挠性印制板拐角防撕裂结构信号传输性能分析

从广义上讲，信号完整性指电子产品中由传输线引起的所有问题，主要研究互连线的电气特性对数字信号波形所造成的不同影响。信号波形的失真可能由多种不同的原因引起，但是反射、串扰和地弹这3种干扰问题最受关注。挠性印制板(FPC)的走线与其毗邻的参考接地面形成了简单的传输线，FPC印制线拐角防撕裂结构是一种常见的传输线特性阻抗不连续性结构，在高频电子产品中广泛应用，如图1所示。研究其信号完整性问题有助于提高电子整机的电可靠性。

    目前电子设备的工作频率越来越高，信号传输路径的信号完整性问题，特别是FPC的信号完整性问题尤为突出。文中针对FPC拐角不同防撕裂结构对信号传输性能的影响问题进行了研究。分析了FPC印制线圆弧拐角特性阻抗的突变及其对信号完整性的影响，采用时域有限差分法，研究了内直角结构，内圆角结构，内角钻孔结构，内角圆环铜堤结构，内角线性铜堤结构5种不同结构的多端口理论传输特性，并从电磁场分布情况分析了多种FPC印制线拐角防撕裂结构的特性。

1 FPC圆弧拐角模型分析
    HFSS可以精确地计算传输线的电磁特性，得到其S参数。S参数指的是建立在入射波、反射波关系基础上的网络参数，以器件端口的反射信号以及从该端口传向另一端口的信号来描述电路网络。
    首先建立FPC圆弧拐角的结构模型，为了更好地分析拐角结构对信号传输的影响，将拐角处一段结构不同的两条传输线单独提取出来，如图2所示。

    为了分析其全波传输特性，输入输出的电压电流可用一个4端口网络来描述，其等效形式如图3所示。

    网络S参数的定义可由bi(i=1，4)和ai(j=1，4)之间的关系给出，即
   
    或写成矩阵形式，有：b=Sa
    图4为描述这种电路的S参数矩阵，这种S参数所描述的网络可被看作是单端网络。

    为了量化分析这些结构的影响，文中选择了频域的S参数S21(插入损耗)、S31来分析印制线的传输性能。S21表示单根印制线信号衰减的量级，S31表示近端串扰的大小，因为远端串扰影响因素比较复杂，本文中分析串扰大小时采用近端串扰曲线。

2 仿真分析
2．1 仿真模型
    在三维电磁场仿真软件HFSS中建立两条耦合传输线及其他布线的仿真模型，5种不同的圆弧拐角结构模型为：①内直角结构。②内圆角结构。③内角钻孔结构。④内角圆环铜堤结构。⑤内角线型铜堤结构。如图5所示。其中结构①是未经防撕裂处理的结构，结构②～⑤都是为了防止挠性印制板拐角处撕裂，增强挠性板强度的常见设计结构。

    FPC的结构从上到下依次为铜印制线、粘结胶、聚酰亚胺薄膜、粘结胶和参考地，如图6所示。铜印制线厚度T=70μm=2．756 mil，线宽W=20 mil，间距S=20 mil，两段耦合线长L1=L2=220 mil。粘结胶的介电常数为εr=4．0，厚度为h=1．5 mil；聚酰亚胺基材的介电常数为εr=3．4，厚度为h=2 mil。

