基于諧振腔理論的高速系統(tǒng)建模與分析.pdf

1、隨著高速系統(tǒng)時鐘頻率的提高，系統(tǒng)中的串?dāng)_、反射、振鈴、同步開關(guān)噪聲、地彈以及電磁輻射等各種高頻效應(yīng)日益凸顯。信號完整性、電源完整性和電磁完整性等系統(tǒng)完整性問題已經(jīng)成為系統(tǒng)設(shè)計的一大難點。為了縮短產(chǎn)品設(shè)計周期、降低產(chǎn)品設(shè)計成本，工程師們通過各種系統(tǒng)仿真工具去預(yù)測系統(tǒng)的性能，從仿真中獲得違背系統(tǒng)完整性的結(jié)構(gòu)，并重新設(shè)計這些結(jié)構(gòu)實現(xiàn)最終的系統(tǒng)完整性。而系統(tǒng)級仿真涉及到非線性的有源器件，這些器件只能在時域中通過IBIS模型或Spice模型來表征

2、。但是系統(tǒng)的頻域參數(shù)(S參數(shù)、Z參數(shù)或Y參數(shù))并不能直接與非線性的有源器件互連進行時域仿真。因此需要一種有效的方法實現(xiàn)系統(tǒng)的時域仿真。
　　目前實現(xiàn)系統(tǒng)時域仿真的途徑主要有三種：系統(tǒng)頻域數(shù)據(jù)模型化，非線性有源器件分段線性化和系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型化。其中最有效的方法是系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型化，該方法實質(zhì)上就是直接建立系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的電路模型。本論文主要針對系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的建模提出了一些新的建模方法和快速算法，并詳細(xì)地分析這些方法的效率和精度。研究

3、的主要成果如下：
　　1.針對電源地平面諧振腔模型效率低和精度差的問題，提出了一種快速雙頻點近似算法。這種方法根據(jù)高階模式的阻抗在模型帶寬內(nèi)表現(xiàn)為感性但其阻抗的變化卻與頻率的變化成非線性關(guān)系的特點，通過一節(jié)LC二階電路網(wǎng)絡(luò)對高階模式的阻抗進行近似，從而獲得一個Spice兼容的雙頻點近似的平面諧振腔模型，并通過誤差分析和頻域仿真驗證了該模型的高精度、高效率和正確性。
　　2.通過將二維諧振腔簡化為一維諧振腔，提出了一種新的Sp

4、ice兼容的諧振腔傳輸線模型。值得注意的是在簡化過程并沒有改變二維平面諧振腔的邊界條件，即邊緣場為理想磁導(dǎo)體的條件。但是對于傳輸線而言，這種邊界條件并不成立。作者通過對一維理想諧振腔參數(shù)分析，提出了修正諧振腔參數(shù)的方法，從而獲得了包含邊緣場的單端微帶線的諧振腔模型。然后通過對邊緣場和帶隙場的分析，將單端微帶線的諧振腔模型擴展到兩信號平行耦合微帶線和多導(dǎo)體平行耦合微帶線，從而建立了完整的多導(dǎo)體諧振腔傳輸線模型理論，并通過實驗驗證了多導(dǎo)體諧

5、振腔傳輸線模型理論的正確性。
　　3.諧振腔傳輸線模型是由無限多的諧振模式構(gòu)成。在實際時域和頻域仿真中，無限多的模式是無法實現(xiàn)，一般都采用有限的模式來代替無限的模式，這種替代將會引入誤差。作者針對諧振腔傳輸線模型的效率和精度問題，提出了兩種快速算法：雙頻點近似算法和Padé逼近算法。其中雙頻點近似算法采用單節(jié)的LC電路對高階模式的阻抗進行近似，其使用的模式數(shù)量是常量，即兩倍帶寬內(nèi)的模式。其主要缺點是不能靈活地調(diào)整模型的精度和效率之

6、間的平衡點，僅僅適合于仿真模型帶寬內(nèi)模式數(shù)量較少的傳輸線。而Padé逼近算法使用了多節(jié)LC諧振電路對高階模式的阻抗進行逼近，其使用的模式數(shù)量隨修正電路的節(jié)數(shù)而變化。因此，能夠靈活地調(diào)整模型的精度和效率之間的平衡點，從而獲得高效率和高精度的諧振腔模型。這種方法尤其適合仿真模型帶寬內(nèi)模式數(shù)量較多的傳輸線。
　　4.針對非理想帶狀線建模，作者基于模態(tài)分解阻抗表達式提出了一種新的非理想帶狀線模型。在這種模型中，每根帶狀線僅僅引入兩個理想變