｉ，
（１５）
ｐ恐＝÷ｒ（ｅ一卅＋ｅ一）Ｔ－１
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，
（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
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。
△Ｚ＜——生ｉ
（２４）
≈一、『８珂
／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
．．－——３２３．．．——
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。
Ｖ
—
匕
ｔ
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。
万方数据
柱间距的变化频域图。
§
≠、ｊ
．ｉ式飙怒避。 嶷
，、
，、
≠
一；众。这么＼．，历媲
璺再员霎粤 Ｅ．ｆ＿Ｎ旷 Ｖ ；
—ｆ＊ｐｄ
髓
：；
；。
姻ｕ∞＝ｙ『ＧＨｚ
（ａＨ匠端串扰
ｌ
／、
彬ｊ厶筝茹研 Ａ ． ｃ产气，＝／罗
多一一，／，７：二∥歹一
，
ｉ，
／石≯‘
， ，
Ｉｉ
～够 ∞零一娶紫嚣＃蚪
， ，
，
Ｖ
｛ｌ
—－－ｔ口ｊ喇
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
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