2．2 不同结构的S参数特性
    通过仿真，得到5种圆弧拐角模型的S参数频域曲线，如图7～图10所示。

    从图7中可以得出，引入铜堤对信号传输的插入损耗影响很大。频率为0～5 GHz时，如图5所标出的5个结构对信号传输的影响从小到大的顺序依次为①③②⑤④。频率>4 GHz后，①②③的插入损耗比较接近，④⑤的插入损耗比较接近，但(①②③的插入损耗明显偏小。
    截取频率1．9～2．1 GHz的插入损耗进行比较，如图8所示。在频率为2 GHz时，与①相比，其中影响最小的结构为③，由内角钻孔结构减小的插入损耗为0．04 dB。而对信号传输影响最大的结构为④，圆环铜堤结构减小的插入损耗达0．25 dB。
    由图7和图8可知，对于传输线的插入损耗，防撕裂的②内圆角结构、③内角钻孔结构、④内角圆环铜堤结构、⑤内角线型铜堤结构都比①内直角结构要好，说明引入防撕裂结构对传输线的插入损耗是有益的。在FPC设计时，在考虑工艺能力，成本的前提下，为了得到较大的插入损耗，应优先考虑使用内角钻孔结构，内角圆环铜堤结构。
    从图9中可以得出，圆弧拐角模型的近端串扰随频率增大而改变。频率在0～3 GHz时，最好的方案是内直角结构，与最差方案内角圆环铜堤结构相比，其对于串扰噪声的抑制最高达大约5 dB。频率在3～5 GHz时，5种方案的近端串扰值比较相近。5个结构对信号传输的影响从小到大的顺序依次为①③②④⑤。
    截取频率1．5～2．1 GHz的近端串扰进行比较，如图10所示。在频率为2 GHz时，与内直角结构相比，影响最小的结构为③，由内圆角结构增加的近端串扰为0．45 dB。影响最大的结构为⑤，内角圆环铜堤结构的近端串扰为0．9 dB。
    由图9和图10可知，对于传输线的近端串扰，频率在0～5 GHz内时，防撕裂的4种结构能一定的减少串扰，其中②内圆角结构。③内角钻孔结构由于在结构上变化不大，效果不明显。而④内角圆环铜堤结构。⑤内角线型铜堤结构在拐角处引入铜箔，对拐角边缘印制线起到电场分散的作用。在1 GHz时④内角圆环铜堤结构比①内直角结构的近端串扰值小了大约6 dB，说明高频下引入防撕裂结构对传输线的有益于减少近端串扰。设计时为了降低近端串扰，应优先考虑使用内角圆环铜堤结构，其次是内角线形铜堤结构。
2．3 不同结构的电磁特性
    通过仿真得到5种不同结构下的FPC表面的电场强度和磁场强度的最大值，如表1所示。

    从表1中可以明显的看出防撕裂的4种结构的最大电场磁强度值，最大磁场强度值都小于内直角结构，其中内圆角结构的最大电场磁强度值，最大磁场强度值最理想。
    同时得到5种不同结构下的FPC表面的电场图，为了直观的比较不同防撕裂结构FPC的电场分布图，对电场场强进行均匀划分，其中最高场强区域定义为3．600 0 e+004 V／m，最小电场定义为1．000 0 e+002 V／m，如图11所示。

    由图11可以看出，①内直角结构的高电场强度区域面积最大，④内角圆环铜堤结构的高电场强度区域面积最小，与表1的结果相吻合。5种不同结构在信号开始进入圆弧拐角处附近的电场强度有一定的减小，是由于平行传输线变为圆弧传输线产生的阻抗不连续产生，因此在FPC设计是应避免过多的拐弯。④内角圆环铜堤结构、⑤内角线型铜堤结构由于添加了铜堤，这两种结构的抗撕裂效果是最理想的，所以在FPC高弯折频率的情况下，综合考虑电子产品的性能指标应优先使用。

3 结束语
    通过全波电磁仿真研究了挠性印制板5种圆弧拐角结构，包括内直角、内圆角、内角钻孔、内角圆环铜堤、内角线型铜堤5种结构的插入损耗、近端串扰及电磁场分布情况。从仿真结果的对比分析中得出，防止挠性印制板弯曲处撕裂，增强挠性板强度的4种设计结构的插入损耗较理想，其中内角圆环铜堤结构插入损耗值最优。内角圆环铜堤结构显著降低了近端串扰噪声，是保证系统信号完整性的最佳选择。在FPC设计时，在考虑工艺能力和成本的前提下，同时考虑防撕裂，增强挠性板强度，并对产品的电可靠性有一定要求时，应优先使用内角线型铜堤结构，内角圆环铜堤结构。文中仅分析了圆弧拐角不防撕裂结构的影响情况，对于其他拐角情况的防撕裂结构有待进一步的研究。