基于FDTD算法分析接地孔对信号完整性影响方法与流程
本发明涉及一种基于fdtd算法分析接地孔对信号完整性影响方法，属于服务器pcb电路板技术领域。
背景技术：
fdtd以其直接时域计算、广泛的适用性、节约存储空间和计算适合并行计算及计算程序的通用性的特点，正受到越来越广泛的重视，并逐步应用于实际问题。可以将全波电磁分析的精确性和电路分析的快速性结合起来，利用fdtd全波电磁方法提取频变参数后，转为利用多种电路分析方法对高速互连进行分析。fdtd是一种显式差分算法，是按时间步进计算电磁场在计算空间内的变化规律，时间步长和空间步长应该遵守一定的规则，否则会发生稳定性问题。这种不稳定性不是由于误差积累产生的，而是由于人为规定时间与空间步长破坏了电磁波传播的因果关系造成的。因此，为了用导出的差分方程进行稳定的计算，就需要合理地选取时间步长与空间步长的关系。
fdtd正应用于实际问题，用电磁场直接模拟分析高速电路中信号响应和同步开关噪声的方法，相比较于以往的等效电路法，无论是计算精度还是应用范围都有了巨大进步。将多个大型机并行使用并以fdtd方法进行多层pcb的电特性模拟，充分利用fdtd适合并行计算的优点，对于多层pcb的电磁计算效率有很大提高。
如今，对si的研究正趋向场路混合建模以及多种数值算法的协同配合。可以将全波电磁分析的精确性和电路分析的快速性结合起来，利用fdtd全波电磁方法提取频变参数后，转为利用多种电路分析方法对高速互连进行分析，例如，对复杂电路系统可应用模型降阶分析；由于高速板中器件管脚多、布局密度大且约束条件多，布线在一层就可以走通的情况非常少，过孔作为信号的换层手段就显得必不可少。高速条件下不仅考虑过孔连通性，还应考虑其高频时的电气特性、寄生参数的影响，对于宽频带的高速信号，其寄生效应更为复杂。
此时，过孔相当于信号传输路径上的一个不连续点，会导致信号的反射、衰减等问题。根据工艺，过孔分为通孔、盲孔、埋孔和微孔。通孔穿过整个线路板，可用于实现内部互连或作为元件的安装定位孔；盲孔、埋孔与微孔有利于提高pcb的密度，主要用于多芯片模块中，但是制作工艺复杂，成本较通孔高，所以绝大部分pcb均使用通孔。
从过孔的作用来看，除了上文提到的信号过孔，还有地过孔和散热过孔。本发明将详细研究信号通孔的对高速信号的影响，并通过fdtd分析接地过孔对高速信号完整性的改善作用。
技术实现要素：
针对上述技术的不足，本发明提供了一种基于fdtd算法分析接地孔对信号完整性影响方法，其能够准确的判断接地孔对信号完整性的影响，极大地的降低pcb换层处与接地孔之间的信号相互影响。
本发明解决其技术问题采取的技术方案是：基于fdtd算法分析接地孔对信号完整性影响方法，其特征是，将全波电磁分析的精确性和电路分析的快速性进行结合，利用fdtd全波电磁方法提取频变参数后转为利用多种电路分析方法对高速互连进行分析。
进一步地，所述的方法包括以下具体步骤：
步骤s1，根据高速信号换层处的具体情况将信号换层处分为不同的参考平面；
步骤s2，根据对信号通孔结构的分析建立等效π模型；
步骤s3，采用fdtd算法对接地孔进行分析；
步骤s4，利用hfss仿真软件提取的s参数以及等效π模型的二端口网络，并计算3ghz范围内的该通孔寄生参数；
步骤s5，对fdtd计算结果和hfss仿真结果进行分析比较；
步骤s6，对有、无地接孔情况下的s参数以及时域响应继续比较，确定接地孔对信号完整性的改善作用。
进一步地，在步骤s1中，根据高速信号换层处的具体情况将信号换层处分为：(a)信号换层之后的参考层仍然是同一平面、(b)信号换层之后参考相同性质的不同平面、(c)信号换层之后参考不同性质的平面。
进一步地，在步骤s2中，对信号通孔结构的分析过程为：对于高速信号，过孔会产生寄生电容与寄生电感，寄生电容主要使数字信号上升沿减慢，尤其对于多次信号跃迁，严重降低了电路的速度；寄生电感带来的危害往往更大，通孔串联电感会降低电源旁路电容的有效性，使整个电源供电滤波效果变差；由于通孔结构很小，当信号在通孔上的传播时延小于边沿变化率的1/10时，可将其建模为集总元件，即等效π模型。
