密苏里科技大学EMC实验室项目实习周记（第11周）

1 公共篇

（由孙经东执笔）

本周末学校有一个比较盛大的活动，名叫Celebration of Nations，就是来自各个国家的留学生一起游行、聚会、表演节目、展示本国自己的舞蹈和食物等，每年都在九月底举行。上午是各个学校的留学生组成各自国家的方阵游行，沿途很多学生和市民围观，咱们中国的方阵里既有旗袍美女在前方举牌开路，也有舞龙和舞狮的，很长脸啊。游行队伍到达一个露天的小舞台后停止，每个国家分配了一个帐篷（跟各个国家有关，比如非洲某些国家的是一个草屋），该国的留学生就在帐篷里向游客展示本国的特色食品和工艺品。每个参与活动的学生都会发一个假的“护照”，每去一个国家的帐篷，该国学生会在你的护照上盖一个本国的章，所有的章集齐后可以换一个“周游世界”的证书。舞台上一直在表演各国留学生带来的节目，其中不乏专业级别的表演，会场里还有身着各国奇装异服的人、各种吉祥物、可以骑上去转一圈的骆驼、画着脸谱的小孩子、各国美食的香味…….这一圈玩下来很嗨很开心。

图1.孙经东与表演人员的合影

图2.中国方阵的表演

2 个人篇

2.1 孙经东——Huawei Heat sink/IC field transformation

在实际产品开发板上应用我们的近远场转换方法是本项目的终极目标，但是我们发现实际的产品总有一定的不稳定性，进而影响到结果的精确性，上周我们对开发板的稳定性测试进行了初步验证，发现每次重启过后，我们使用的开发板的辐射总是会有比较大的波动。但是还有很多问题没有答案：这种波动幅度有多大？是否存在于每个谐频上？是否受噪声影响？是否是板子正常工作的辐射波动？为了解答上述问题，我们必须对板子进行大量的测试，在一个比较大的样本数量的基础上，取得具有统计意义的结果。

作为一个懒惰的程序员，对于“手动重启开发板60次，每次手动调整Spectrum Analyzer（频谱分析仪）14次取得所有谐频的最大辐射，最后手动记录数据”这种工作是很抵触的。所以我写了一个Matlab的自动测试的脚本，用一台独立的电脑，通过GPIB接口连接Spectrum Analyzer，这样可以通过Matlab的命令传输命令并取得反馈的数据。实验室的大钊学长给我一本对应于我们用的Spectrum Analyzer的Manual Book（参考书），命令熟悉后脚本写得很快。由于我们对本次探究的开发板稳定性的问题没有经验，对于测试多少次才可以终止这个问题也完全没有概念，所以我直接在脚本里一边测量一边画数据图，通过数据图可以直观地看到每个频率点测量到辐射的分布情况，如果觉得分布稳定可以终止时，就可以一键终止，脚本最后会把结果处理一下保存好。自动测试脚本完成后，我们只需要在Chamber（暗室）里搭建好测试环境，执行脚本就可以出去做别的事情了，既省事又省时，这就是程序员懒惰的“劣根性”的表现吧。

我们分别测量了近场和远场的辐射，既有重启板子、也有不重启连续测量的结果，发现并非每个频率点的波动都很大，有三个辐射最大的点波动不是很大，而我们的方法对于这三个点的预测结果吻合度是很好的。在EMC（电磁兼容）的检测中，我们也是往往关注几个最特殊的点，因为这是影响检测通过与否的关键。虽然通过大规模的重复测试，我们的方法证明在辐射稳定的点比较有效，但是造成板子不稳定性的原因还未知，同时值得怀疑的地方是，这种不稳定性是一个共性问题还是只有少数板子才有（我们发现一个开发板和一个测试板都有这种问题）？这种不稳定的辐射波动是否与散热片的形状有关？下周的工作就是集中突破这几个问题，完善我们的方法。

反思一下，自动测试脚本虽然方便快捷，但也并非适用于任何测量，本周的任务主要是重复测量得到统计结果，并且我们通过之前的大量测试，对于辐射的分布比较熟悉，知道如何快速找到测量位置，所以脚本测试比较合适，但是很多测试需要我们亲自操作仪器，在测量过程中发现问题并及时解决。只有针对测量的特点选择相应的测量方法，才是测量的魅力所在。

2.2 吴纯宇——基于3D打印技术的信道模拟器

这周主要做了3件事情。

第一件事情是对以前测量的介电常数进行校正。因为小帕一直认为我们测量的介电常数是存在问题的。就是当频率升高后，介电常数都会有一定程度的下降。我们考虑了2个可能导致这种现象的原因。第一种可能是trace本身的损耗。由于trace的损耗，S21在高频时有一定程度的下降，从而导致测得的介电常数在高频时也会有些下降。我们测量了trace本身的S21，trace自身的S21在高频时确实有一定程度的下降。但下降幅度之小以致可以完全忽略，所以这个假设是不成立的。第二种可能是我们做的电容的两片copper tape和ground之间也存在电容。所以我们将电容两端的copper tape直接连起来，这样就只有copper tape和ground之间的电容了。这样就可以测量这个寄生电容对之前测量的影响。结果显示，在测量频率范围内，这个电容对我们的测量毫无影响。所以第二种解释也排除了。目前可以认定我们的测量是存在误差的，因此决定下周采用marina的另一种方法来测量。

第二件事就是用老办法测量从德国新来的两种材料的介电常数，虽然有误差，但可以知道材料的介电常数的大致情况。一个材料叫MARS，另一个材料叫JUPITOR。我们先只测了MARS的介电常数。测量结果如下：

