摘??要：產(chǎn)品的電磁兼容性是工程設(shè)計人員在產(chǎn)品設(shè)計階段必須考慮的問題，它不僅影響產(chǎn)品的性能，同時影響產(chǎn)品的穩(wěn)定性。本文針對一TSV轉(zhuǎn)接板及其芯片，使用Ansys的HFSS、Designer組件對其不同位置處的頻譜曲線及場強分布進(jìn)行場路協(xié)同仿真，并使用電場探頭及頻譜儀對轉(zhuǎn)接板及芯片的頻譜曲線及場強分布進(jìn)行實際測試，最后將仿真結(jié)果與實測結(jié)果進(jìn)行對比，驗證仿真方法的可行性。

?0?引言

隨著集成電路（IC）工藝尺寸日益變小，以及工作頻率的日益提高，集成電路的電磁兼容性越來越突出。電磁騷擾小的集成電路更有利于整機(jī)產(chǎn)品的電磁兼容設(shè)計，可以減小系統(tǒng)設(shè)計的負(fù)擔(dān)，節(jié)約濾波、屏蔽等措施的費用。因此，開展集成電路的電磁兼容仿真和測試能為電路的應(yīng)用提供設(shè)計指南，節(jié)約最終產(chǎn)品的成本。越來越多的電路設(shè)計人員和應(yīng)用人員開展集成電路的電磁兼容仿真和測試的研究，電磁兼容性已經(jīng)成為衡量集成電路性能的又一重要技術(shù)指標(biāo)[1]?。

電磁兼容（EMC）是指電氣和電子系統(tǒng)、設(shè)備和裝置，在設(shè)定的電磁環(huán)境中，在規(guī)定的安全界限內(nèi)以設(shè)計的等級或性能運行，而不會由于電磁干擾引起損壞的能力。在電磁兼容性能的實際測試中[2]，設(shè)備的輻射發(fā)射是最容易超標(biāo)的項目，相較于在暗室對實物進(jìn)行輻射發(fā)射性能測試而言，仿真方法就顯得更加便捷且節(jié)省成本。電磁兼容仿真是指在產(chǎn)品設(shè)計初期階段，借助于電磁仿真軟件對電子元件、線纜、PCB板乃至整個設(shè)備系統(tǒng)進(jìn)行電磁兼容的建模與分析[3] [4] [5]。電磁兼容仿真能夠幫助設(shè)計人員在產(chǎn)品設(shè)計初期發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的電磁兼容問題并大致“定位”出現(xiàn)問題的位置和頻段，并將仿真結(jié)果可視化。因此，電磁兼容仿真越來越受到工程人員的重視[6] [7]。

本文探討一種射頻芯片輻射發(fā)射的仿真及實測方法?；贖FSS、Designer兩款仿真軟件，建立PCB板、關(guān)鍵器件及關(guān)鍵芯片的仿真模型，本文使用的模型為TSV轉(zhuǎn)接板[8] [9] [10]。結(jié)合外電路提供的激勵源，通過仿真運算獲取轉(zhuǎn)接板及其芯片輻射發(fā)射的場分布結(jié)果。同時，參考集成電路電磁兼容的測試方法，使用場強探頭獲取轉(zhuǎn)接板及芯片輻射發(fā)射的場強分布情況。通過對比仿真與實測的場分布結(jié)果，優(yōu)化仿真模型，提高仿真結(jié)果的精確度，形成可靠準(zhǔn)確的可用于多數(shù)射頻芯片輻射發(fā)射仿真分析的方法。

1?模型概述

在三維結(jié)構(gòu)仿真軟件HFSS中搭建TSV轉(zhuǎn)接板的模型結(jié)構(gòu)，如圖1-1所示，圖（a）為機(jī)械殼體，材質(zhì)是銅，尺寸為60mm×60mm×5mm，在連接SMA接頭的位置高度上有5mm的凸起；圖（b）是微帶線模型；圖（c）是PCB測試基板。微帶線和PCB板都是三層結(jié)構(gòu)，二者材質(zhì)與厚度相同，表面鍍金，其材料和模型參數(shù)如表1-1所示。確定PCB的板材、介質(zhì)層厚度、微帶線寬度、微帶線長度等結(jié)構(gòu)參數(shù)之后，建立TSV芯片結(jié)構(gòu)，并在芯片的輸入輸出端口處添加lumped port，以便連接相應(yīng)器件以及關(guān)鍵源，求解頻率設(shè)置為0.1GHz-6GHz。

（a）機(jī)械殼體? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?

