從廣義上講，信號完整性指電子產(chǎn)品中由傳輸線引起的所有問題，主要研究互連線的電氣特性對數(shù)字信號波形所造成的不同影響。信號波形的失真可能由多種不同的原因引起，但是反射、串?dāng)_和地彈這3種干擾問題最受關(guān)注。撓性印制板(FPC)的走線與其毗鄰的參考接地面形成了簡單的傳輸線，F(xiàn)PC印制線拐角防撕裂結(jié)構(gòu)是一種常見的傳輸線特性阻抗不連續(xù)性結(jié)構(gòu)，在高頻電子產(chǎn)品中廣泛應(yīng)用，如圖1所示。研究其信號完整性問題有助于提高電子整機(jī)的電可靠性。

    目前電子設(shè)備的工作頻率越來越高，信號傳輸路徑的信號完整性問題，特別是FPC的信號完整性問題尤為突出。文中針對FPC拐角不同防撕裂結(jié)構(gòu)對信號傳輸性能的影響問題進(jìn)行了研究。分析了FPC印制線圓弧拐角特性阻抗的突變及其對信號完整性的影響，采用時(shí)域有限差分法，研究了內(nèi)直角結(jié)構(gòu)，內(nèi)圓角結(jié)構(gòu)，內(nèi)角鉆孔結(jié)構(gòu)，內(nèi)角圓環(huán)銅堤結(jié)構(gòu)，內(nèi)角線性銅堤結(jié)構(gòu)5種不同結(jié)構(gòu)的多端口理論傳輸特性，并從電磁場分布情況分析了多種FPC印制線拐角防撕裂結(jié)構(gòu)的特性。

1 FPC圓弧拐角模型分析
    HFSS可以精確地計(jì)算傳輸線的電磁特性，得到其S參數(shù)。S參數(shù)指的是建立在入射波、反射波關(guān)系基礎(chǔ)上的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，以器件端口的反射信號以及從該端口傳向另一端口的信號來描述電路網(wǎng)絡(luò)。
    首先建立FPC圓弧拐角的結(jié)構(gòu)模型，為了更好地分析拐角結(jié)構(gòu)對信號傳輸?shù)挠绊懀瑢⒐战翘幰欢谓Y(jié)構(gòu)不同的兩條傳輸線單獨(dú)提取出來，如圖2所示。

    為了分析其全波傳輸特性，輸入輸出的電壓電流可用一個(gè)4端口網(wǎng)絡(luò)來描述，其等效形式如圖3所示。

    網(wǎng)絡(luò)S參數(shù)的定義可由bi(i=1，4)和ai(j=1，4)之間的關(guān)系給出，即
   
    或?qū)懗删仃囆问?，有：b=Sa
    圖4為描述這種電路的S參數(shù)矩陣，這種S參數(shù)所描述的網(wǎng)絡(luò)可被看作是單端網(wǎng)絡(luò)。

    為了量化分析這些結(jié)構(gòu)的影響，文中選擇了頻域的S參數(shù)S21(插入損耗)、S31來分析印制線的傳輸性能。S21表示單根印制線信號衰減的量級，S31表示近端串?dāng)_的大小，因?yàn)檫h(yuǎn)端串?dāng)_影響因素比較復(fù)雜，本文中分析串?dāng)_大小時(shí)采用近端串?dāng)_曲線。

2 仿真分析
2．1 仿真模型
    在三維電磁場仿真軟件HFSS中建立兩條耦合傳輸線及其他布線的仿真模型，5種不同的圓弧拐角結(jié)構(gòu)模型為：①內(nèi)直角結(jié)構(gòu)。②內(nèi)圓角結(jié)構(gòu)。③內(nèi)角鉆孔結(jié)構(gòu)。④內(nèi)角圓環(huán)銅堤結(jié)構(gòu)。⑤內(nèi)角線型銅堤結(jié)構(gòu)。如圖5所示。其中結(jié)構(gòu)①是未經(jīng)防撕裂處理的結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)②～⑤都是為了防止撓性印制板拐角處撕裂，增強(qiáng)撓性板強(qiáng)度的常見設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。

