Strategien für die Auslegung des Übersprechens zwischen zwei parallelen Mikrostreifenleitungen auf Leiterplatten auf Basis der Simulationsanalyse

Crosstalk-Theorie

Basierend auf der Elektromagnetik bezeichnet Übersprechen die elektromagnetische Entkopplung zwischen zwei Signalleitungen. Es ist eine Art von Rauschen, das durch die gegenseitige Kapazität und die gegenseitige Impedanz zwischen Signalleitungen verursacht wird.

In Abbildung 1 befindet sich unter den beiden parallelen Leitungen auf einer Leitung die Signalquelle (V_S) und Innenimpedanz (Z_OG) an einem Ende der Leitung und Lastimpedanz (Z_LG) am anderen Ende und bildet über die Erde eine geschlossene Schleife. Die andere Leitung weist nur einen Widerstand auf (Z_ODERund Z_LR) mit einer Struktur aus einem einzelnen Leiter zur Masse. In dieser Abbildung wird die Leitung mit der Signalquelle als Emissionsleitung oder Störleitung bezeichnet, während die andere Leitung als Empfangsleitung oder gestörte Leitung bezeichnet wird.

Wenn das Steuersignal (1) die Sendungsleitung passiert, wird aufgrund der parasitären Kapazität zwischen Sendungsleitung und Empfangsleitung ein Störsignal mit entgegengesetzten Richtungen erzeugt. Gleichzeitig erzeugt das Steuersignal beim Passieren der Sendungsleitung ein sich änderndes Magnetfeld, das nach dem Kreuzen der Empfangsleitung einen Störstrom mit entgegengesetzter Richtung zum Steuersignal induziert. Die Störströme (2) und (3) sind Übersprechsignale, die durch das Steuersignal von der Sendungsleitung auf die Empfangsleitung entkoppelt werden. Auf diese Weise entsteht Übersprechen.

Übersprechen kann je nach Ursache in kapazitives Übersprechen und induktives Übersprechen eingeteilt werden. Kapazitives Übersprechen bezeichnet die entkoppelte Spannung, die durch die gegenseitige entkoppelte Kapazität erzeugt wird, während induktives Übersprechen den entkoppelten Strom bezeichnet, der durch die gegenseitige entkoppelte Induktivität erzeugt wird.

Je nach Ort des Auftretens kann Übersprechen in Nahende-Übersprechen und Fernende-Übersprechen eingeteilt werden. In Abbildung 1 ist Nahende-Übersprechen das Störsignal, das durch das Ansteuersignal (1) am nahen Ende der Empfangsleitung erzeugt wird und sich aus kapazitivem Übersprechen (3) und induktivem Übersprechen (2) zusammensetzt. Fernende-Übersprechen ist das Störsignal, das durch das Ansteuersignal (1) am fernen Ende der Empfangsleitung erzeugt wird und sich umgekehrt aus kapazitivem Übersprechen (3) und induktivem Übersprechen (2) zusammensetzt.

Übersprechen entsteht zwischen zwei Leitungen aufgrund elektromagnetischer Entkopplung. Die Analyse des Übersprechens besteht darin, die Störspannung von der Induktivität des Treibersignals zu beiden Seiten der Empfangsleitung mit dem vorgegebenen Treibersignal zu berechnen. V_R(0) wird als Störspannung auf der Empfangsleitung festgelegt, wenn X gleich 0 ist, während V_R(L) ist die Störspannung auf der Empfangsleitung, wenn X gleich L ist. Dann können zwei Formeln erhalten werden:

Das Simulationsmodell der Übersprechungsanalyse zwischen zwei parallelen Mikrostreifenleitungen

In diesem Artikel hat die Leiterplatte, die im Simulationsmodell verwendet wird, eine Größe von 20 × 60 mm (Breite × Länge) mit epoxidharzlaminiertem Glasfaserwerkstoff FR-4 als Substratmaterial, dessen Dielektrizitätskonstante 4,7 beträgt. Abbildung 2 zeigt die Schnittansicht des Simulationsmodells.

In Abbildung 2 ist die obere Schicht die Verdrahtungsebene (Mikrostreifenleitungsebene), während die untere Schicht die Bildebene ist. Die Mikrostreifenleitung ist ein idealer Leiter, während die Bildebene eine ideal leitende Ebene ist. Die Parameter von zwei parallelen Mikrostreifenleitungen können wie folgt festgelegt werden:L=40mm,W=0,5mm,H=0,3 mm. Gemäß der Formel für den Wellenwiderstand der Mikrostreifenleitung (), der Wellenwiderstand der Mikrostreifenleitung beträgt 50 Ω.