（b）微帶線模型

（c）PCB測試基板

圖1-1 TSV轉(zhuǎn)接板裝配模型示意圖

表1-1?PCB的材料和模型參數(shù)

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以上為本仿真工作中涉及到的轉(zhuǎn)接板模型，下面介紹使用HFSS、Designer兩款軟件聯(lián)合仿真轉(zhuǎn)接板及其芯片輻射發(fā)射特性的方法。

2?HFSS-Designer協(xié)同仿真方法

在HFSS中對圖1-1的轉(zhuǎn)接板模型進(jìn)行仿真，仿真完成后，把模型動態(tài)鏈接到Designer中，根據(jù)轉(zhuǎn)接板實際的電路連接，在端口處添加相應(yīng)器件以及外電路提供的激勵源，激勵源的輸入頻率為3GHz，功率為10dBm，負(fù)載端接50Ω端接電阻。圖2-1為轉(zhuǎn)接板在designer中的仿真電路圖，在電路中設(shè)置線性網(wǎng)絡(luò)仿真，求解頻率從0.1GHz到6GHz，之后進(jìn)行電路仿真，仿真完成后，同樣使用動態(tài)鏈接的方法，把端口處的電壓電流波形反推回到HFSS中，在HFSS中對圖2-2所示的五個位置點（距離模型2mm）的頻譜曲線以及模型上方2mm處的電場分布圖進(jìn)行仿真。

圖2-1?轉(zhuǎn)接板仿真電路圖

圖2-2頻譜曲線的位置示意圖

3?射頻芯片輻射發(fā)射測試方法

3.1?測試布置

測試用到的儀器主要有直流源、信號源、頻譜儀、近場探頭、30dB放大器，使用直流10.5V的電壓給轉(zhuǎn)接板供電，用信號源提供輸入頻率為3GHz、輸入功率為10dBm的輸入信號。設(shè)備連接圖如圖3-1所示，具體實驗室布置如圖3-2所示，我們在轉(zhuǎn)接板表面均勻地取49個點，并將近場探頭手動置于這些點上方（近場探頭絕緣層厚度約2mm），記錄每個點在頻譜儀上顯示的頻譜曲線，然后將這些頻譜曲線數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到轉(zhuǎn)接板上的場強分布圖。

圖3-1設(shè)備連接圖? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??

圖3-2測試布置圖

3.2?測試數(shù)據(jù)處理

在使用電場探頭測試時，頻譜儀或接收機(jī)測得的功率值（dBm）與電壓（dBuV）之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系為：

或

已知接收機(jī)電壓時，使用107算法；已知接收機(jī)天線感應(yīng)的電動勢時，使用113算法。而在實測時，頻譜儀接收的數(shù)據(jù)為場強探頭測到的數(shù)據(jù)，故使用113算法進(jìn)行換算。

同時，在測試中我們?yōu)榱朔乐剐盘柋坏自胙蜎]，會在探頭與頻譜儀之間接30dB放大器，所以dBm與dBuV實測換算關(guān)系為：

根據(jù)113算法將功率值轉(zhuǎn)換為電壓值之后，仍需要將電壓值轉(zhuǎn)換為場強值。

設(shè)電場強度為E（uV/m），則增益為G（真值）的天線有效長度為：

則感應(yīng)電壓V可由下式給出：

Z0是饋電電纜的特性阻抗，Zr是天線的阻抗，這里均取50Ω。根據(jù)上式，dBuV/m與dBuV之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下：

即：

?4?仿真實測結(jié)果對比

將實測得到的轉(zhuǎn)接板不同位置的功率值根據(jù)第三節(jié)的轉(zhuǎn)換關(guān)系將其轉(zhuǎn)換為場強值后，在matlab中輸入芯片不同點的位置坐標(biāo)及對應(yīng)的場強值，利用pcolor函數(shù)繪制場強分布圖。然后將仿真得到的圖2-2中a-e五個位置處的頻譜曲線及場強分布圖與實測得到的頻譜曲線和場強分布圖進(jìn)行對比，結(jié)果如圖4-1、圖4-2所示。

(a)?仿真a點頻譜曲線????????????????????

(b)?實測a點頻譜曲線

(c)?仿真b點頻譜曲線??????????????????

(d)?實測b點頻譜曲線?

(e)?仿真c點頻譜曲線????????????????????

(f)?實測c點頻譜曲線

(g)?仿真d點頻譜曲線????????????????????

(h)?實測d點頻譜曲線

(i)?仿真e點頻譜曲線??? ? ? ? ? ? ? ? ???

(j)?實測e點頻譜曲線

圖4-1不同點的仿真與實測頻譜曲線

(a)仿真電場分布圖????????????????????????

(b)實測電場分布圖

圖4-2?3GHz頻率下仿真與實測場分布圖

對仿真與實測結(jié)果進(jìn)行對比分析，可以得到以下結(jié)論：

1）仿真結(jié)果與實測結(jié)果吻合度較好，證明仿真方法的可行性；

2）與實測方法相比，仿真方法無法預(yù)測到諧波以及一些雜波的存在；

3）測試時，頻譜儀的讀數(shù)可能會隨近場探頭位置以及角度的變化發(fā)生輕微偏移，導(dǎo)致測試結(jié)果存在一定的誤差。

5?結(jié)論

本文使用HFSS、Designer兩款仿真軟件對TSV轉(zhuǎn)接板及其芯片的輻射發(fā)射進(jìn)行場-路協(xié)同分析，仿真獲取了轉(zhuǎn)接板不同位置的頻譜曲線及電場分布圖，同時又通過實測的方法獲取了TSV轉(zhuǎn)接板不同位置的頻譜曲線及電場分布圖，并將仿真結(jié)果與測試結(jié)果進(jìn)行對比，驗證了仿真方法的可行性。本文探討的仿真方法和測試方法可應(yīng)用到類似產(chǎn)品的仿真及實測中。

　　審核編輯：湯梓紅