目录

0 引言

1 基于CST的3D通孔模型

2 通孔模型的近似等效计算

3 利用ADS进行电路仿真分析

4 总结

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0 引言

        当数据速率超过10Gbps时，PCB上的通孔所带来的寄生参数会成为影响数据误码率的关键因素之一，虽然通过三维电磁场求解器提取过孔的行为模型（通常用S参数进行描述）可以准确地进行设计评估，但在一些设计评估阶段，必须进行快速分析并获取一个直观的系统性能结果，以指导最终的详细设计，此时，使用传统的电磁场求解器可能是一个耗时的过程，工程师更需要一个值得信赖的简易数学模型来正确地构建通孔参数，获取的参数需要能够取代测量数据和场求解结果，为设计提供正确的指导。

        本文借鉴了参考文献[1]中提出的一种基于特征阻抗和有效介电常数的PCB差分通孔解析方程建模方法，在没有传统的测量数据或电磁模拟数据来提取这些参数的情况下，该方法可以快速有效地预测PCB上差分通孔的行为。

1 基于CST的3D通孔模型

        在CST的三维电磁场求解器中，构建了如下的12层叠构的差分通孔模型，其中第1和第3层为布线层，这就意味着第3~12层均为过孔分支（via stub），关于模型的具体细节，可以参考扩展阅读[1]。

2 通孔模型的近似等效计算

        由于设计中已经去除了通孔上的非功能焊盘，对于via stub的近似分析可以基于通孔的孔径尺寸，而不需要额外考虑通孔焊盘的尺寸影响。

        如下图所示，具体的设计参数：孔间距s=0.76mm，过孔半径r=0.1016mm，反焊盘直径D1=0.69mm，via_stub_length=1.3mm，via_signal_path_length=0.3mm，并且，由于实际叠构中的介电常数参数分布略显复杂，近似计算时统一取值Dkavg=4。

        知道上述参数后，可以根据结构尺寸，求解通孔叠构中的有效介电常数为：

        分支所造成的信号传播延时为：

        由分支导致的共振频率为：

        分支结构的差分阻抗为：

3 利用ADS进行电路仿真分析

        再利用ADS仿真软件，将以上的近似计算结果带入到电路模拟中，具体配置如下图所示，电路的级联按照通孔的三维模型进行近似等效。

        与此同时，将在CST三维电磁场求解器中提取的通孔S参数文件同步带入到ADS中进行对比分析。

        对比结果显示，回拨损耗和插入损耗均可以较好地匹配，等效计算得到的插入损耗中的共振频点与三维仿真的结果非常地接近，并且，这样的共振频点很难通过测量的手段得到，因此，等效计算的结果将更为值得信赖。

        阻抗的结果显示，等效计算的结果会比仿真结果小5.6欧姆，关键影响因素在于有效介电常数的等效，由于现实中获取介电常数的各向异性参数并不容易，实际等效时，可以从供应商处尽可能获取准确的信息以调整Dkavg的值。

4 总结

        这样一种简单、可扩展、高带宽的差分通孔电路模型，可以用来准确地描述一个真实的差分通孔结构到非常高的带宽，并且，与电磁场求解器的对比结果表明，该模型具有较高的准确度。在没有测量数据或求解器模拟结果的情况下，应用该方法可以快速量化和优化数据通道模型中通孔的性能，或帮助优化使用三维场求解器生成的后续模型。

扩展阅读

[1] 基于CST Via Wizard的过孔建模分析_viawizard-CSDN博客

[2] ADS Via Designer 快速建模举例-CSDN博客

参考文献

[1] Differential Via Modeling Methodology, Lambert Simonovich.(PDF) Differential Via Modeling Methodology (researchgate.net)