不规则电路设计对辐射与阻抗的影响

Ferrya

不规则电路设计对辐射与阻抗的影响

前言

最近几年电路板非常流行所谓的「meander」导线，然而这种不规则(zigzag)导线随着clock频率不断提高，设计人员也意识到必需使导线pattern尽可能完全相同。理论上从driver端至接收收端(receiver)直线距离有可能完全相同 ，不过事实上当两者之间的距离越来越长时，导线pattern势必成为不规则形状，有鉴于此本文将透过实验结果，深入探讨直线状与不规则状的pattern差异对电路的影响。

实验步骤

图1是实验用印刷电路板的外观，阻抗(impedance) Zo为50Ω，共有A～G 7种线路图案(pattern)( 图2)，pattern长度都是290mm，由于不规则layout因此pattern长度被压缩成150mm，如图3所示电路图案都无直角弯曲设计。四层电路板为四层板总厚度1.6mm，第一层装设电子组件，第二至第四层分别是接地层(earth)、Vcc层与电路图(图4)，辐射资料是根据3米(meter)法则水平放置电路板量测水平偏波。

+ d2 }# m$ @3 s' ?! V5 }' l图1 电路板的外观

图2 7种线路pattern对特性阻抗的影响

图3 线路图案弯曲与特性阻抗 Zo 的变化

图4 实验用电路

图5是上述实验所获得的辐射资料。如图所示7种线路图案都有长70mm的直线部分，E与G的线路图案的频率为650～850MHz，直线部分长度为130 mm的；D与F的线路图案有频率为350～450MHz，具有较多的辐射。
0 o; E0 ?$ X: U: \若将电路板的诱电率ε列入考虑，并且假设电路板上的光速为 时:
' W6 D" v2 S0 D1 k: M650 MHz的波长λ＝277mm，λ/4＝70mm
650 MHz的波长λ＝514mm，λ/4＝130mm
9 N0 B% @' A* i9 [2 @& c- d  l) c8 |- P依此就可推论「线路图案直线部分」与「造成辐射最大值的波长」两者的关连性，也就是说线路图案直线部分长度较短的A、B、C三线路图案的辐射较低，相形之下D、E、F的辐射比较大；凹凸集中的D、E、F的辐射比凹凸分散的A、B、C大，G则无法纳入检讨范围。

9 G! t# d8 [4 g  C; U
$ m1 L' O1 l9 Q& Y$ O8 H  g# v

, M  |7 ~8 q  [0 c
% L& O2 `9 Y$ J* E
3 k4 y) I. N9 F' {

2 ~0 l. P+ g( A
' F! g7 G: t5 a' E

图5 7种线路图案产生的辐射

　　上述实验用印刷电路板的阻抗Zo 是利用图6的理论计算公式所获得的计算结果，为了量测类似MHz等级电路板实际动作时阻抗值，因此利用图7所示TDR(Time Domain Refrectometer)量测器检测电路板的阻抗。TDR的动作原理是捕捉电波或是超音波撞击物体后反弹的信号(echo)再将时差强弱图像画，依此量测结果如图8所示。由图可归纳下列三项结论:
(1).编号G的线路图案除外，其它线路图案的阻值Zo 并无明显差异。
(2).编号C、D的线路图案，输入端子正后方如果有凹凸时，其附近的阻值Zo 很高。
(3).编号G的线路图案特性极差。
2 Y3 n0 }+ d& h( r; q: X必需注意的是包含编号G的线路图案再内，线路图案的「物理长度」物理长度皆为290mm

$ L! r7 m  a' k6 R( v

3 X, \& {2 U; {; K6 {5 g. ]图6 板上的线路图案种类电路
　

图7 电路板的线路图案特性阻抗量测系统

图8 7种线路图案利用TDR量测的特性阻抗值

相较之下「电气长度」亦即330－152＝178mm几乎成一定值。由以上结论出现下列两个疑问:
(1).一般都认为「电气长度」与「物理长度」，可是线路图案弯曲次数亦即凹凸次数与长度的关系为何？
(2).半导体厂商对阻值Zo 的误差量一般都设为±10%，上述实验证明事实上误差量可低于±5%，不过半导体厂商将来要如何定义输入阻值？
有关第(1)项的质疑例如图8所示线路不规则为 ，图案全长为L时:
                   L＝
  U& ?; `6 R% q9 D( @6 U的关系会成立，式中的亦即信号行进横向合计尺寸与线路不规则n无关，也就是说必需抑制L的，如此一来为了增加 必需减少 ，因此图9的线路不规则次数越多，图案的 必需设法使它变得更小，然而图8的不规则线路却未发生L阻抗成份，且图的信号未依照 路径行进，却由 路径行进，主要原因由如图10的说明便可获得合理的解释。

Allevi

很实用的东东，研究一下，谢谢分享