    FPC的結(jié)構(gòu)從上到下依次為銅印制線、粘結(jié)膠、聚酰亞胺薄膜、粘結(jié)膠和參考地，如圖6所示。銅印制線厚度T=70μm=2．756 mil，線寬W=20 mil，間距S=20 mil，兩段耦合線長L1=L2=220 mil。粘結(jié)膠的介電常數(shù)為εr=4．0，厚度為h=1．5 mil；聚酰亞胺基材的介電常數(shù)為εr=3．4，厚度為h=2 mil。

2．2 不同結(jié)構(gòu)的S參數(shù)特性
    通過仿真，得到5種圓弧拐角模型的S參數(shù)頻域曲線，如圖7～圖10所示。

    從圖7中可以得出，引入銅堤對信號傳輸?shù)牟迦霌p耗影響很大。頻率為0～5 GHz時(shí)，如圖5所標(biāo)出的5個(gè)結(jié)構(gòu)對信號傳輸?shù)挠绊憦男〉酱蟮捻樞蛞来螢棰佗邰冖茛?。頻率>4 GHz后，①②③的插入損耗比較接近，④⑤的插入損耗比較接近，但(①②③的插入損耗明顯偏小。
    截取頻率1．9～2．1 GHz的插入損耗進(jìn)行比較，如圖8所示。在頻率為2 GHz時(shí)，與①相比，其中影響最小的結(jié)構(gòu)為③，由內(nèi)角鉆孔結(jié)構(gòu)減小的插入損耗為0．04 dB。而對信號傳輸影響最大的結(jié)構(gòu)為④，圓環(huán)銅堤結(jié)構(gòu)減小的插入損耗達(dá)0．25 dB。
    由圖7和圖8可知，對于傳輸線的插入損耗，防撕裂的②內(nèi)圓角結(jié)構(gòu)、③內(nèi)角鉆孔結(jié)構(gòu)、④內(nèi)角圓環(huán)銅堤結(jié)構(gòu)、⑤內(nèi)角線型銅堤結(jié)構(gòu)都比①內(nèi)直角結(jié)構(gòu)要好，說明引入防撕裂結(jié)構(gòu)對傳輸線的插入損耗是有益的。在FPC設(shè)計(jì)時(shí)，在考慮工藝能力，成本的前提下，為了得到較大的插入損耗，應(yīng)優(yōu)先考慮使用內(nèi)角鉆孔結(jié)構(gòu)，內(nèi)角圓環(huán)銅堤結(jié)構(gòu)。
    從圖9中可以得出，圓弧拐角模型的近端串?dāng)_隨頻率增大而改變。頻率在0～3 GHz時(shí)，最好的方案是內(nèi)直角結(jié)構(gòu)，與最差方案內(nèi)角圓環(huán)銅堤結(jié)構(gòu)相比，其對于串?dāng)_噪聲的抑制最高達(dá)大約5 dB。頻率在3～5 GHz時(shí)，5種方案的近端串?dāng)_值比較相近。5個(gè)結(jié)構(gòu)對信號傳輸?shù)挠绊憦男〉酱蟮捻樞蛞来螢棰佗邰冖堍荨?br />     截取頻率1．5～2．1 GHz的近端串?dāng)_進(jìn)行比較，如圖10所示。在頻率為2 GHz時(shí)，與內(nèi)直角結(jié)構(gòu)相比，影響最小的結(jié)構(gòu)為③，由內(nèi)圓角結(jié)構(gòu)增加的近端串?dāng)_為0．45 dB。影響最大的結(jié)構(gòu)為⑤，內(nèi)角圓環(huán)銅堤結(jié)構(gòu)的近端串?dāng)_為0．9 dB。
    由圖9和圖10可知，對于傳輸線的近端串?dāng)_，頻率在0～5 GHz內(nèi)時(shí)，防撕裂的4種結(jié)構(gòu)能一定的減少串?dāng)_，其中②內(nèi)圓角結(jié)構(gòu)。③內(nèi)角鉆孔結(jié)構(gòu)由于在結(jié)構(gòu)上變化不大，效果不明顯。而④內(nèi)角圓環(huán)銅堤結(jié)構(gòu)。⑤內(nèi)角線型銅堤結(jié)構(gòu)在拐角處引入銅箔，對拐角邊緣印制線起到電場分散的作用。在1 GHz時(shí)④內(nèi)角圓環(huán)銅堤結(jié)構(gòu)比①內(nèi)直角結(jié)構(gòu)的近端串?dāng)_值小了大約6 dB，說明高頻下引入防撕裂結(jié)構(gòu)對傳輸線的有益于減少近端串?dāng)_。設(shè)計(jì)時(shí)為了降低近端串?dāng)_，應(yīng)優(yōu)先考慮使用內(nèi)角圓環(huán)銅堤結(jié)構(gòu)，其次是內(nèi)角線形銅堤結(jié)構(gòu)。
2．3 不同結(jié)構(gòu)的電磁特性
    通過仿真得到5種不同結(jié)構(gòu)下的FPC表面的電場強(qiáng)度和磁場強(qiáng)度的最大值，如表1所示。

