基于优化算法的高速混合电路系统中超宽带差分互连的自适应设计方法研究

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中文摘要：随着电路系统的快速发展，高速混合电路的集成度不断提高，信号速率不断加快。电磁兼容(ElectromagneticCompatibility,EMC)和信号完整性(SignalIntegrity,SI）在电路设计中的问题愈发严重。如何减小高速电路中信道的互相串扰，保证信号在三维电路中的有效传输，避免电路系统的SI恶化，成为当前亟待解决的问题。与此同时，由于电路系统的非线性与复杂性，使用传统方法设计电路结构将消耗大量的时间和计算资源。将智能优化算法与电路设计进行融合，提高设计效率和精度，成为一个具有实际意义的研究课题。本文针对差分互连结构的差共模转换噪声和阻抗匹配等问题，分析和研究如何设计相位补偿结构和不对称的匹配结构，以及使用鲸鱼优化算法(WhaleOptimizationAlgorithm,WOA)来高效优化其物理结构参数。本文的主要研究工作如下: (1)将WOA与差分互连的相位补偿、阻抗匹配的优化问题进行结合，以结构的几何参数作为优化变量，以结构的电性能作为优化指标。根据差分对的相位差与差共模转换噪声的关系，以频率抽样作为参考，使用相位差来制定适应值函数。为了减小差分回波损耗中的谐振点对适应值计算造成的影响，对混模散射参数采用分段式评估。结果表明，对比于其他传统的优化方法，在相同的计算资源的情况下，这种方法达到了快速收敛、高适应值的效果，并且避免了陷入局部最优的问题。 (2)根据平面差分传输线的相位补偿需求，设计了一种基于周期性指数函数控制的非均匀传输线，并将其作为相位补偿结构串联在差分传输线中。该结构可以使用傅里叶级数展开来进行周期性分析。经过WOA对函数的参数进行优化，该结构可以在中心频率下30°、45°、60°和90°等典型差分相位差的情况下，在DC到15GHz的宽带内实现-25dB的差共模转换噪声抑制，并且差分信号的回波损耗维持在-15dB的低反射水平。时域的共模噪声峰值和TDT时间差分别减小了71.80％和73.19％,眼图的眼高和眼宽性能均有所提高。总体上该结构在抑制了差共模转换后，有效提高了差分传输线的信号完整性。 (3)设计了不对称反焊盘结构，以此来同时实现差分通孔的相位补偿与阻抗匹配的自适应设计。在平面差分传输线的基础上，对非均匀传输线进行拓展，在有限的空间内实现相位补偿，将差共模转换抑制的带宽扩展到了18GHz。以差分通孔的理论分析为基础，建立了等效集总电路模型，并以此为基础指导几何结构参数的优化。为同时实现相位补偿和阻抗匹配的优化目标，以相位差和差分回波损耗作为联合指标来制定适应值计算函数，并且使用WOA进行优化。优化后的差分通孔结构在DC到18GHz的宽带上实现差共模转换噪声-25.32dB的抑制度，差分回波损耗可以达到频段内-21.08dB的水平。TDR波动减低了50.67％,时域的共模噪声峰值和TDT时间差分别减小了51.26％和63.30％。眼图的眼高和眼宽分别提高了7.23％和1.21％,抖动优化了13.27％。最后将上述研究的非均匀传输线结构进行了印刷电路板加工，加工制造了实物样品，然后用四端口矢量网络分析仪对其主要性能进行了测试。其主要性能指标的测试结果与仿真基本吻合。

作者：

何志康

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关键词：

印刷电路板非均匀传输线自适应设计相位补偿阻抗匹配

授予学位：

硕士

学科专业：

电子科学与技术；电磁场与微波技术

导师：

朱浩然

学位年度：

2023

学位授予单位：

安徽大学

语种：

中文

中图分类号：