Hinweis: 0,38 mm

In Abbildung 3 ist der erste Port (P1) der Sendeleitung der Störquellenport. Jeder Port der Sendeleitung und der Empfangsleitung ist über die charakteristische Impedanz (50 Ω) verbunden, sodass das Übersprechsignal absorbiert wird, wenn es das nahe und ferne Ende der Empfangsleitung erreicht, und nicht zurückkehrt, um das Übersprechen zu beeinflussen. Daher bilden zwei Mikrostreifenleitungen ein 4-Port-Netzwerk, dessen Parameter S13 und S14 jeweils berechnet werden können:,.

TR₀bezieht sich auf das Übersprechen der Sendungsleitung auf das nahe Ende der Empfangsleitung während TR_Lbezieht sich auf das Übersprechen der Sendelinie an das entfernte Ende der Empfangsleitung.

Simulationsergebnis und Diskussion

• Übersprechintensität bei Frequenzänderung

Gewöhnliche Signale entstehen durch das Überlagern von Sinuswellen mit unterschiedlichen Frequenzen und Amplituden, daher ist es sinnvoll zu untersuchen, wie sich das Übersprechen zweier Mikrostreifenleitungen mit der Frequenz einer einzelnen Sinuswelle ändert.

Um die Regeln besser widerzuspiegeln, wird Abbildung 4 mit Verdrahtungsabstand erhalten(Deutsch)mit Werten von 1 mm und 3 mm, die zeigen, wie sich das Übersprechen mit der Frequenz ändert.

Es kann gefolgert werden, dass im Niederfrequenzbereich die Stärke des Übersprechens, unabhängig davon ob Fernübersprechen oder Nahübersprechen, in einer linearen Beziehung zur Signalfrequenz steht. Im Hochfrequenzbereich nimmt das Nahübersprechen (S₁₃) zeigt mit zunehmender Frequenz eine starke periodische Schwingung, während sich das Fernnebensprechen entgegengesetzt verhält. Dies hängt hauptsächlich von den unterschiedlichen Abständen zwischen kapazitivem Übersprechen und Nah-/Fernende sowie zwischen induktivem Übersprechen und Nah-/Fernende ab. Im Niederfrequenzbereich sind die Phasen dieser beiden Arten von Übersprechen und der Ports größtenteils gleich, und die relativen Phasen des überlagerten Signals haben nur geringen Einfluss auf den Betrag. Im Hochfrequenzbereich hingegen weisen die Phasen dieser beiden Arten von Übersprechsignalen und der Ports bei unterschiedlichen Frequenzen große Unterschiede auf, sodass sich der Betrag des überlagerten Störsignals dieser beiden Arten von Interferenzen mit der Phasenänderung periodisch ändert, was zu einer deutlich periodischen Schwingung des Betrags in Abhängigkeit von der Frequenz führt.

• Übersprechintensität in Abhängigkeit von der Änderung des Leitungsabstands

Wenn die Verdrahtungsentfernung(Links)ist 40 mm, Substratdicke(H)Bei 0,3 mm und Signalfrequenzen von 2 GHz und 5 GHz ist das Simulationsergebnis der Übersprechintensität in Abhängigkeit vom Leiterbahnabstand in Abbildung 5 dargestellt.

In dieser Abbildung nehmen sowohl das Nahnebensprechen als auch das Fernnebensprechen ab, wenn der Leitungsabstand größer wird. Wenn der Leitungsabstand beginnt, sich von 1 mm an zu vergrößern, nimmt das Nebensprechen zunächst schnell ab, aber mit zunehmendem Abstand verlangsamt sich diese Abnahme. Offensichtlich kann, wenn der Abstand größer als das Dreifache der Leiterbahnbreite ist, das Nebensprechen zwischen den Leitungen nicht mehr durch eine weitere Vergrößerung des Abstands verbessert werden. Dies liegt daran, dass, wenn zwei Mikrostreifenleitungen zu nahe beieinander liegen, sowohl die gegenseitige Kapazität als auch die Induktivität so stark zunehmen, dass das Nebensprechen erheblich ansteigt.

• Übersprechintensität in Abhängigkeit von der Änderung der Leitungs­länge

Wenn die Verdrahtungsentfernung( D )ist 2,0 mm, Substratdicke(H)Bei 0,3 mm und Signalfrequenzen von 1 GHz und 5 GHz ist das simulierte Ergebnis der Übersprechintensität in Abhängigkeit von der Länge in Abbildung 6 dargestellt.