    從表1中可以明顯的看出防撕裂的4種結(jié)構(gòu)的最大電場磁強(qiáng)度值，最大磁場強(qiáng)度值都小于內(nèi)直角結(jié)構(gòu)，其中內(nèi)圓角結(jié)構(gòu)的最大電場磁強(qiáng)度值，最大磁場強(qiáng)度值最理想。
    同時(shí)得到5種不同結(jié)構(gòu)下的FPC表面的電場圖，為了直觀的比較不同防撕裂結(jié)構(gòu)FPC的電場分布圖，對電場場強(qiáng)進(jìn)行均勻劃分，其中最高場強(qiáng)區(qū)域定義為3．600 0 e+004 V／m，最小電場定義為1．000 0 e+002 V／m，如圖11所示。

    由圖11可以看出，①內(nèi)直角結(jié)構(gòu)的高電場強(qiáng)度區(qū)域面積最大，④內(nèi)角圓環(huán)銅堤結(jié)構(gòu)的高電場強(qiáng)度區(qū)域面積最小，與表1的結(jié)果相吻合。5種不同結(jié)構(gòu)在信號開始進(jìn)入圓弧拐角處附近的電場強(qiáng)度有一定的減小，是由于平行傳輸線變?yōu)閳A弧傳輸線產(chǎn)生的阻抗不連續(xù)產(chǎn)生，因此在FPC設(shè)計(jì)是應(yīng)避免過多的拐彎。④內(nèi)角圓環(huán)銅堤結(jié)構(gòu)、⑤內(nèi)角線型銅堤結(jié)構(gòu)由于添加了銅堤，這兩種結(jié)構(gòu)的抗撕裂效果是最理想的，所以在FPC高彎折頻率的情況下，綜合考慮電子產(chǎn)品的性能指標(biāo)應(yīng)優(yōu)先使用。

3 結(jié)束語
    通過全波電磁仿真研究了撓性印制板5種圓弧拐角結(jié)構(gòu)，包括內(nèi)直角、內(nèi)圓角、內(nèi)角鉆孔、內(nèi)角圓環(huán)銅堤、內(nèi)角線型銅堤5種結(jié)構(gòu)的插入損耗、近端串?dāng)_及電磁場分布情況。從仿真結(jié)果的對比分析中得出，防止撓性印制板彎曲處撕裂，增強(qiáng)撓性板強(qiáng)度的4種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的插入損耗較理想，其中內(nèi)角圓環(huán)銅堤結(jié)構(gòu)插入損耗值最優(yōu)。內(nèi)角圓環(huán)銅堤結(jié)構(gòu)顯著降低了近端串?dāng)_噪聲，是保證系統(tǒng)信號完整性的最佳選擇。在FPC設(shè)計(jì)時(shí)，在考慮工藝能力和成本的前提下，同時(shí)考慮防撕裂，增強(qiáng)撓性板強(qiáng)度，并對產(chǎn)品的電可靠性有一定要求時(shí)，應(yīng)優(yōu)先使用內(nèi)角線型銅堤結(jié)構(gòu)，內(nèi)角圓環(huán)銅堤結(jié)構(gòu)。文中僅分析了圓弧拐角不防撕裂結(jié)構(gòu)的影響情況，對于其他拐角情況的防撕裂結(jié)構(gòu)有待進(jìn)一步的研究。