Современная электроника №6/2020

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ 70 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2020 Учёт геометрической неоднородности поверхности проводника при проектировании печатных плат Рис. 1. Интенсивность электрического и магнитного полей и их распространение по микрополосковому волноводу В статье рассмотрены методы учёта геометрической неоднородности поверхности проводника, которые позволят выполнить точный расчёт характеристик линий передачи для высокоскоростных и высокочастотных устройств. Рассмотрены возможности САПР Altium Designer и ядра Simbeor для расчёта электромагнитных полей, позволяющие учесть геометрическую неоднородность поверхности проводников. Игорь Зырин (igor.zyrin@altium.com) Введение Первые радиоэлектронные устройства работали на частотах, при которых ток протекал по всему сечениюпроводника. Достаточно было рассчитать волновое сопротивление линии передачи, после чего результат работытаких линий был предсказуем. Потери, возникающие в линиипередачи, описывались через тан- генс угла диэлектрических потерь осно- вания иопределялись значениемпрово- димости материала. С развитием радиоэлектроники, тех- нологии и повышением рабочей часто- ты было замечено, что сигналы во вре- мя прохождения по металлическим проводникам подвергаются дополни- тельным искажениям и затуханиям, и расчётные значения потерь сигнала на этапепроектирования схемыне совпа- дали с реальными значениями потерь. При проектировании высокоскорост- ных или высокочастотных устройств разработчик для снижения потерь в проводниках должен стремиться сни- зить длину последних и их влияние друг на друга, используя современные мето- ды [1, 2]. Для оценки падения мощности сигнала при передаче необходимо про- водить анализ целостности сигналов [3] в специализированном программном обеспечении (ПО) [4]. В процессе ана- лиза разработчики аппаратуры зача- стую упускают дополнительные поте- ри мощности сигнала, возникающие вследствие неоднородной поверхно- сти проводника. Микрополосковая линия передачи Для понимания необходимости учё- та неоднородности поверхности при расчёте потерь электрической энер- гии сигналов в проводниках необхо- димо разобраться в принципах работы линий передачи. Рассмотрим распро- странение типичного электромагнит- ного импульса по медной микрополо- сковой линии. С одной стороны линии передачи возбудим электромагнитный импульс сигналом V (0, t) (см. рис. 1). На нижней стороне (со стороны опорного слоя) сигнальной трас- сы будет образовываться повышен- ная поверхностная плотность заряда, равная: , и пониженная плотность заряда на плоскости зем- ли. По мере продвижения плотно- сти заряда вдоль трассы будет нарас- тать напряжённость магнитного поля ( ) в распространяющейся среде [5]. При отсутствии неоднородности поверхности затухание сигнала в дан- ной линии передачи обусловлено толь- ко потерями в диэлектрике. Наличие неоднородности поверх- ности проводника приводит к неодно- родности и искажению электромагнит- ного поля (см. рис. 2). Однако линии передачи без неоднородности техно- логически недостижимы. К примеру, неоднородность поверхности медно- го проводника на стеклотекстолите с усиленной степенью адгезии представ- ляет собой «снежные комы» (см. рис. 3). Исследования в этой области пока- зали, что повышение рабочей частоты приводит к существенному влиянию эффектов неоднородности поверхно- сти проводника, при увеличении рабо- чейчастотывлияние только усиливает- ся [6]. По причине отсутствия во времена становления радиоэлектроники совре- менных инструментов контроля, таких как электронно-лучевой микроскоп, была выбрана гипотетическая и упро- щённаямодель неоднородностиповерх- ностипроводника в виде прямоугольных и треугольных канавок, бесконечно рас- пространяющихся вдоль проводника. На сегодняшний день все методы учёта неоднородности делятся на три основ- ных типа: поправочные или корректи- рующие коэффициенты, эффективные параметры и полноволновые модели. Методы учёта помех Самымраспространённым способом учёта потерь в линиипередачи является использование эффективного тангенса угла диэлектрических потерь [7]. Данный подход позволяет проводить грубый учёт Полигон земли Сигнальная трасса V ( l , t ) V (0, t ) t t Диэлектрик