幾個(gè)月前幫一個(gè)團(tuán)隊(duì)看一塊高速板差分過(guò)孔的仿真結(jié)果漂亮得讓人挑不出毛病Sdd21在10GHz才-1.3dB回波損耗也遠(yuǎn)低于-20dB。結(jié)果樣品拿去EMI預(yù)掃描8GHz附近冒出一個(gè)很明顯的輻射尖峰。硬件工程師盯著屏幕不說(shuō)話意思很清楚差分線做成這樣還能超我把S參數(shù)導(dǎo)出重新做了一次模式轉(zhuǎn)換答案就藏在Sdc21那條曲線里。差模能量在換層過(guò)孔附近有相當(dāng)一部分轉(zhuǎn)換成了共模共模電流順著參考地平面一路竄到線纜最后以輻射形式泄漏出去。這個(gè)案例不是個(gè)例。這些年我見(jiàn)過(guò)太多只盯著Sdd21做評(píng)審的場(chǎng)合而CST里那個(gè)經(jīng)常被忽略的Mode Converter模式轉(zhuǎn)換功能恰恰是定位這類問(wèn)題最快的抓手。這篇文章就把我用CST做差分信號(hào)與共模噪聲仿真的完整套路拆開從為什么不能只看Sdd21到端口設(shè)置、求解器選型、后處理判讀最后附上我真實(shí)踩過(guò)的七個(gè)坑和一個(gè)完整案例。適合正在做信號(hào)完整性、EMC預(yù)評(píng)估的硬件工程師和仿真工程師參考同樣適合剛開始學(xué)CST、對(duì)差分端口和混合模式S參數(shù)一頭霧水的朋友。1. 模式轉(zhuǎn)換為什么差分仿真不能只看SDD211.1 一段被Sdd21騙了的經(jīng)歷先把這個(gè)案例再講透一點(diǎn)。那個(gè)差分過(guò)孔結(jié)構(gòu)Sdd21曲線非常干凈說(shuō)明差模信號(hào)從端口1傳到端口2的損耗很小通道本身沒(méi)有大的阻抗不連續(xù)。但EMI預(yù)掃描照樣超標(biāo)原因就是我把問(wèn)題問(wèn)窄了——差分鏈路里傳輸?shù)膹膩?lái)不只是差模。真實(shí)世界里的差分信號(hào)P和N兩路不可能做到絕對(duì)對(duì)稱。地平面過(guò)孔位置不對(duì)稱、換層過(guò)孔的stub不等長(zhǎng)、連接器引腳區(qū)域阻抗失衡甚至走線拐角內(nèi)側(cè)外側(cè)的場(chǎng)分布差異都會(huì)讓一部分差模能量轉(zhuǎn)化成共模電流。共模電流的特點(diǎn)是方向一致對(duì)外輻射能力遠(yuǎn)強(qiáng)于差模。打個(gè)比方差模像兩個(gè)人背靠背傳球場(chǎng)地外的人很難看到信號(hào)共模像兩個(gè)人同時(shí)朝一個(gè)方向揮手哪怕力量不大遠(yuǎn)處也看得清清楚楚。所以差分仿真的結(jié)果判讀不能只看Sdd21這一條線。凡是涉及過(guò)孔換層、連接器、線束出口這種對(duì)稱性容易崩塌的位置必須把模式轉(zhuǎn)換項(xiàng)一并拖出來(lái)看。很多EMC問(wèn)題之所以在仿真階段沒(méi)暴露就是因?yàn)樵u(píng)審只看Sdd21和Sdd11而差模到共模轉(zhuǎn)換這條路徑恰恰被漏掉了。1.2 混合模式S參數(shù)把四條腿的數(shù)據(jù)拆開看要理解Mode Converter在做什么先得把混合模式S參數(shù)的概念理順。一個(gè)差分通道通常對(duì)應(yīng)四個(gè)單端端口近端P、近端N、遠(yuǎn)端P、遠(yuǎn)端N。把這四個(gè)端口按奇偶關(guān)系重新組合就能得到差模D和共模C兩組模式。CST的Mode Converter本質(zhì)上就是在做這個(gè)端口空間的線性變換。變換之后原來(lái)4x4的單端S參數(shù)矩陣就變成一組更有物理意義的混合模式S參數(shù)。