摘要
近些年，随着物联网、大数据、人工智能和5G通信等技术的快速发展与不断普及，相关领域的电子设备与产品也朝着更高速率、更高带宽及更高密度方向不断提升和发展。目前高速串行链路的单通道速率已经从5Gbps、10Gbps发展提升到25Gbps，甚至56Gbps。随着电路中传输速率及时钟频率的不断提高，高速信号在传输中受到损耗、反射、谐振和串扰等信号完整性问题影响的趋势也日益严重。对于传输速率达到Gbps的高速数字信号，其有效频谱已经扩展到微波甚至毫米波频段，在复杂互连系统中传输时已表现出明显的电磁波特性，此时信号完整性问题的分析本质上是求解一个复杂的电磁场边值问题。而对电磁场边值问题的求解，传统的解析公式法已经不再适用，当前一般通过有限元分析的方法对相关电磁效应进行分析。为了实现56Gbps的高速率传输要求，背板无源链路中的传输线及过孔需要具备更低的传输损耗与更高的传输带宽，其-3dB带宽至少需要满足56Gbps速率的传输基频28GHz。 背板无源链路中的传输线、过孔及参考平面是整个无源链路中的关键组成，在当前的高速电路设计中对其研究具有代表性。因此，本文基于56Gbps传输速率的高速背板进行研究设计，对其无源链路中的传输线、过孔及参考平面进行建模分析，并进行优化设计，本文的主要研究内容如下: (1)研究了一种双接地参考平面的带状共面波导传输线模型，并对该传输线模型的等效介电常数与特征阻抗进行了数学建模。然后基于实验研究，并结合有限元仿真方法，构建了该传输线的仿真模型并进行了仿真验证，仿真结果表明带状共面波导传输线的-3dB带宽能够达到60GHz。 (2)为了探索传输线参考平面对其谐振频率的作用关系，基于矩形谐振腔理论，研究了一种由接地参考平面构成的共面波导传输线谐振腔模型，通过对该模型进行理论分析，并对该模型的谐振频率数学表征式进行了修正，修正后的公式考虑了参考平面上过孔参数的影响，使模型更贴近实际情况。 (3)基于实验研究，并结合有限元仿真方法建立了带状共面波导传输线模型，通过有限元仿真工具，针对共面波导相邻侧参考平面的宽度和参考平面上接地过孔的直径及数量三个参数对传输线谐振与带宽的影响进行了分析，通过增加过孔的直径和数量可以使传输线在DC～60GHz频带内无谐振产生，并且-1dB带宽达到60GHz，比未考虑过孔参数模型的40GHz提高了50％。 (4)基于等效电路分析方法对单端与差分过孔进行了建模研究，对过孔的寄生电容进行了数学表征，探究了链路中因为加入过孔而对链路阻抗带来的影响。基于实验研究，验证了圆形反焊盘与矩形反焊盘拼接的联合反焊盘设计方式可以使差分过孔的阻抗波动降到100Ω±3％，比标准要求100Ω±10％提高7％。同时通过优化差分过孔的残桩长度、回流地孔数量与滴泪设计参数，使得差分过孔的损耗与阻抗曲线得到优化改善。 (5)最后研究了通过Klopfenstein渐变传输线对连接器与传输线互连处进行了阻抗匹配设计，并搭建了背板无源链路的联合仿真模型，在前面研究的基础上对背板无源链路的仿真模型进行优化设计。仿真结果表明通过整体的联合仿真优化使得背板的无源链路参数能够满足100BASE-KR4背板以太网规范，保证链路能实现100G以太网应用。最后通过仿真指导实际电路设计，实测结果表明相关优化方法降低了链路损耗，提升了链路性能。
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