刘士兴, 鲁 伟, 宋亚杰, 孙 操

(合肥工业大学 电子科学与应用物理学院, 合肥 230601)

0 引 言

国际热核聚变反应实验堆ITER(International Theramonuclear Experimental Reactor)是国际核聚变研究的重要项目。其中诊断采购包----软X射线相机系统, 是由中国科学院等离子体物理研究所主持设计, 其主要目标是探测软X射线, 并实现探测的数据可靠远传[1]。在软X射线相机系统中, 光电探测器输出的微弱信号(nA)由连接器和电缆组成的互连线缆远传到采集终端, 连接器的性能参数将直接影响整个互连线缆的传输效率。由于诊断环境具有较强的电磁辐射, 人为进行实测不但会受到电磁辐射的伤害且模拟一次该环境下测试信号在连接器中传输特性的成本非常高昂[2-3], 目前尚未对信号在其中的传输情况进行合理的分析研究。为提高采购包中连接器的选择效率, 笔者提出了基于CST的连接器仿真方法分析和研究信号在连接器的传输情况。首先, 为分析连接器对微弱信号传输的影响[4-5], 采用场路协同分析的方法进行连接器仿真研究。其次, 以雷莫公司(LEMO)一款由ECG.3B.332.CLV(ECG)(插座)和FGG.3B.332.CLAD12(FGG)(插头)组成的连接器为例, 建立基于CST(Computer Simulation Technology)仿真软件多个子工作室协同仿真的仿真研究模型。最后, 在不同工作频率下, 对连接器模型的S参数、传输时延、差分串扰等参数进行仿真分析。同时, 利用频谱分析仪等设备对连接器的差分串扰参数进行测试分析。研究发现, 在不同工作频率下, 连接器模型的差分串扰参数仿真分析与实际连接器的差分串扰参数测试相一致；基于CST的连接器仿真研究方法, 可为后续采购包中连接器的应用可行性评估和选择提供最直接、高效的方法。

1 场路协同仿真的原理

在进行微波电路与天线设计的电磁仿真软件中常用的有HFSS软件、ADS软件和CST软件[6], 笔者采用CST全波电磁仿真软件。CST软件包含8个子工作室, 是面向电路、温度、3D电磁和结构应力设计的一款专业仿真软件。电磁仿真主要采用其中的时域有限差分法(FDTD: Finite Difference Time Domain)和六面体网络剖分技术。由于时域有限差分法与复杂的仿真结构模型会占用计算机资源并且耗费很长的计算时间, 因此, 在分析连接器的差分对之间的串扰时, 在CST软件的微波工作室中创建3D仿真模型, 提取电路参数后, 在CST软件的设计工作室中创建电路仿真模型, 提升仿真工作效率。

在信号完整性仿真分析研究中, 场的分析和路的分析紧密相连、相辅相成[7]。单独基于场的分析方法或单独基于路的分析方法可能都不能解决一些工程问题, 但是在场与路协同后将大大改善解决问题的广度和深度[8]。因此在基于CST软件仿真中采用场路协同仿真, 如图1所示。

其主要原理如下。

图1 CST软件中场路协同仿真

1)首先, 在微波工作室中, 通过场的方法提取出电路参数, 形成电路模型。然后, 利用电路的方法进行仿真。或直接将仿真模型作为子电路连接到设计工作室的路仿真中, 然后一起协同仿真。

2)设计工作室中的路仿真器的仿真结果也可以通过激励推送方式输出到微波工作室的场仿真中, 得到系统实际工作激励下的电磁传输特性。

3)双向动态的交互将场和路紧密联系在一起, 实现系统的信号完整性分析。

2 模型建立及分析

合理准确创建仿真模型是保证仿真正确性的前提, 依据模型实际尺寸在CST微波工作室中创建 LEMO连接器的3D模型, 如图2所示。

图2 LEMO连接器3D模型

该连接器内部共有32个青铜针芯, 外部包裹PEEK(聚醚醚酮)特种工程材料, 外壳材料采用黄铜镀铬, 以满足复杂环境的电磁屏蔽要求。通过电磁仿真软件对上述模型进行S参数(散射参数)、传输延时, 研究信号在连接器中的传输情况。