下面這幾個(gè)是我每次必看的關(guān)鍵項(xiàng)參數(shù)含義主要關(guān)心原因Sdd21差模信號(hào)從端口1傳到端口2的傳輸系數(shù)正常信號(hào)質(zhì)量越小越好Sdd11差模回波損耗阻抗連續(xù)性越小越好Scc21共模信號(hào)從端口1傳到端口2的傳輸系數(shù)共模噪聲沿通道的傳播能力Sdc21差模激勵(lì)下在遠(yuǎn)端測(cè)到的共模響應(yīng)差模泄漏成共模的程度和EMI強(qiáng)相關(guān)Scd21共模激勵(lì)下在遠(yuǎn)端測(cè)到的差模響應(yīng)外部共模干擾進(jìn)入差分系統(tǒng)的能力Sdc21和Scd21是互易的但物理含義不完全一樣。SI工程師最關(guān)心Sdc21因?yàn)樗亲约寒a(chǎn)生的共模噪聲EMC工程師可能更關(guān)心Scd21因?yàn)樗峭饨绻材８蓴_變成系統(tǒng)內(nèi)差模的路徑。實(shí)際項(xiàng)目里EMI超標(biāo)往往就是Sdc21在某個(gè)頻點(diǎn)冒尖引起的。物理上模式轉(zhuǎn)換的來(lái)源通常集中在幾個(gè)地方不對(duì)稱的過(guò)孔換層、回流地孔排布不均、差分對(duì)P/N走線長(zhǎng)度或?qū)挾炔町?、連接器引腳的不對(duì)稱、以及反焊盤尺寸設(shè)計(jì)不當(dāng)。這些結(jié)構(gòu)一旦不對(duì)稱差模能量就會(huì)漏到共模上去。Sdc21這條曲線本質(zhì)上是把幾何不對(duì)稱性在頻域里放大了給看。1.3 CST里Mode Converter到底轉(zhuǎn)的是什么CST里關(guān)于模式轉(zhuǎn)換有兩個(gè)容易混淆的概念。第一個(gè)是波端口模式第二個(gè)是后處理的混合模式S參數(shù)宏。很多新手一聽到Mode Converter就以為是個(gè)一鍵按鈕其實(shí)它是一套從多導(dǎo)體傳輸線系統(tǒng)抽象出差模/共模正交模式的處理方法。波端口模式下CST會(huì)在傳輸線截面解出若干個(gè)本征模式。以差分微帶線為例當(dāng)波端口包圍整對(duì)走線和參考地時(shí)CST自動(dòng)解出的最低階兩個(gè)模式一個(gè)電場(chǎng)方向是P和N相反奇模對(duì)應(yīng)差模另一個(gè)電場(chǎng)方向是P和N同向偶模對(duì)應(yīng)共模。所以端口設(shè)置里讓你填模數(shù)Number of Modes的時(shí)候如果只填1就只能看到差模相關(guān)的結(jié)果共模相關(guān)的Scc/Sdc就無(wú)從談起。這是很多人第一次碰壁的原因。后處理的Mode Converter則是另一回事。它把已經(jīng)算好的單端S參數(shù)通過(guò)線性組合轉(zhuǎn)換成混合模式S參數(shù)。CST里這個(gè)功能通常藏在Macros或者結(jié)果模板里名字可能叫Convert to Mixed Mode S-Parameters也可能叫Calculate Differential and Common Mode S-Parameters不同版本菜單位置不一樣。它的好處是靈活即使一開始按四個(gè)單端端口仿真事后也能無(wú)損失地轉(zhuǎn)換出Sdd、Scc、Sdc、Scd整套矩陣。換句話說(shuō)CST Mode Converter的角色就是一道橋把仿真原始的端口數(shù)據(jù)翻譯成SI/EMC工程師真正關(guān)心的差分與共模語(yǔ)言。2. 動(dòng)手前先想清楚模型邊界、端口方案與求解器2.1 模型邊界從哪切切到哪里為止做差分/共模仿真最容易犯的錯(cuò)是模型邊界切得剛剛好剛好把該看的場(chǎng)切沒(méi)了。模式轉(zhuǎn)換仿真里共模電流和回流路徑對(duì)模型邊界非常敏感。