PCB 平行微带线串扰优化：基于仿真的设计策略

串扰理论

基于电磁理论，串扰指两信号线间电磁解耦。是信号线间互容和互感引起的噪声。

图 1 中两平行线，一线一端有信号源 Vₛ 和内阻 Z_OG，另端有负载阻抗 Z_LG，通过地形成闭环。另一线仅有电阻 Z_OR 和 Z_LR，单线对地结构。有信号源的线称发射线/干扰线，另一线称接收线/受干扰线。

驱动信号通过发射线时，寄生电容产生方向相反的干扰信号。驱动信号产生变化磁场，穿过接收线感应出方向相反的干扰电流。干扰电流 (2) 和 (3) 即驱动信号从发射线解耦到接收线的串扰信号。

按成因分容性串扰（互容产生解耦电压）和感性串扰（互感产生解耦电流）。按发生位置分近端串扰（接收线近端干扰信号，容性+感性）和远端串扰（远端干扰信号，容性-感性反相叠加）。

串扰分析即计算给定驱动信号下，接收线两端干扰电压。设 X=0 时接收线干扰电压为 V_R(0)，X=L 时为 V_R(L)。可得两公式：

两平行微带线串扰仿真模型

仿真模型 PCB 尺寸 20×60mm，基材 FR-4，介电常数 4.7。截面图见图 2。

上层为布线平面（微带线平面），下层为图像平面。微带线为理想导体，图像平面为理想导电平面。参数设定：L=40mm, W=0.5mm, H=0.3mm。按微带线特征阻抗公式计算，Z₀=50Ω。

注：0.38mm

图 3 中发射线第一端口 P1 为干扰源端口。发射线和接收线各端口均接特征阻抗 (50Ω)，串扰信号到达接收线近端和远端被吸收，不返回影响串扰。形成四端口网络，可计算 S13 和 S14 参数。TR₀ 为发射线对接收线近端串扰，TR_L 为对远端串扰。

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仿真结果与讨论

频率变化下的串扰强度

普通信号由不同频率正弦波叠加，研究单频正弦波频率变化下的串扰规律有意义。图 4 设布线距离 D=1mm 和 3mm，展示串扰随频率变化。

结论：低频段串扰强度与信号频率线性相关（近端/远端均如此）。高频段近端串扰随频率呈强周期性振荡，远端串扰相反。因容性/感性串扰到近/远端距离不同。低频时相位基本一致，合成信号相位差影响小；高频时两类串扰及端口相位差大，合成干扰幅度随相位周期性变化。

布线距离变化下的串扰强度

L=40mm, H=0.3mm, 频率 2GHz 和 5GHz，串扰随布线距离变化见图 5。

近端/远端串扰随距离增大而减小。距离从 1mm 开始增加时串扰快速下降，随距离继续增大下降变慢。距离超过 3 倍线宽后，继续增大距离无法改善串扰。因两微带线过近时互容互感显著，串扰大幅上升。

布线长度变化下的串扰强度

D=2.0mm, H=0.3mm, 频率 1GHz 和 5GHz，串扰随长度变化见图 6。

1GHz 时近端/远端串扰随并行长度延长增加。5GHz 时近端串扰随长度增加，远端串扰随长度振荡。因 5GHz 电气长度大于 1GHz，远端端口容性/感性串扰相位差显著。

微带线与图像平面距离变化下的串扰强度

维持微带线 Z₀=50Ω，W/H=1.82。仿真模型保持线宽与图像平面高度比 1.82。

a. L=40mm, 线边距 1.0mm, 频率 2/5GHz，串扰随图像平面厚度变化见图 7。

串扰随距离增加而增大，0-0.4mm 极速上升，随后放缓。H>0.5mm 基本稳定。因微带线过近图像平面时，线-平面耦合强、线-线耦合弱；距离增大线-平面耦合减弱、线-线耦合增强；继续增大线-平面耦合极弱，对线-线耦合影响微乎其微。结论：传输线与图像平面距离应尽量缩小以减少串扰。

b. L=40mm, 线距为 2 倍线宽, 频率 2/5GHz，串扰随图像平面厚度变化见图 8。

线距为线宽稳定倍数时，串扰随距离变化极小。

对比两情况：图像平面距离增加时，若线距不变串扰放大；若线距保持线宽稳定倍数，串扰基本不变。

PCB 设计策略

基于分析结果，降低传输线串扰策略：

1. 高速数字 PCB 选用时钟上升/下降沿较慢的元件，降低信号频率
2. 避免长距离平行布局
3. 增大两线间距
4. 采用多层 PCB 设计降低传输线与图像平面高度。若必须用高图像平面 PCB，应增大传输线间距

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