2.1 参 数

ECG和FGG模型在不同频率输入信号条件下的传输情况, 以S参数(回波损耗S11, 插入损耗S21)表征[9], 仿真结果如图3和图4所示。

图3 回波损耗S11与频率的关系 图4 插入损耗S21与频率的关系

由图3和图4可知, ECG和FGG的S11值均随着频率的增加而增大, 而其S21值均随着频率的增加而减小。相同频率范围内, ECG的S11相较于FGG的S11值较大, 而ECG的S21相较于FGG的S21值较小, 且随着频率的增加, ECG的S21衰减更快。这表明输入信号在ECG中产生的信号反射比FGG要高, 传输效率更低。这是由于ECG中用于信号传输的铜针芯为拐角结构, 造成阻抗不连续, 而导致信号反射, 信号的传输效率也会随之下降[10], 并且插入损耗最小不低于-0.5 dB即高于0.944, 信号的传输效率较高。

2.2 传输延时

信号在器件中的传输延时取决于器件的结构和材料属性(介电常数)[11-12]。图5和图6分别为连接器工作频带为0.1～150 MHz内的高斯信号(用于求解时域下的S参数)在ECG和FGG中输入端口到输出端口的传输延迟曲线。

图5 FGG中信号传输延时 图6 ECG中信号传输延时

取FGG输入波和传输波的顶点计算时间延迟, 其顶点坐标分别为(26.147,0.842 1)和(26.368,0.840 2), 则输入波和传输波到达相同位置的建立时间分别为26.147 ns和26.368 ns, 则信号延迟时间为0.221 ns。同理, ECG的信号延迟时间为0.429 ns。则信号在连接器中总的传输延时即为0.65 ns, 即为信号相移, 但是信号仍具有良好的完整性。

3 连接器拐角对信号传输的影响

当传输线的阻抗出现不连续时, 就会出现反射。而印制电路板中的不连续结构非常常见, 其中最主要之一的就是传输线的拐弯[13]。传输线拐角影响信号传输的唯一因素就是拐角处的额外线宽, 它将产生容性突变, 信号的反射和时延累加正是这个容性突变引起的。由

(1)

可知电容变化必然引起阻抗变化。

由于反射就是由阻抗变化引起的, 阻抗越小就越偏离传输线源端和负载端的电阻(50 Ω), 引起的反射就越大, 其变化幅度也应与阻抗一致。单位长度的电容与线宽成正比, 而拐角线宽与拐角角度的关系可由[14]

(2)

表示。其中wc表示拐角处线宽,w表示传输线宽度,ac表示拐角角度, 对式(2)求导可得

(3)

图7 不同拐角值S11与频率的关系 图8 不同拐角值S21与频率的关系

从图7和图8可以看出,S21和S11分别与频率均具有一定的非线性特性, 利用最小二乘法做非线性拟合, 拟合的关系式如表1和表2所示。

表1 插入损耗S21与频率的关系

表2 回波损耗S11与频率的关系

表1, 表2中,y为插入损耗或回波损耗(dB),x为频率(MHz)。由表1和表2可得, 连接器插座中不同的拐角值对应的S21与S11均与工作频率存在指数关系。因此在实际应用中, 分析信号在不同拐角值的连接器中传输情况时, 可直接运用此函数关系式得出相应结论以选择合适应用场景的连接器。

4 差分对串扰分析

连接器内的各传输路径间的串扰是系统信号完整性的重要影响因素, 高速连接器的尺寸、信号路径分布和和密度都能影响信号的串扰[14-15]。笔者选用的连接器需传输多组差分信号, 因此需分析差分对之间的串扰情况[16]。在CST仿真中共进行了3组多对差分信号的时域仿真, 并从仿真结果做了串扰分析, 结合实际连接器串扰测试与仿真结果作了对比分析。

4.1 差分对分布方式及仿真模型

在研究连接器串扰时, 需依据LEMO连接器与电缆的连接方式, 确定差分对位置, 后在CST中对指定信号传输的差分对进行馈电, 得到相应的串扰仿真结果[17]。FGG和ECG的针芯排列方式、材料属性完全相同, 分析方法一致, 因此只仿真分析ECG中3种差分对位置分布方式, 如图9所示。

a 2对 b 3对 c 4对

图10 2对差分对仿真电路图

图9表明, 先在CST微波工作室建立需仿真的模型, 后转到CST设计工作室中创建相应的仿真电路。图10给出了2对差分对的仿真电路, 端口1,2为一组差分对的始端和终端, 端口3,4为另一组差分对的始端和终端, 端口1设置激励信号源, P1,P2,P3为模拟示波器探针。