进一步地，在步骤s3中，采用fdtd算法对接地孔进行分析的具体过程包括以下步骤：
(1)选择空间步长δx＝δy＝0.2mm，δz＝0.1mm，其层数分别为lx＝ly＝lz＝10，为准确模拟微带线结构，微带线各方向采用局部细分，亚网格空间步长
(2)为满足数值稳定性条件，计算时间步长：
式中，
(3)选择高斯脉冲
(4)由于地孔相对于一个过孔，并且这个过孔赋有gnd属性，为了便于用maxwell方程分析，所以可以将地孔看做一条平行于高速线的传输线，在接地线上以每隔四分之一最高信号频率分量的波长的距离沿传输方向设置接地孔，pcb板的地参考面可靠连接在一起。
进一步地，在步骤s4中，计算得到3ghz范围内的该通孔寄生参数寄生电容cpad和串联电感lbarrel，寄生电容cpad值在随频率变化且低频段电容值是不可靠的，串联电感lbarrel值在随频率变化且低频段电感值是不可靠的，经验计算值与hfss结果近似。
进一步地，在步骤s5中，由s参数计算分析可知过孔直径、焊盘直径、反焊盘直径分别与s21成反比，而与s11成正比。
进一步地，在步骤s6中，如果信号换层之后参考同性质的不同平面或不同性质的平面，过孔的信号完整性问题就比较严重，针对这两种情况的噪声抑制措施分别是加接地孔和去耦合电容。
进一步地，在步骤s6中，对有、无地接孔情况下的时域响应进行比较的过程为：在给定一个同样波形后，通过fdtd算法分别比较有无地孔之后的脉冲响应，无论从上升时间还是延迟时间，有地孔的性能均优于无地孔的。
进一步地，对有、无地接孔情况下的s参数进行比较的过程为：通过运行fdtd算法得到，在tm波以过孔为中心呈圆形的波前面，在s11参数中，在3gb频率以内，有地孔的信号损耗低于没有地孔的信号损耗；在s回损参数中，同样得到与在s11参数中相同的结论。
本发明的有益效果是：
本发明采用fdtd算法来分析接地孔对信号完整性影响的方法，fdtd以其直接时域计算、广泛的适用性、节约存储空间和计算适合并行计算及计算程序的通用性的特点，正受到越来越广泛的重视，并逐步应用于实际问题；在pcb实际线路走线时，能够准确的知道接地孔对信号完整性的影响，极大地的降低了pcb换层处与接地孔之间的信号相互影响，从具体数字中得到接地孔对信号完整性的影响。
在整个pcb设计中，由于高速信号在高速信号不可避免的要进行换层，本发明通过在高速信号换层处加入接地孔大大的改善了整个pcb系统的全面性，从而保证了整个系统的稳定性，更好的进行了信号之间的在实际运行中高速传输状态，增强了服务器系统的可靠性。
附图说明
下面结合说明书附图对本发明进行说明。
图1为本发明的方法流程图；
图2为信号通孔结构示意图；其中，图2(a)为信号换层之后的参考层仍然是同一平面的示意图，图2(b)信号换层之后参考相同性质的不同平面，图2(c)信号换层之后参考不同性质的平面；图3为通孔结构的等效电路示意图；
图4为过孔寄生电容cpad和寄生电感lbarrel的示意图；
图5为通孔结构反射系数s11和传输系数s21的示意图；
图6为通孔结构的时域响应示意图；
图7(a)为增加接地孔后的通孔结构反射系数s11和传输系数s21示意图；
图7(b)为增加接地孔后的通孔结构的时域响应示意图。
具体实施方式
为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。
本发明的一种基于fdtd算法分析接地孔对信号完整性影响方法，它将全波电磁分析的精确性和电路分析的快速性进行结合，利用fdtd全波电磁方法提取频变参数后转为利用多种电路分析方法对高速互连进行分析。
如图1所示，本发明基于fdtd算法分析接地孔对信号完整性影响方法包括以下具体步骤：