如果只截取一小段走線不把地平面和回流過(guò)孔包含完整共模電流找不到回流路仿真結(jié)果會(huì)和實(shí)際差很遠(yuǎn)。我的經(jīng)驗(yàn)是走線段模型至少要在目標(biāo)端口兩端各留出3到5倍線間距的長(zhǎng)度目的是讓端口激勵(lì)產(chǎn)生的高次模充分衰減端口處場(chǎng)分布盡量接近理想傳輸模式。過(guò)孔類模型更講究反焊盤外邊到模型邊界的距離至少留20到30mil參考地平面必須完整覆蓋過(guò)孔區(qū)域所有回流地孔都要真實(shí)建模進(jìn)去。邊界條件方面大多數(shù)板級(jí)仿真用Open(Boundary)加上PML就能得到穩(wěn)定結(jié)果。PML距離模型本體不要太近否則會(huì)吸收掉部分真實(shí)輻射場(chǎng)影響共模相關(guān)參數(shù)的準(zhǔn)確性。如果只是看S參數(shù)空間邊界可以適當(dāng)收緊如果還要結(jié)合場(chǎng)圖判斷共模輻射方向邊界就得留足。2.2 波端口模式一個(gè)端口解出差模和共模端口方案直接決定后面能不能看到共模。CST里給差分對(duì)加激勵(lì)常用兩種做法。第一種是畫一個(gè)較大的波端口把差分對(duì)的兩根線和參考地一起包進(jìn)去然后在Port屬性里把Mode Count設(shè)成2。CST會(huì)解出奇模和偶模兩個(gè)模式仿真結(jié)束后S參數(shù)矩陣?yán)锩總€(gè)頻點(diǎn)會(huì)包含mode(1)和mode(2)的結(jié)果。這樣可以直觀看到差模和共模在同一個(gè)端口下的表現(xiàn)。這種做法的前提是結(jié)構(gòu)比較規(guī)整走線截面是典型傳輸線形狀。第二種是分別給P和N各設(shè)一個(gè)單端波端口或者用離散端口仿真完成后通過(guò)后處理宏把四端口S參數(shù)轉(zhuǎn)換成混合模式S參數(shù)。這種做法適合連接器、焊盤、封裝等不規(guī)則結(jié)構(gòu)因?yàn)檫@類地方很難用一個(gè)規(guī)整的波端口同時(shí)包住差模和共模場(chǎng)分布。我個(gè)人的傾向是走線、過(guò)孔這種規(guī)則結(jié)構(gòu)優(yōu)先用大波端口加雙模式復(fù)雜互連結(jié)構(gòu)用四個(gè)單端端口加后處理轉(zhuǎn)換。兩種方法各有利弊但核心原則一致——端口必須給足觀察共模的自由度。如果端口方案從一開始就不支持偶模激勵(lì)后面任何關(guān)于共模的分析都是空中樓閣。2.3 時(shí)域還是頻域選錯(cuò)了求解器就是災(zāi)難的開始CST里做這類仿真主要面對(duì)時(shí)域求解器和頻域求解器兩條路。很多人習(xí)慣默認(rèn)時(shí)域一把梭但我認(rèn)為選擇依據(jù)很簡(jiǎn)單看結(jié)構(gòu)是寬頻低Q還是窄帶高Q。求解器適合場(chǎng)景優(yōu)勢(shì)主要限制時(shí)域求解器T-solverPCB走線、過(guò)孔鏈路、連接器寬頻一次性出結(jié)果一次仿真覆蓋全頻段適合SI掃頻支持GPU加速高Q強(qiáng)諧振結(jié)構(gòu)收斂慢網(wǎng)格量大時(shí)內(nèi)存壓力大頻域求解器F-solver諧振腔、濾波器、天線窄帶或高Q結(jié)構(gòu)精度高對(duì)諧振結(jié)構(gòu)收斂穩(wěn)定逐頻點(diǎn)求解寬帶掃頻慢大模型內(nèi)存占用高差分走線、差分過(guò)孔這類典型SI問(wèn)題我通常直接上時(shí)域求解器。模型尺寸動(dòng)輒幾十毫米頻段0到10GHz甚至更高時(shí)域求解器一次掃完效率優(yōu)勢(shì)非常明顯。