4.2 串扰幅值与频率的关系

在CST中对ECG上多组差分对之间的串扰情况进行分析, 将其中的一组差分对作为激励信号线, 分析研究另外几组产生的串扰电压幅值与6个频率点(25 MHz、50 MHz、75 MHz、100 MHz、125 MHz、150 MHz)的关系, 并利用最小二乘法做二次函数线性拟合, 图11给出了2对差分对非线性拟合图。

从图11可以看出, 拟合二次函数曲线后, 串扰电压幅值与频率近似具有线性特性。同理, 利用最小二乘法对多组差分对之间的串扰做线性拟合, 拟合后, 串扰电压幅值与频率的关系式如表3所示。

图11 2对差分对串扰电压幅值随频率的变化曲线

表3中y为串扰电压幅值(V),x为信号频率(MHz)。从表3中的关系式可知, 在CST中对LEMO连接器的ECG做串扰分析时, 任意差分对对另一个差分对产生的串扰随频率的关系都满足二次函数关系。由于实验用计算机内存(8 GByte)普遍不高, 仿真时间为小时量级, 所以当差分信号输入其中一对针芯后, 基于此函数关系可以得到任意频率下对其他差分对产生的串扰幅值, 提升工作效率, 而不必花费过多的仿真时间对该连接器做串扰分析, 这也为LEMO连接器的差分对定义设置和在不同频率下串扰研究提供了一种新的思路。

表3 串扰电压幅值与频率的关系

4.3 连接器串扰测试分析

由于EDA工具的迅速发展, 其强大的仿真功能, 使工程设计人员可以很便捷地将自己的想法进行仿真分析, 这在很大程度上减少了设计成本和周期。但是, 由于实际工程应用环境往往非常复杂, 所以对仿真对象进行测试分析具有重要意义。连接器中的串扰作为影响信号传输的重要因素, 本节利用信号发生器与示波器对连接器中的串扰做了测试, 并结合仿真结果作对比分析。

图12 串扰测试差分对分布方式

信号发生器输入1 V正弦波信号, 使用Q9线接入LEMO连接器的一对差分对(最中心差分对), 作为信号源。再用Q9线和鳄鱼夹夹住另一个差分对并接入示波器, 测试这一差分对上产生的串扰信号。测试的差分对与4.1节中对连接器作差分对之间串扰分析时的布线方式相同, 如图12所示。

在信号发生器设置不同频率25～125 MHz, 步进10 MHz的正弦波信号作为馈电信号源, 以频率为125 MHz为例，测试结果如图13所示。

将表1中两对差分对的串扰电压幅值与频率拟合关系式计算结果与测试结果相比较, 用Origin8.0处理后, 所得结果如图14所示。

图13 信号频率为125 MHz的串扰测试结果 图14 连接器串扰测试与仿真结果比较

由图14可见, 二者曲线分布趋势相近, 呈现较好的吻合特性, 频率在50 MHz左右时串扰测试值大于仿真值。对于这种小信号的串扰测试(串扰幅值几十毫伏量级), 人为误差较大, 并且实际测量环境存在信号干扰如电源噪声干扰, 器件间的接触不良、用作信号源的针芯与被测信号的针芯之间的间距大小, 都会影响串扰的幅值。但是总体上, 仿真与测试曲线随着频率的增加, 连接器相邻差分对间产生的串扰分布规律相似, 仿真结果可作为该连接器重串扰分析的重要依据。

5 结 语

笔者为评估一款用于软X射线相机中信号远传LEMO连接器应用的可行性, 基于CST仿真平台创建了LEMO连接器的3D模型, 通过分析模型的S参数以及传输延时在不同频率下的变化规律, 在相同频率范围内, 输入信号在ECG的传输效率要低于FGG并且插入损耗最小不低于-0.5 dB即高于0.944, 传输效率高。针芯的拐角值对应的插入损耗、回波损耗均与频率之间存在指数关系。做串扰分析时, 通过场路协同仿真和结合测试分析, 拟合得到任意差分对对另一个差分对产生的串扰幅值与频率都具有二次函数关系, 这对利用该种型号连接器进行信号传输测试分析、选型具有指导性意义。

未来将对连接器的等效电路模型做仿真设计, 比较场和路的分析方法优劣性, 进一步加深传输线理论在实际工程中的应用。