步骤s1，根据高速信号换层处的具体情况将信号换层处分为不同的参考平面；根据高速信号换层处的具体情况将信号换层处分为：(a)信号换层之后的参考层仍然是同一平面、(b)信号换层之后参考相同性质的不同平面、(c)信号换层之后参考不同性质的平面。
步骤s2，根据对信号通孔结构的分析建立等效π模型；对信号通孔结构的分析过程为：对于高速信号，过孔会产生寄生电容与寄生电感，寄生电容主要使数字信号上升沿减慢，尤其对于多次信号跃迁，严重降低了电路的速度；寄生电感带来的危害往往更大，通孔串联电感会降低电源旁路电容的有效性，使整个电源供电滤波效果变差；由于通孔结构很小，当信号在通孔上的传播时延小于边沿变化率的1/10时，可将其建模为集总元件，即等效π模型。
步骤s3，采用fdtd算法对接地孔进行分析；稳定性判断fdtd是一种显式差分算法，是按时间步进计算电磁场在计算空间内的变化规律，时间步长和空间步长应该遵守一定的规则，否则会发生稳定性问题。这种不稳定性不是由于误差积累产生的，而是由于人为规定时间与空间步长破坏了电磁波传播的因果关系造成的。因此，为了用导出的差分方程进行稳定的计算，就需要合理地选取时间步长与空间步长的关系。采用fdtd算法对接地孔进行分析的具体过程包括以下步骤：
(1)选择空间步长δx＝δy＝0.2mm，δz＝0.1mm，其层数分别为lx＝ly＝lz＝10，为准确模拟微带线结构，微带线各方向采用局部细分，亚网格空间步长
(2)为满足数值稳定性条件，计算时间步长：
式中，
(3)选择高斯脉冲
(4)由于地孔相对于一个过孔，并且这个过孔赋有gnd属性，为了便于用maxwell方程分析，所以可以将地孔看做一条平行于高速线的传输线，在接地线上以每隔四分之一最高信号频率分量的波长的距离沿传输方向设置接地孔，pcb板的地参考面可靠连接在一起。
步骤s4，利用hfss仿真软件提取的s参数以及等效π模型的二端口网络，并计算3ghz范围内的该通孔寄生参数；计算得到3ghz范围内的该通孔寄生参数寄生电容cpad和串联电感lbarrel，寄生电容cpad值在随频率变化且低频段电容值是不可靠的，串联电感lbarrel值在随频率变化且低频段电感值是不可靠的，经验计算值与hfss结果近似。
步骤s5，对fdtd计算结果和hfss仿真结果进行分析比较；由s参数计算分析可知过孔直径、焊盘直径、反焊盘直径分别与s21成反比，而与s11成正比。
步骤s6，对有、无地接孔情况下的s参数以及时域响应继续比较，确定接地孔对信号完整性的改善作用。如果信号换层之后参考同性质的不同平面或不同性质的平面，过孔的信号完整性问题就比较严重，针对这两种情况的噪声抑制措施分别是加接地孔和去耦合电容。对有、无地接孔情况下的时域响应进行比较的过程为：在给定一个同样波形后，通过fdtd算法分别比较有无地孔之后的脉冲响应，无论从上升时间还是延迟时间，有地孔的性能均优于无地孔的。对有、无地接孔情况下的s参数进行比较的过程为：通过运行fdtd算法得到，在tm波以过孔为中心呈圆形的波前面，在s11参数中，在3gb频率以内，有地孔的信号损耗低于没有地孔的信号损耗；在s回损参数中，同样得到与在s11参数中相同的结论。
本发明采用的fdtd算法以其直接时域计算、广泛的适用性、节约存储空间和计算适合并行计算及计算程序的通用性的特点，正受到越来越广泛的重视，并逐步应用于实际问题。
它可以将全波电磁分析的精确性和电路分析的快速性结合起来，利用fdtd全波电磁方法提取频变参数后，转为利用多种电路分析方法对高速互连进行分析。fdtd是一种显式差分算法，是按时间步进计算电磁场在计算空间内的变化规律，时间步长和空间步长应该遵守一定的规则，否则会发生稳定性问题。
这种不稳定性不是由于误差积累产生的，而是由于人为规定时间与空间步长破坏了电磁波传播的因果关系造成的。因此，为了用导出的差分方程进行稳定的计算，就需要合理地选取时间步长与空间步长的关系。
