基于CST的微带线直角不连续性仿真分析

        PCB走线过程中经常出现直角拐弯,导致的阻抗不连续性使得电路性能的恶化,因为这种不连续性会引入寄生电容,从而引起相位和振幅误差、输入与输出失配以及寄生耦合,消除这些效应的方法是改变直角拐弯的构造,如下图所示,可将其改成具有一定弧度的弯头,常用的弧度半径r≥3W,或者通过削角来降低直角弯头的电容效应。斜削长度a的最佳值与特征阻抗和弯角有关,常用的值是a=1.8W。

        CST软件中提供了一些走线弯曲结构的模块,可以方便地进行建模评估,从而省去了手工建模的复杂流程,本文以微带线结构为例,展示如何利用CST的相关功能进行快速的设计评估。 首先,需要创建一个新的原理图文件,并在Block Selection Tree中找到Microstrip,点击Bends,即可展开模块库,如下图所示,其中包含了直角、圆角和直角斜切模块。

        鼠标左键单击选中直角模块,将其拖入到空白原理图界面中,并按照如下图所示的参数配置完成电路模型创建,这一步需要仔细配置参数和选择度量单位,否则,容易求解出错;

        电路模型创建之后,在主菜单栏中,打开Simulation Project,鼠标单击下拉选项框中的All Blocks as 3D Model,并在弹出的Create New Simulation Project中进行配置,单击确认按钮;

        如果上述设置完全正确,在自动创建的三维环境中,可以获取如下图所示的直角拐弯的微带线模型;

        然后,需要在导航树中的Materials加载Copper(annealed)和FR-4(lossy)两种材料,并分别赋予相关的零部件对应的材料属性;

        仿真频率选择0~20GHz,边界条件全部选择为Open add space,并按照下述配置完成Mesh Global Properities的调整;

        最后选择时域求解器,精度调整为-50,如果有GPU,可以点击Acceleration进行加速配置,再点击Specials按钮,在弹出的Special Time Domain Solver Parameters对话框中,勾选TDR analysis,点击确认,最后点击Start按钮,具体步骤如下图所示;

        模型求解完成后,会在导航树的1D Results中看到相应的结果(S parameter & TDR Signals),打开Energy的结果,可以发现,求解结果已经达到了先前设置的-50dB,并且,Port signals中的输出波也已经没有明显的振荡拖尾,说明求解过程已经收敛;

        按照上述的方法,再分别创建另外两个三维模型,完成对圆角和直角斜切的求解,最终的电气参数和三维模型如下图所示,需要注意的是,直角斜切模型中的a和W的比例为1.39,圆角半径r=3W;

        最终的TDR阻抗结果可以观察到,直角所造成的阻抗跌落最为明显,直角斜切有所改善,而圆角的补偿效果有些过量,从而说明,直角拐弯带来的电容负载效应是最大的,在对阻抗管控很严格的设计中确实需要避免。

        在“High Speed Digital Design”一书中,提示设计者,可以进一步加大斜切深度以降低寄生电容,本例中h≈0.72W,高于书中所推荐的0.57W,可以尝试继续削减铜皮,但是,也需要同时关注加工过程中是否会产生走线断裂的风险。

        圆角由于补偿过量,导致了阻抗的正增长,此时,可以尝试改变圆角的处理方式,但是,同样考虑到加工的可执行性,本例中所采用的圆弧方式依然被大多数的设计所使用。

        总体而言,CST提供了可供快速设计评估的模块,并可以在此基础上进行更多的手动结构优化调节。

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