但如果模型里存在強(qiáng)耦合諧振結(jié)構(gòu)比如連接器中的金屬腔體、相鄰過(guò)孔形成的高Q諧振回路時(shí)域求解器會(huì)在諧振點(diǎn)附近反復(fù)迭代時(shí)間會(huì)拖到懷疑人生。這時(shí)候果斷切頻域求解器往往更省時(shí)間。有個(gè)小技巧不確定結(jié)構(gòu)Q值高低時(shí)先做一個(gè)簡(jiǎn)化的小模型試跑。把邊界縮小、去掉非關(guān)鍵結(jié)構(gòu)只用時(shí)域求解器跑到初步收斂觀察迭代曲線和S參數(shù)振鈴情況。如果發(fā)現(xiàn)很難收斂趁早換求解器不要在錯(cuò)誤的工具里死扛。3. 從建模到判讀一套能直接復(fù)制的實(shí)操流程3.1 模型與材料FR4損耗別亂填銅箔粗糙度別忽略我看過(guò)很多團(tuán)隊(duì)的仿真和實(shí)測(cè)對(duì)不上原因不在端口而在材料參數(shù)填得太隨意。FR4的Dk和Df直接決定差分阻抗和損耗曲線。Dk填高了阻抗偏低Sdd11會(huì)變差Df填低了高頻損耗被低估Sdd21會(huì)顯得過(guò)度樂(lè)觀。工程上普通FR4在10GHz附近Dk大約在4.0到4.4之間Df在0.015到0.025之間但具體必須按板材廠商的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)填不能憑感覺(jué)。銅箔粗糙度是另一個(gè)容易被忽略的點(diǎn)。光滑銅和粗糙銅在高頻下的導(dǎo)體損耗差異很大尤其10GHz以上粗糙度導(dǎo)致的損耗增量可能讓Sdd21額外惡化0.5到1dB。CST里可以在銅材料屬性中設(shè)置表面粗糙度或者用Huray模型近似。實(shí)操上我一般先按平均粗糙度0.6到1.0um來(lái)估等有實(shí)際板廠數(shù)據(jù)再修正。另外要提醒一句做共模相關(guān)仿真時(shí)介質(zhì)厚度和介電常數(shù)的對(duì)稱性同樣重要。共模場(chǎng)的分布范圍比差模廣更受邊界附近介質(zhì)條件影響。如果模型里介質(zhì)參數(shù)左右不對(duì)稱Sdc21會(huì)被人為抬高干擾問(wèn)題定位。3.2 端口、邊界、頻段與監(jiān)視器的設(shè)置細(xì)節(jié)按順序走一遍我的常規(guī)設(shè)置流程每一步都有目的建模差分走線、參考地平面、過(guò)孔、反焊盤全部建出來(lái)。單位設(shè)成mil或mm都行但頻率范圍先想清楚。比如10Gbps信號(hào)重點(diǎn)看DC到10GHz如果還要評(píng)估EMI建議至少看到15GHz或20GHz。分配材料走線和地賦銅介質(zhì)賦FR4。過(guò)孔內(nèi)壁如果是金屬化孔需要在Solid中做相應(yīng)處理否則共?；亓髀窂綌嗔?。設(shè)置波端口截面畫在走線末端覆蓋范圍要包含差分對(duì)加參考地。在Port屬性里設(shè)置Mode Count2并定義積分線方向。積分線方向決定場(chǎng)極性也就決定了模式編號(hào)對(duì)應(yīng)的是差模還是共模。設(shè)置邊界默認(rèn)Open加PML即可。如果結(jié)構(gòu)本身是周期排布比如過(guò)孔柵欄或EBG可以考慮用Unit Cell邊界做周期單元仿真模板會(huì)自動(dòng)應(yīng)用周期邊界條件但普通差分過(guò)孔分析不必上周期邊界。設(shè)置監(jiān)視器在關(guān)心的頻點(diǎn)設(shè)置E-field、H-field和電流密度監(jiān)視器。共模噪聲分析中電流密度監(jiān)視器很有價(jià)值它能把共模電流的路徑直接可視化。頻段設(shè)置有個(gè)坑時(shí)域求解器默認(rèn)會(huì)從DC算起但如果模型存在直流開路結(jié)構(gòu)比如耦合電容DC附近結(jié)果可能失真。