如图2所示，对于高速信号，过孔会产生寄生电容与寄生电感，寄生电容主要使数字信号上升沿减慢，尤其对于多次信号跃迁，严重降低了电路的速度；寄生电感带来的危害往往更大，通孔串联电感会降低电源旁路电容的有效性，使整个电源供电滤波效果变差。
如图3所示，由于通孔结构很小，当信号在通孔上的传播时延小于边沿变化率的1/10时，可将其建模为集总元件，即等效π模型。
如图4所示，利用hfss提取的s参数以及等效π模型的二端口网络，计算得到3ghz范围内的该通孔寄生参数，cpad值在0.45--0.48pf之间随频率变化且低频段电容值是不可靠的，lbarrel在1.25--1.40nh之间随频率变化，经验计算值与hfss结果近似。
事实上寄生参数是随频率变化的，当频带较宽或信号参考面较复杂时，经验公式就不太可靠了，因此利用fdtd方法研究信号通孔的特性。
如图5所示，显然fdtd计算结果和hfss仿真结果极为吻合，而experientialspice是利用电路方法构造vna来分析经验公式计算出的等效π模型，得到的有较大偏差，主要是寄生参数的近似引起的。由进一步s参数计算分析可知过孔直径、焊盘直径、反焊盘直径分别与s21成反比，而与s11成正比。
如图6所示为通孔结构的时域响应，给定一个占空比为50％，周期为2ns，与tr和tf为0.1ns的脉冲信号，图6中inputsignaltdr表明该通孔引起的不连续性使高速信号发生反射与时延，特别是信号边沿上的幅值衰减达到了70mv，这是由于通孔的寄生电感引起了过量反射噪声。
另外，从通孔模型来看，寄生电感两侧各有一个寄生电容，使得感性突变转变为传输线。本算例中通孔的特性阻抗为48.71ω，接近两端的微带线特性阻抗50ω，因此outputsignal噪声不是很严重(10mv左右)，主要还是时延(大约32ps)。
如图7所示，在给定一个同样波形后，通过fdtd算法分别比较有无地孔之后的脉冲响应，可以看到无论从上升时间还是延迟时间，有地孔的性能均优于无地孔的。通过运行fdtd算法以后可以得到，在tm波以过孔为中心呈圆形的波前面，在s11参数中，可以看出，在3gb频率以内，有地孔的信号损耗低于没有地孔的信号损耗。在s回损参数中，同样可以得到相同的结论。在合理放置接地孔之后，在整个宽频带上回损显著减小，插损接近于1，实际信号衰减从50mv左右改善到与输入信号一致，并改善了上升时间，缩短了信号时延。另外，当高速信号经过通孔穿越电源和地层时，一般会在过孔处感应出电流，这些过孔中的感应电流将会在金属层之间产生电磁波传播，从而由过孔处激励起寄生的平板波导模式。平板波导模以过孔为中心呈圆形的波前面，迅速地向四周传播开来，并且完全改变了波阻抗的性质，场强度幅值随之衰减。由于pcb板的尺寸有限，这种平面波传播到pcb板的介质边缘时会终止其传输，其中部分能量被反射回来形成谐振，另一部分能量会辐射到空间中。
与现有技术相比较，本发明具有以下特点：
1)、提出fdtd算法在接地孔的研究：fdtd以其直接时域计算、广泛的适用性、节约存储空间和计算适合并行计算及计算程序的通用性的特点，正受到越来越广泛的重视，而本发明就是应用于接地孔的研究；
2)、提出过孔寄生电容和寄生电感随频率变化的情况，可以快速得到过孔寄生电容和寄生电感的具体数值；
3)、通过在高速信号换层处的fdtd计算结果和hfss仿真结果对比，两者极其吻合，并且快速地可以查看s参数值以及时域响应；
4)、通过在高速信号换层处添加接地孔以后的fdtd计算结果和hfss仿真结果对比，在基于fdtd的情况下，可以十分清楚的看到接地孔对信号完整性的促进作用。
以上所述只是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也被视为本发明的保护范围。
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