没有10年工作经验，我猜你都不会用电磁场来分析高速问题吧？

公众号 | 高速先生

作者 | 黄刚

临放假了，就不发一些很难理解的理论文章了，让大家看得轻松点。说点什么内容来开场呢？随着高速信号的速率越来越高，设计难度越来越大，对layout工程师，硬件工程师和我们SI工程师的分析定位问题的能力提出了更高的要求。

我们来分析PCB上的某一条高速链路时，可能有90%的工程师们都会选择从S参数和眼图两个维度去分析，无论是在做仿真还是测试阶段。例如我们看到一条10G信号链路的频域参数是这样的时候，根据我们的经验会觉得性能很好。S参数很线性，眼图张开度很大，都挺好！

当然经验也告诉我们，以下这个链路的频域性能贼差，无论是从眼图还是S参数都能够看到。

但是工作多年的你们有没有想过这个问题，就是频域参数差，到底对应到PCB链路上是哪个地方的设计差呢？为什么这个设计会很差呢？传统的教育已经深入SI工程师的骨髓了，那就是S参数嘛，本身就是黑盒子，只是链路的收发端通过端口提取得到参数性能，可以不用管链路由什么结构组成！

但是硬件工程师想知道问题啊，PCB设计工程师更想知道问题啊，他们还等着你找出问题，然后告诉他们怎么修改PCB设计呢！这个时候SI工程师就得打开这个黑盒子，去看看里面到底是哪个地方出了问题。尤其是像上面的一个特定链路，遇到一个很大的谐振尖峰时，需要你从PCB设计上去找到这个谐振产生的地方和原因，你能做到吗？

时域的眼图只能告诉你张开度怎么样，频域S参数只能看到损耗曲线是不是线性，有没有谐振，有问题时他们都很难直观的告诉你为什么是这样，是哪里出了问题。因此假设你已经有一定的设计和SI的积累后，高速先生今天给大家推荐一个对高速信号很有效的分析方法，通过电磁场分布来分析和定位问题！

我们知道，高速信号在传输过程中，其实就是以电磁场的形式在信号路径和返回路径之间传输，例如以下的一个简单的传输线结构。

要是看看返回路径（也就是你们经常说的地平面）位置的电场时，会发现电场基本上都会在信号线的投影范围传输，不会有太多的电场能量扩散到其他位置，也就是我们经常说的3H原则。电场被包裹得很好，也就是说明信号线的参考平面很完整，所以我们知道这条链路的性能会不错。

在简单入了门之后，那我们来分析下如果是不完整的参考平面情况下会怎么样呢？例如下面的信号跨分割的设计。

如果我们还是把这个结构当做黑盒子的时候来提取频域S参数的时候，通过3D仿真，能得到这条链路的损耗曲线，非常不线性，在某些频点会有很大的谐振点。

结果的确很差，但是只看频域参数，你们能分析出它差的原因吗？在谐振点位置的损耗那么大是为什么呢？那我们拿其中一个谐振频点（就第三个频点吧，24GHz附近）去看看这个结构的回流路径的电场，你就会有惊人的发现。

哦！！！这个时候你就能解释说，原来在这个频点的信号回流沿着分割槽饶了弯路，没法从跨分割区域直接跳过去，因此导致很大的回流电感，损耗就变大啦！

另外电场在分析过孔stub到底有什么影响时，也非常的有用。例如以下这个有比较长stub的过孔结构。

从S参数上，我们当时知道会出现谐振点，如下所示：

但是不看看电场，你不会了解这个在谐振点频点位置的信号是怎么走的，一起来看看就知道了。

可以看到，在这个频点时，信号的电场能量全部都分布在过孔stub这里，仿佛这里才是他要去的地方，而原来右边过孔换到内层出线的路径，基本上没有什么能量分布。然后这个时候不仅仅是这个过孔结构的信号质量比较差，往stub走的大部分能量还很容易往空间去扩散，形成非常严重的EMI辐射，下图就是这个结构在空气中的电场分布图。

是不是给很多朋友们开拓了一条分析高速信号的新道路呢？当然上面列举的例子都还算很简单的结构。其实有很多在频域和时域有问题，但是又非常难分析和定位问题的结构，如果学会了这一招，或多或少都能够找到原因哈（看个人使用能力了）。今儿高速先生只是让大家知道这个好的招数和带大家简单的入个门，大伙如果觉得有用的话就不妨去试试吧！

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年底了，送送积分哈，说说你们对这个分析方法的感受和想法吧，觉得好的话就帮忙转发扩散哈！