即便只看高頻我也建議把最低頻設(shè)為1MHz或10MHz避免DC極點(diǎn)干擾曲線平滑度。3.3 用Macros一鍵生成混合模式S參數(shù)仿真跑完后處理才是重頭戲。在導(dǎo)航樹的1D Results里選中S參數(shù)結(jié)果通過(guò)CST的Macros或Result Templates找到混合模式S參數(shù)轉(zhuǎn)換功能。不同版本的菜單名稱不完全一樣有的叫Convert to Mixed Mode S-Parameters有的藏在Calculate Differential and Common Mode S-Parameters里如果找不到直接在Macro Library里搜mixed mode或者differential。關(guān)鍵一步是端口映射設(shè)置。宏腳本需要知道哪兩個(gè)物理端口組成一對(duì)差分端口。比如Port1和Port2分別對(duì)應(yīng)P和N那么Differential Pair里就要把(1,2)設(shè)成一對(duì)。這個(gè)順序錯(cuò)了后面所有Sdd和Scc都會(huì)對(duì)調(diào)結(jié)果完全不可信。轉(zhuǎn)換完成后導(dǎo)航樹里會(huì)多出Sdd、Scc、Sdc、Scd等一組結(jié)果。我的習(xí)慣是把Sdd21和Sdc21拖到同一個(gè)圖里對(duì)比觀察。如果Sdc21在某個(gè)頻點(diǎn)突然翹起來(lái)基本可以斷定那個(gè)位置的幾何結(jié)構(gòu)存在明顯的模式轉(zhuǎn)換源頭再配合場(chǎng)圖去定位。這里補(bǔ)充一個(gè)經(jīng)驗(yàn)如果轉(zhuǎn)換后的Sdc21曲線在多個(gè)頻點(diǎn)出現(xiàn)毛刺或者大幅波動(dòng)不要急著解讀先檢查原始單端S參數(shù)是否平滑。原始數(shù)據(jù)不平滑通常意味著求解器收斂不夠、端口設(shè)置有問(wèn)題或網(wǎng)格太粗這時(shí)候后處理轉(zhuǎn)出來(lái)的混合模式結(jié)果也是不可信的。3.4 結(jié)果判讀模式轉(zhuǎn)換系數(shù)多大才算安全判讀閾值是很多人糾結(jié)的問(wèn)題。說(shuō)實(shí)話沒(méi)有一個(gè)放之四海而皆準(zhǔn)的數(shù)值Sdc21允許多大取決于具體產(chǎn)品的EMC要求、輻射測(cè)試限值、線纜耦合路徑和機(jī)箱屏蔽效果。但工程里確實(shí)有一些經(jīng)驗(yàn)參考Sdd21高頻段最好控制在-3dB以內(nèi)超過(guò)-5dB基本可以判定通道損耗過(guò)大。Sdd11典型要求-15dB以下嚴(yán)格一點(diǎn)的項(xiàng)目會(huì)要求在-20dB以下。Scc21這個(gè)值不是越小越好但它能告訴你共模噪聲到底走了哪條路徑。如果Scc21很大通常配合Sdc21一起看判斷共模是被轉(zhuǎn)換出來(lái)還是本來(lái)就存在。Sdc21/Scd21一般希望在關(guān)注頻段低于-30dB。低于-40dB屬于比較安全如果某個(gè)頻點(diǎn)超過(guò)-20dBEMI風(fēng)險(xiǎn)就很高必須先查幾何對(duì)稱性。我之前做過(guò)的一塊板子要求Sdc21在6GHz以下不超過(guò)-30dB結(jié)果過(guò)孔模型里一側(cè)地孔少了一個(gè)Sdc21在5.2GHz飆到-18dB。把地孔補(bǔ)齊后直接回到-40dB以下。這組數(shù)據(jù)說(shuō)明模式轉(zhuǎn)換項(xiàng)對(duì)幾何不對(duì)稱非常敏感反過(guò)來(lái)也成了排查問(wèn)題的利器。4. 