空间的隔断似乎并没有减弱彼此之间的联系，无处不在的网络把大家连接在了一起。万物互联的口号喊了很多年，在不知不觉中，润物细无声的慢慢走近了我们。

云计算，5G，车联网，智慧城市，这些名词相信大家都已经耳熟能详，而在这些高科技背后，是海量的数据交互，也就是我们常说的大数据。为了支撑起大量数据传输的需求，各种总线的数据速率都在不断攀升，相应的，电路设计的复杂度也越来越高。

为了提高设计效率，减少返工引起的延期以及成本消耗，高速链路的仿真越来越受到大家的重视。如何确保仿真的准确性，则成了一个令人头疼的问题。高速链路仿真涉及到的内容很多，包括芯片模型，无源器件模型，PCB电路模型等。本文的重点将放在PCB电路模型这里。

相信大家对于PCB的结构都不陌生，它是由导体（铜箔）和介质层（有机材料）组成的，示意图如下：

仿真工具一般都会提供PCB传输线的模型，工程师可以依据实际情况选择合适的模型进行仿真。下图是使用ADS的Multilayer模型简单搭建的一个带状线结构S参数仿真原理图：

图中TL1是一根PCB传输线，衬底是Subst1，输入对应的物理参数，运行仿真，即可得到这段PCB走线的S参数。看起来似乎不复杂，可是操作时问题就来了，这些物理参数要怎么设置呢？尤其是衬底材料的介电常数（Er）和损耗因子（TanD），可以说这两个参数是PCB走线设计的基础，它们决定了传输线特征阻抗与线宽、板厚之间的关系。

要获取这些参数，可能设计师最直接想到的方式就是咨询PCB厂商，然而厂商提供的参数和仿真工具中的定义相同吗？其精度是否能满足高速电路设计的需求呢？

接下来，我们将从这两个问题出发，看看怎样获取到准确的PCB材料参数，从而提高链路仿真精度，为完整的系统设计铺平道路。

PCB材料参数测试方法以及高速数字电路对于材料参数的要求

我们说到PCB材料参数，主要是指层叠材料的介电常数和损耗因子。介电常数（Dk）与传输线的特征阻抗关系密切；介质损耗因子（Df）则决定了传输线损耗中的介质损耗，由此可见这两个参数对于PCB走线的重要性（传输线损耗还包括导体损耗等其他因素，此处先按下不表）。

常用的材料参数测试方法主要有如下四种，一般都是针对均匀的各向同性材料。其中同轴探针多用于液体或半固体高损耗材料，传输线法需要将样品加工成图示的形状，也不适用于Df在1e-2量级以下的低损耗材料测试。为了降低传输损耗，PCB叠层通常会选用低损耗的材料，Df可能会低至1e-3~1e-4量级，能满足这种损耗测试精度的方法只有平行电极法和谐振腔法。

平行电极法的原理是将材料加工成薄片，放置在带有上下两块平行电极的测试夹具中，形成电容，通过测试电容的容值和损耗因子，配合电极面积以及材料厚度，计算出材料的Dk和Df。这种方法的精度很高，然而受限于测试设备，最高频率只能测试到1GHz。

适合测试薄片材料的谐振腔有分离介质谐振腔（SPDR）和分裂圆柱体谐振腔（Split Cylinder Resonator），其原理类似，SPDR示意图如下，电磁波通过左右两个耦合环馈入腔体，通过测试空腔和加入样品后的谐振点和Q值，计算出样品的Dk和Df。这种方法适合低损耗材料测试，可以测到的损耗理论上可达1e-6（某些腔体），但是它只能做点频测试，测试频率取决于谐振腔。

对于当前的高速电路来说，数据速率已经是几十到上百G，平行电极法的1G带宽显然是不够的，谐振腔法频率够高，然而它只能提供单点的Dk和Df，尽管我们希望使用尽可能稳定的PCB材料（其性能受频率以及环境变化的影响很小），实际上的材料参数在不同频点上还是会有变化。

高速电路要承载的是数字信号，其频谱会覆盖由上升沿决定的全部带宽。为了获取到准确的仿真结果，在信号带宽范围内的PCB材料参数不可或缺。

仿真工具中的PCB材料模型

前文中提到，不同频点的PCB材料特性是不一样的，而高速电路设计需要宽带的PCB材料参数，因此，仿真工具需要提供频变的衬底材料模型，从而支持宽带的高速通道仿真。

ADS采用了Svensson/Djordjevic模型，其复介电常数表达式为：

文章来源：《大数据》 网址: http://www.dsjzz.cn/zonghexinwen/2020/1021/1221.html