PCB线路板中的走线分析

在PCB板的设计过程中，元器件的布局和走线的调整是非常重要的一个步骤。恰当的布局可以简化布线的难度，更重要的是可以提高PCB的电气性能，减少EMC，EMI。下面是对不同情况下PCB走线的频率、阻抗特性和EMI特性进行分析，选择使用工具包括HFSSVia Wizard、HFSS、CST。

1、单层地结构走线阻抗

为方便建模操作，利用HFSS Via Wizard生成过孔模型，自动导入HFSS，保存模型.sab格式文件，利用CST软件读取模型文件，进行修改。

模型的尺寸：截面示意图如下图03所示，PCB单层厚度5mil，微带线厚度1.2mil，宽度5mil，过孔外直径24mil，内直径12.8mil，总长度500mil，两根微带线间距40mil。

材质：微带线—copper、PCB—FR-4、GND—copper

仿真频率：0.1Ghz—10Ghz

信号源特性：Gaussian信号

仿真结束后，可以得到S参数曲线，根据S参数可以看出插损整体接近0dB，最低-2.25dB左右，再由S参数转换为阻抗Z参数，可以看到该段电源走线的阻抗特性在5.5Ghz前是比较稳定的，在5.9Ghz位置阻抗迅速升高，前面计算的功率损失主要由该段高阻抗部分导致。在仿真频段内添加10个表面电场监视器，然后查看不同频率下电场的分布。

2、双层地结构带状走线阻抗

和上面一样是先建立模型，方法同上，只需在其基础上增加一层地层。模型的尺寸，同第一步相似，不同之处在于，这里增加一层覆铜做，加上间隔层，比第一步总增加两层。

仿真频率：0.1Ghz—10Ghz

信号源特性：Gaussian信号

仿真结束后，可以得到S参数曲线，再根据得到的S参数可以很明显的看到，增加一层地层后，其S参数较单层地来看比较接近，其插损在-2.66dB左右。将S参数转换成Z参数，在5Ghz以前，线路的阻抗都是比较低的。将单层地结构和双层地结构进行比较。同样查看6.04Ghz频率下的电场分布情况，可以看到，电场主要集中在波端口1处，端口1作为激励源，附近电场最强。

与第一步相比，由于新加地层导致的阻抗分布均匀性更好，所以表面电场在不同频率下波动很小，电源噪声相比会更小。双层地结构的表层电流噪声仅存在于端口附近，远离端口位置的噪声非常低,端口部分的微带线走线属于器件管脚部分，严格控制管脚或者焊盘在PCB表层的长度，可最大程度上降低走线导致的EMI辐射。

3、优化传输线阻抗

从上面两步可以看出，高速信号线和电源线之所以要放在多层板的中间层。基本都是考虑到PCB的EMC特性，放置在表层可以提供更宽频率下的低阻抗要求。但是，EMC的设计要求使得其不得不在PCB内部走线。从中可以看出，穿过覆铜层导致其信号回路断层，过孔处电场强度很高。之所以造成局部电场强度过高，是由于信号回路的回路互感过高，产生电压噪声，电压噪声的计算。

当回路阻抗（主要以感抗为主）高于空气中的电磁波阻抗（377Ω）时，信号会选择从空间传播。这正是EMI产生的原因。为了抑制噪声的产生，必须保证信号回路的阻抗完整性。这里通过在过孔附近设置通孔的方式。其中有有通孔和无通孔两种情况。

1）无通孔的情况

因为该模型是CST官方自带的Demo，省去了建模的工作。首先对无通孔的PCB进行仿真，CST的网格设置比较强大，这里利用局部网格设置，取消对四个通孔的网格剖分，避免了修改模型的操作。根据得到的S参数，可以看到随着频率的增加，插入损耗增大，波端口的反射增加。最后查看整个模型的表面电场分布情况。选择时域下的表面电场，16图是截取59ps时刻的瞬间电场。从模型的空间电场分布来看，由于信号回路只能依靠空间电磁场传播，电场几乎均匀的分布在整个模型中，使具有参考电平作用的地平面充满噪声信号。

2）有通孔的情况

增加通孔，可以为信号提供低阻抗回路，避免有用信号称为污染噪声。根据增加通孔得到的S参数，对比无通孔的情况，插损相对较小。查看模型的电场分布情况，截取51ps下的电场分布图，可以看到电场区域被限制在通孔附近。