避坑指南七個(gè)我真實(shí)踩過(guò)的坑4.1 參考地沒(méi)處理好共模結(jié)果全是噪聲第一次做差分過(guò)孔仿真時(shí)我圖省事把參考地平面當(dāng)成了理想導(dǎo)體背景而不是真實(shí)建模的銅皮。結(jié)果Sdc21曲線非常怪異整個(gè)頻段都在-10dB上下波動(dòng)完全沒(méi)法看。折騰了兩天最后發(fā)現(xiàn)問(wèn)題是共模電流根本沒(méi)有回流路徑。CST里如果地平面是理想導(dǎo)體背景它和模型中的過(guò)孔、走線之間不會(huì)自動(dòng)建立物理連接。共模電流到了地平面邊緣不知道該往哪走結(jié)果就出現(xiàn)了大量非物理的反射和諧振。從那以后我再也不把地平面省略成背景所有參考地、回流孔都真實(shí)建模并且檢查每個(gè)GND via是否和地平面通過(guò)Booleans合并。4.2 差分對(duì)的物理不對(duì)稱會(huì)被Sdc21直接出賣做連接器仿真時(shí)有次Sdc21在8GHz處出現(xiàn)了-16dB的尖峰我第一反應(yīng)是求解器不穩(wěn)定反復(fù)加密網(wǎng)格無(wú)果。后來(lái)把模型剖開看發(fā)現(xiàn)連接器里P和N引腳對(duì)應(yīng)的一個(gè)接地彈片一側(cè)有一側(cè)沒(méi)有——幾何不對(duì)稱和求解器一點(diǎn)關(guān)系都沒(méi)有。這個(gè)教訓(xùn)告訴我看Sdc21異常第一件事不是懷疑算法而是檢查幾何。常見(jiàn)的物理不對(duì)稱包括差分線P/N一側(cè)各有幾根地孔、過(guò)孔stub殘留長(zhǎng)度不一致、走線換層后其中一根多走一段、反焊盤在P和N兩側(cè)尺寸不同。這些結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)仿真里全部會(huì)忠實(shí)地體現(xiàn)在模式轉(zhuǎn)換曲線上。4.3 端口尺寸沒(méi)過(guò)關(guān)高階模式混進(jìn)來(lái)波端口尺寸是門學(xué)問(wèn)。端口太小場(chǎng)被壓縮差分阻抗算出來(lái)偏低端口太大高頻段會(huì)激勵(lì)出額外的高階模式S參數(shù)在頻段內(nèi)出現(xiàn)莫名其妙的波浪。有次我做一個(gè)帶狀線差分對(duì)仿真Sdd21在高頻段抖動(dòng)來(lái)回排查才發(fā)現(xiàn)是端口開了3mm高而上下地平面間距只有0.3mm端口里塞進(jìn)了六七個(gè)模式。經(jīng)驗(yàn)做法微帶走線的波端口高度取介質(zhì)厚度的4到5倍端口寬度取差分對(duì)整體外側(cè)距離再加3到5倍線間距。帶狀線的端口高度則大致覆蓋上下參考平面間距。設(shè)完端口后可以在端口模式列表里看看各模式的截止頻率如果某個(gè)高階模式截止頻率恰好落在仿真頻段內(nèi)就會(huì)引入干擾需要減小端口尺寸或減少模式數(shù)量。4.4 時(shí)域求解器碰到高Q結(jié)構(gòu)收斂慢到你懷疑人生有個(gè)強(qiáng)耦合過(guò)孔模型時(shí)域求解器跑了十幾個(gè)小時(shí)S參數(shù)曲線仍然沒(méi)收斂諧振點(diǎn)附近全是振鈴。當(dāng)時(shí)我以為是精度設(shè)置不夠把Accuracy從-30dB調(diào)到-40dB結(jié)果更慢。后來(lái)?yè)Q成頻域求解器幾個(gè)小時(shí)就給出了干凈結(jié)果。我的判斷標(biāo)準(zhǔn)是如果結(jié)構(gòu)里有明顯的金屬腔體、強(qiáng)耦合諧振回路、高介電常數(shù)諧振體優(yōu)先考慮頻域求解器。