基于时域有限差分法修正信号完整性仿真模型

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1、2基于时域有限差分法修正信号完整性仿真模型(4)元件与系统间的电磁干扰。(5)时序：信号在PCB印制线上是以有限的速度进行传输的。信号从发送端传递到接收端需要一定的时间，这段时间就是传输线时延。当传输线过长时，信号时延会对系统时序产生影响。在高速数字系统中，传输线的时延取决于介质材料的介电常数、传输线长度和传输线横截面的几何结构。在当前高速电路系统不断向高速、大规模、组件化方向发展，以适应信息系统多功能的要求，信号完整性问题变得日益突出。因此，在新生代的高速系统设计中，必须考虑到互连、封装效应对高速系统的影响，并应采用相应的措施抑制它，保证系统的信号完整性。基于

2、信号完整性分析的高速电路系统设计方法一方面有效地提高了产品的性能，另一方面也缩短了产品的开发周期，从而减低开发[3]成本。此分析方法在高速数字系统设计中得到了广泛的应用。1.2国内外研究现状对信号完整性的研究国外开展的比较好。国外的研究人员开展各种数值方法的研究并建立相关的模型，商用公司应用研究人员的成果，聘请计算机软件人员开发各种商用软件，目前比较好的软件有Cadence公司的SpecctraQuest、MentorGrap-hics公司的Hyperlynx、Sigrity公司的Speed2000、Ansoft公司的HFSS等；另外，开发了相关的测试设备，比如

3、Tektronix公司和Agilent公司的高速示波器和逻辑分析仪可用于信号完整性测试，欧洲的EMC技术公司的电磁兼容扫描仪可用于对PCB进行电磁场近场测试。在国外，信号完整性工程设计已经成为一种专门的职业。Intel、Cisco、AMP、Motorola、Lucent、IBM、HP等许多公司都拥有自己专职的工程师来进行设计阶段的信号完整性验证。另外，几乎每个产品的开发团队中都有专职或兼职的SI设计人员，他们和电路设计工程师协同工作，解决产品中经常出现的高速高密设计问题。国内对SI完整性的研究也已经起步，研究单位和机构有上海交大、清华大学、复旦大学、西安电子科技

4、大学等。已有多个有关信号完整性和高速互连方面的国家自然基金立项。此外，像华为、中兴等国内知名IT企业，也逐渐设立专门的SI部门，专门从事高速信号的仿真、分析与设计。1.3分析方法信号完整性问题并非单独由某一个原因产生，它实际上是在一个错综复杂的电磁环境中产生的信号畸变，因此给分析和研究带来了很大的困难，尤其是对一[4]些复杂的互连结构如不均匀、不连续互连等就更缺乏深入的研究。在早期的高速第一章绪论3互连仿真中，用集总RL或RLC电路模拟互连的方法被广泛用在仿真器中。然而，在上升沿时间为ns级的应用场合，这种方法就不再适用了。进而，发展出用电磁场分析互连问题，在频

5、率不太高时通常用二维静电场和静磁场方法提取分布电感、电容、电阻和电导，一般不考虑参数随频率的变化。随着工作频率或速度继续提高，导致静电场方法提取参数已不适合系统的电路分析，以全波方法提取频变参数己不可避免，许多学者已经提出求解麦克斯韦方程式的很多有意义的数值解法例如:时域有限差分法(FiniteDifferentTimeDomain，FDTD)、有限积分理论(FiniteInteg-rationTheory，FIT)、有限元法(FiniteElementMethod，FEW)、矩量法(MethodofMoments，MOM)等。所有的全波分析方法都是将一组微积分

6、方程转换成纯代数方程，然后用标准的数值方法求解。并且，随着电磁波应用的广泛和计算机技术的发展，各种方法的研究也更加深入。近年来，在信号完整性的电磁场数值分析方法中，时域有限差分法(FDTD)受到广泛的重视，时域有限差分法方法是求解麦克斯韦微分方程的直接时域方法。在计算中将空间某一点的电场(或磁场)与周围格点的磁场(或电场)直接相关连，且介质参数已赋值给空间中的每一个元胞，因此这一方法可以处理复杂形状目标和非均匀介质物体的电磁散射、辐射等问题。同时，时域有限差分法随时间的推进可以方便地给出电磁场的时间演化过程。由于是直接求解电磁场方程，只要网格划分足够细，对各种复

7、杂的几何结构或介质分布构成的系统原则上均能得到比较精确的[5]解。时域有限差分法的缺点是耗用计算机资源较大，不过这个问题会随着计算机性能的迅速提高以及计算机并行算法及其改进算法的发展，而得到解决。1.4时域有限差分法简介自1873年麦克斯韦（Maxwell）建立电磁场方程以来，电磁波理论和应用的发展已经有一百多年的历史。目前，电磁波的研究已经深入到各个领域，应用十分广泛，例如无线电波传播、光纤通信和移动通信、雷达技术、微波、天线、电[6]磁成像、地下电磁探测、电磁兼容等等。电磁波在实际环境中的传播过程十分复杂，由于实际环境的复杂性，往往需要通过数值解得到具体环境

8、下的电磁波特性。时域有限