Gemäß Abbildung 6 nimmt bei einer Signalfrequenz von 1 GHz die Stärke sowohl des Nahnebensprechens als auch des Fernnebensprechens mit zunehmender paralleler Leitungslänge zu. Wenn die Signalfrequenz 5 GHz erreicht, nimmt die Stärke des Nahnebensprechens mit der Verlängerung der parallelen Leitungslänge zu, während die Stärke des Fernnebensprechens mit der Verlängerung der parallelen Leitungslänge schwankt. Dies liegt daran, dass die elektrische Leitungslänge bei 5 GHz größer ist als bei 1 GHz und die Phasen des kapazitiven Übersprechens und des induktiven Übersprechens am Fernende-Port deutlich unterschiedlich sind.

• Übersprechintensität in Abhängigkeit von der Änderung des Abstands zwischen Mikrostreifenleitung und Bildebene

Um den Wellenwiderstand der Mikrostreifenleitung bei 50 Ω zu halten, beträgt der Wert vonB/Hmuss bei 1,82 gehalten werden. Daher wird im Simulationsmodell das Verhältnis zwischen Linienbreite und der Höhe der Bildebene ebenfalls auf 1,82 gehalten.

a. Wenn die Kabellänge(Links)beträgt 40 mm, der Abstand zwischen den beiden Leitungen und ihren Rändern 1,0 mm und die Signalfrequenz 2 GHz und 5 GHz; die Übersprechintensität in Abhängigkeit von der Änderung der Bildplanendicke ist in Abbildung 7 dargestellt.

Gemäß Abbildung 7 nimmt die Übersprechintensität mit der Vergrößerung des Abstands zu, insbesondere wenn der Abstand im Bereich von 0 bis 0,4 mm liegt, steigt die Übersprechintensität sehr schnell an und die Geschwindigkeit verlangsamt sich mit der fortlaufenden Vergrößerung der Höhe. WennHist größer als 0,5 mm, bleibt die Übersprechintensität im Wesentlichen unverändert. Dies liegt daran, dass, wenn die Mikrostreifenleitung zu nahe an der Bezugsebene liegt, die Entkopplung zwischen Leiterbahn und Bezugsebene so stark wird, während die Entkopplung zwischen den Leiterbahnen sehr gering ist. Wenn der Abstand zwischen der Mikrostreifenleitung und der Bezugsebene zunimmt, wird die Entkopplung zwischen Leiterbahn und Bezugsebene schwächer, während die Entkopplung zwischen den Leiterbahnen zunimmt. Mit der weiteren Vergrößerung des Abstands zwischen der Mikrostreifenleitung und der Bezugsebene ist die Entkopplung zwischen Leiterbahn und Bezugsebene jedoch so schwach geworden, dass sie nur noch geringen Einfluss auf die Entkopplung zwischen den Leiterbahnen hat. Auf Grundlage der obigen Analyse sollte der Abstand zwischen Übertragungsleitung und Bezugsebene so weit wie möglich verringert werden, um das Übersprechen besser zu reduzieren.

b. Wenn die Kabellänge(Links)beträgt 40 mm, der Abstand zwischen den Leitungen ist doppelt so groß wie die Leiterbahnbreite und bei Signalfrequenzen von 2 GHz und 5 GHz ist die Übersprechintensität in Abhängigkeit von der Änderung der Bildplanendicke in Abbildung 8 dargestellt.

Gemäß Abbildung 8 ändert sich die Übersprechintensität nur geringfügig mit dem Abstand zwischen zwei Leitungen, der ein Vielfaches der Leiterbahnbreite beträgt.

Auf der Grundlage des Vergleichs zwischen den beiden Bedingungen lässt sich schließen, dass mit der Zunahme des Abstands zwischen der Mikrostreifenleitung und der Bildebene, sofern der Abstand zwischen den Leitungen unverändert bleibt, die Übersprechintensität vergrößert wird, und dass, wenn der Abstand ein konstantes Vielfaches der Leiterbahnbreite ist, die Übersprechintensität nahezu unverändert bleibt.

Strategien des PCB-Designs

Gemäß dem obigen Analyseergebnis werden nachfolgend einige Strategien aufgeführt, um das Übersprechen zwischen Übertragungsleitungen zu verringern:
a. FürHochgeschwindigkeits-DigitalleiterplattenEs sollten Bauteile ausgewählt werden, deren ansteigende und abfallende Taktflanken relativ langsam sind, sodass die Signalfrequenz verringert werden kann.
b. Ein langstreckiges paralleles Layout sollte vermieden werden.
c. Der Abstand zwischen zwei Linien sollte vergrößert werden.
d.Mehrlagiges Leiterplattendesignsollte verwendet werden, damit die Höhe zwischen der Übertragungsleitung und der Bildebene verringert werden kann. Wenn Leiterplatten mit höherer Bildebene verwendet werden müssen, sollte der Abstand zwischen den Übertragungsleitungen vergrößert werden.

Hilfreiche Ressourcen
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