時(shí)域求解器在寬頻SI分析里確實(shí)高效但它面對(duì)高Q結(jié)構(gòu)時(shí)會(huì)因?yàn)闀r(shí)域響應(yīng)的長(zhǎng)拖尾而拼命迭代。與其干等不如先想清楚結(jié)構(gòu)特性再選工具。4.5 網(wǎng)格太粗模式轉(zhuǎn)換曲線出現(xiàn)奇怪尖峰差分對(duì)P/N兩條線之間的窄縫隙是電場(chǎng)最集中的地方。時(shí)域求解器的六面體網(wǎng)格如果在這個(gè)區(qū)域不夠密S參數(shù)會(huì)出現(xiàn)非物理的尖峰看起來(lái)像模式轉(zhuǎn)換其實(shí)是網(wǎng)格偽影。判斷方法很簡(jiǎn)單局部加密網(wǎng)格后跑一遍如果Sdc21曲線變化很大說(shuō)明之前就是網(wǎng)格不收斂。實(shí)操上我會(huì)給走線邊緣、過(guò)孔反焊盤、P/N間隙這些關(guān)鍵區(qū)域單獨(dú)設(shè)置局部網(wǎng)格屬性Local Mesh Properties。默認(rèn)網(wǎng)格控制里每波長(zhǎng)采樣點(diǎn)數(shù)可以適當(dāng)提高但最關(guān)鍵的是幾何局部加密。過(guò)孔圓柱區(qū)域我一般要求圓周方向至少8到12個(gè)網(wǎng)格單元反焊盤間隙至少2到3層網(wǎng)格。4.6 掃參設(shè)不好GPU加速白花錢做差分結(jié)構(gòu)的參數(shù)掃描Parameter Sweep時(shí)很多人直接掃描完再看結(jié)果結(jié)果數(shù)據(jù)量巨大真正關(guān)心的指標(biāo)反而淹沒(méi)在文件堆里。正確做法是掃描前就定義好后處理模板比如直接計(jì)算頻帶內(nèi)Sdc21的最大值或Sdd21在10GHz的數(shù)值掃描結(jié)束直接對(duì)比目標(biāo)量而不是手動(dòng)翻幾百個(gè)S參數(shù)文件。GPU加速方面CST的時(shí)域求解器確實(shí)支持CUDA加速對(duì)網(wǎng)格量大的模型提速明顯但要注意顯存限制。模型太大時(shí)GPU顯存不夠反而會(huì)觸發(fā)內(nèi)存交換速度還不如CPU。我在實(shí)際使用時(shí)先用中等網(wǎng)格快速驗(yàn)證GPU提速比再?zèng)Q定要不要在批量掃參中開啟GPU加速。頻域求解器對(duì)GPU加速的支持相對(duì)有限如果主要用頻域求解器把錢花在內(nèi)存和CPU核數(shù)上更值。4.7 用宏腳本后處理前先檢查端口編號(hào)和極性這個(gè)坑尤其隱蔽。用Macros轉(zhuǎn)換混合模式S參數(shù)時(shí)宏默認(rèn)按照某種端口順序來(lái)組合差分對(duì)。如果模型里端口編號(hào)順序和我想象的不一致比如Port1其實(shí)是P-Port2其實(shí)是P轉(zhuǎn)換出來(lái)的Sdd和Scc就會(huì)完全顛倒。所以我用宏之前會(huì)先做兩步檢查。第一步查看原始四端口S參數(shù)中S11和S22的幅值確認(rèn)端口阻抗是否合理。第二步在模型里打開端口屬性核對(duì)積分線方向或離散端口的正負(fù)極標(biāo)記。更嚴(yán)格的做法是先在導(dǎo)航樹里看單端S參數(shù)的相位關(guān)系判斷P/N兩側(cè)是否對(duì)稱。別小看這一步端口極性反了Sdc21會(huì)在整個(gè)頻段里大很多甚至超過(guò)Sdd21這種明顯不合理的結(jié)果如果沒(méi)發(fā)現(xiàn)會(huì)把整個(gè)分析方向帶偏。5. 實(shí)戰(zhàn)復(fù)盤一個(gè)差分過(guò)孔的EMI定位與修復(fù)5.1 現(xiàn)象Sdd21很漂亮EMI卻超標(biāo)回到開頭的12層板案例。