沒有10年工作經驗，我猜你都不會用電磁場來分析高速問題吧？
發布時間：2024-02-01 14:10
高速先生成員--黃剛
臨放假了，就不發一些很難理解的理論文章了，讓大家看得輕松點。說點什么內容來開場呢？隨著高速信號的速率越來越高，設計難度越來越大，對layout工程師，硬件工程師和我們SI工程師的分析定位問題的能力提出了更高的要求。
我們來分析PCB上的某一條高速鏈路時，可能有90%的工程師們都會選擇從S參數和眼圖兩個維度去分析，無論是在做仿真還是測試階段。例如我們看到一條10G信號鏈路的頻域參數是這樣的時候，根據我們的經驗會覺得性能很好。S參數很線性，眼圖張開度很大，都挺好！
當然經驗也告訴我們，以下這個鏈路的頻域性能賊差，無論是從眼圖還是S參數都能夠看到。
但是工作多年的你們有沒有想過這個問題，就是頻域參數差，到底對應到PCB鏈路上是哪個地方的設計差呢？為什么這個設計會很差呢？傳統的教育已經深入SI工程師的骨髓了，那就是S參數嘛，本身就是黑盒子，只是鏈路的收發端通過端口提取得到參數性能，可以不用管鏈路由什么結構組成！
但是硬件工程師想知道問題啊，PCB設計工程師更想知道問題啊，他們還等著你找出問題，然后告訴他們怎么修改PCB設計呢！這個時候SI工程師就得打開這個黑盒子，去看看里面到底是哪個地方出了問題。尤其是像上面的一個特定鏈路，遇到一個很大的諧振尖峰時，需要你從PCB設計上去找到這個諧振產生的地方和原因，你能做到嗎？
時域的眼圖只能告訴你張開度怎么樣，頻域S參數只能看到損耗曲線是不是線性，有沒有諧振，有問題時他們都很難直觀的告訴你為什么是這樣，是哪里出了問題。因此假設你已經有一定的設計和SI的積累后，高速先生今天給大家推薦一個對高速信號很有效的分析方法，通過電磁場分布來分析和定位問題！
我們知道，高速信號在傳輸過程中，其實就是以電磁場的形式在信號路徑和返回路徑之間傳輸，例如以下的一個簡單的傳輸線結構。
要是看看返回路徑（也就是你們經常說的地平面）位置的電場時，會發現電場基本上都會在信號線的投影范圍傳輸，不會有太多的電場能量擴散到其他位置，也就是我們經常說的3H原則。電場被包裹得很好，也就是說明信號線的參考平面很完整，所以我們知道這條鏈路的性能會不錯。
在簡單入了門之后，那我們來分析下如果是不完整的參考平面情況下會怎么樣呢？例如下面的信號跨分割的設計。
如果我們還是把這個結構當做黑盒子的時候來提取頻域S參數的時候，通過3D仿真，能得到這條鏈路的損耗曲線，非常不線性，在某些頻點會有很大的諧振點。
結果的確很差，但是只看頻域參數，你們能分析出它差的原因嗎？在諧振點位置的損耗那么大是為什么呢？那我們拿其中一個諧振頻點（就第三個頻點吧，24GHz附近）去看看這個結構的回流路徑的電場，你就會有驚人的發現。
哦！！！這個時候你就能解釋說，原來在這個頻點的信號回流沿著分割槽饒了彎路，沒法從跨分割區域直接跳過去，因此導致很大的回流電感，損耗就變大啦！
另外電場在分析過孔stub到底有什么影響時，也非常的有用。例如以下這個有比較長stub的過孔結構。
從S參數上，我們當時知道會出現諧振點，如下所示：
但是不看看電場，你不會了解這個在諧振點頻點位置的信號是怎么走的，一起來看看就知道了。
可以看到，在這個頻點時，信號的電場能量全部都分布在過孔stub這里，仿佛這里才是他要去的地方，而原來右邊過孔換到內層出線的路徑，基本上沒有什么能量分布。然后這個時候不僅僅是這個過孔結構的信號質量比較差，往stub走的大部分能量還很容易往空間去擴散，形成非常嚴重的EMI輻射，下圖就是這個結構在空氣中的電場分布圖。
是不是給很多朋友們開拓了一條分析高速信號的新道路呢？當然上面列舉的例子都還算很簡單的結構。其實有很多在頻域和時域有問題，但是又非常難分析和定位問題的結構，如果學會了這一招，或多或少都能夠找到原因哈（看個人使用能力了）。今兒高速先生只是讓大家知道這個好的招數和帶大家簡單的入個門，大伙如果覺得有用的話就不妨去試試吧！
問題來了
年底了，送送積分哈，說說你們對這個分析方法的感受和想法吧，覺得好的話就幫忙轉發擴散哈！