高速差分信號(hào)從L3層換到L6層中間穿過(guò)一組背鉆過(guò)的過(guò)孔。這條鏈路單獨(dú)仿真時(shí)Sdd21在10GHz是-1.3dBSdd11在整個(gè)頻段內(nèi)都在-15dB以下看起來(lái)完全沒(méi)問(wèn)題。EMI預(yù)掃描卻在8GHz附近冒出一個(gè)超標(biāo)尖峰天線方向圖顯示輻射源大致在換層過(guò)孔區(qū)域。我把換層過(guò)孔這段模型單獨(dú)截出來(lái)設(shè)置好小端口跑完以后用Mode Converter轉(zhuǎn)出混合模式S參數(shù)。Sdd21仍然很健康但Sdc21在8GHz處直接沖到了-18dB。相當(dāng)于設(shè)計(jì)者辛辛苦苦做好的差模通道有大約1.6%的能量在過(guò)孔換層處轉(zhuǎn)化成了共模。這點(diǎn)能量對(duì)信號(hào)質(zhì)量毫無(wú)影響但對(duì)EMI來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠捅破限值。5.2 用模式轉(zhuǎn)換定位換層過(guò)孔是共模源頭為了確認(rèn)共模電流的具體路徑我在8GHz設(shè)置了電流密度監(jiān)視器。場(chǎng)圖里顯示共模電流在過(guò)孔反焊盤邊緣非常密集然后沿著地平面向四周擴(kuò)散。順著電流路徑往背后查發(fā)現(xiàn)這個(gè)差分過(guò)孔的兩側(cè)地孔分布不對(duì)稱一側(cè)有兩個(gè)回流地孔另一側(cè)卻有四個(gè)而且兩側(cè)地孔到差分過(guò)孔的間距差了將近一倍。地孔分布不對(duì)稱導(dǎo)致差模換層時(shí)P和N的返回電流路徑長(zhǎng)短不一致電流在回流路徑中產(chǎn)生了凈剩的分量這就是共模電流的來(lái)源。用Sdc21的曲線再對(duì)照?qǐng)鰣D整個(gè)問(wèn)題鏈條就清楚了幾何不對(duì)稱 → 返回電流不平衡 → 共模電流 → 地平面輻射 → EMI超標(biāo)。5.3 對(duì)稱化地孔后Sdc21從-18dB降到-38dB修復(fù)方案不復(fù)雜把差分過(guò)孔兩側(cè)的地孔調(diào)整為對(duì)稱分布數(shù)量和到過(guò)孔中心的距離對(duì)齊同時(shí)在換層區(qū)域附近貼近差分過(guò)孔額外增加兩個(gè)縫合地孔進(jìn)一步壓低回流路徑的不平衡。模型里改完重跑仿真Sdd21幾乎沒(méi)變化仍然在-1.3dB附近但Sdc21的峰值從-18dB直接降到了-38dB改善了20dB。后續(xù)EMI預(yù)掃描復(fù)測(cè)8GHz的輻射尖峰消失余量恢復(fù)到6dB以上。整個(gè)過(guò)程從現(xiàn)象到定位再到驗(yàn)證全部可以通過(guò)CST的模式轉(zhuǎn)換分析完成。最關(guān)鍵的收獲是Sdd21正常不等于差分設(shè)計(jì)沒(méi)問(wèn)題凡是EMI超標(biāo)但信號(hào)質(zhì)量看起來(lái)良好的情況先查Sdc21再查幾何對(duì)稱性效率遠(yuǎn)高于盲目改屏蔽和接地。現(xiàn)在我做差分結(jié)構(gòu)的仿真評(píng)審Sdd21只是第一眼緊隨其后的必然是Sdc21、Scd21和Scc21三條曲線。尤其是Sdc21它不會(huì)說(shuō)謊幾何上的任何不對(duì)稱都會(huì)在上面現(xiàn)出原形。CST的Mode Converter不是個(gè)多復(fù)雜的操作但把它當(dāng)成例行檢查項(xiàng)之后能少走很多彎路。如果你們項(xiàng)目里也有這種S參數(shù)很漂亮但EMI不干凈的情況建議先別急著懷疑屏蔽和接地打開CST把模式轉(zhuǎn)換曲線拖出來(lái)看看真相往往就在里面。