第三件事情就是把材料打在trace上，看这个材料对trace的影响。

测得的S21如下，目前对于这种影响，我们还不能很好的解释。

2.3 徐冰洁——Cisco Channel Emulator Project

时间过得太快，转眼已经到九月末，来EMC实验室实习已经第十一周了。在这周，Dr.Mikheil提出了一种新想法，让项目有了很大进展。

在采用Dr.Pommerenke的近似理想化方法很简单地计算出FIR滤波器两端S参数值后，这周主要计算输入IC板子的FIR滤波器九个系数值。不继续之前Channel Emulator中的算法，Dr.Mikheil提出一种新算法——直接联系MATLAB计算的系数和板子测量结果。我花了半天时间，根据Mikheil的想法，写完了计算FIR滤波器系数值的MATLAB代码。之后跟Mikheil讨论如何优化计算值，让计算结果和目标结果更接近。由于时间紧迫，我硬是跟Mikheil从下午4点讨论到晚上7点，最后讨论的结果比较令人满意，不枉我俩最后饥肠辘辘。

通过MATLAB写代码找到要输入IC板子的九个系数值后，我开始了VNA(Vector Network Anaylzer)测量工作。首先测试这个算法的两个大前提是否正确，接着测量输入FIR滤波器九个系数值后板子信道两端的S21数据并与原目标S参数数据对比。这周值得一提的是，在一天一次的测试中，我自己搭VNA setup(测量环境)的速度变快不少，步骤更清楚，操作更娴熟。周六下午，罗拉下起大雨，实验室人不多，我一个人在测量房间里，只有那台嗡嗡嗡响的可以测50GHz的VNA陪伴，心却特别充实。心很静，慢慢测试，边看测量结果边分析。测试的结果证明，这次尝试的方法奏效了！

由于还有不到两周的时间实习就结束了，我现在抓紧时间推进这个项目进度，争取能为这次暑期实习画上一个圆满的句号。

2.4 赵碧瑶——PCB的power distribution network建模

这周完成了带电容的板子测量，即将电容焊到板子上，分析电容对PDN的输入阻抗的影响。之后，我们将板子切开，得到了板子的实际尺寸。在之前的工作中，我们发现仿真结果和测量结果并不吻合，其中最重要的原因是板子的尺寸未知。由于这是一块比较便宜的板子，做工没有那样精确，因此出现误差的可能性非常大。事实证明，8mil的电介质层加工完成后是9.44mil，误差非常大。下周的工作是基于实际的板子尺寸参数，修改仿真模型，对比仿真结果和测量结果，观察两者是否吻合。

除此之外，这周研究了CST模型，即在CST中搭建板子的模型并仿真分析。但是CST的结果和HFSS的结果吻合不是很好，两者之间存在一点偏移，而且在不同例子中的偏移还不一样。在确保两者使用的材料及模型的尺寸完全相同之后，造成这种不吻合的唯一可能原因就是端口激励源的设置不同。在CST中，不能设置面Lumped端口，因而我设置的是离散端口。在不同情况，离散端口的方向、位置(有的例子中离散端口位于环的左侧，有的位于右侧)不同，造成结果的偏移不同。为了解决这个问题，只能重新选择端口并仿真。

另外，这周完成了Spice输入文件转换器，并将其应用到PDN工具中。首先分析PDN产生的Spice输入文件，将该输入文件和PowerPEEC Spice输入文件的格式对比，发现了三个问题。第一，没有找到PowerPEEC Spice对互感的定义；第二，不清楚PowerPEEC Spice是否支持与频率有关的表达式形式的值(损耗因子与频率有关，对损耗因子的表达是一个与频率相关的表达式)；第三，PDN产生的输入文件包含两级嵌套子电路，不清楚PowerPEEC Spice是否支持子电路，更不清楚它是否支持子电路的嵌套。

针对第一个问题，我们直接发邮件询问了IBM公司的员工，他给出了PowerPEEC Spice中互感的语法描述，很快解决了这个问题。针对第二个问题，我在周二的会议上询问了一名教授，不幸的是，PowerPEEC引擎不支持与频率相关的表达式形式的值；但是他同时指出，在第一个腔体谐振出现之前，是可以按照常数来表示损耗因子以及其他与频率相关的参数。针对第三个问题，我将之前的用于DC分析的电路拆开成子电路，对比拆分之前和拆分之后的结果，发现两者结果完全相同，说明PowerPEEC引擎支持子电路。接着，我使用一个新的子电路调用拆分出来的子电路，形成两级嵌套的模式，对比嵌套之后的结果和原始结果，发现两者完全一致，说明PowerPEEC引擎支持子电路嵌套。这样，我们完全弄清楚了这三个问题并得到了解决方案，然后我以最快的速度完善了Spice输入文件转换器。剩下的工作是我们需要把该转换器整合到FEMAS中，并在PDN中调用，使得PDN工具可以直接调用PowerPEEC引擎来解决问题。

2.5 杨帆——双绞线信号完整性问题研究/偏心圆柱体电磁散射理论

前期推导过如图1所示电路模型的互感互容与S参数之间的关系。

图？SEQ图\* ARABIC1电路模型

本周在以上模型基础上进一步分析：首先，将互感等效为一个电压源，如图2。

图？SEQ图\* ARABIC2等效电路

图3是图2电路的一个变形，由图3可以较为方便的把讨论电路模型看做一个二端口网络电路。

图？SEQ图\* ARABIC3二端口等效电路

在端口1、2分别利用KCL可以得到端口电压与互感互容之间的关系：

由S参数我们知道

以上是在端口一加驱动电源的情况，同理我们可以在二端口加驱动电源得到相应的一些结论：

由上面4个方程组我们可以解出4个未知数，分别是M, C, ZFE, ZL,；其中，M,C是我们需要的变量。

这与我们再ADS中C、M的参数是完全一致的，证明了公式的正确性。

当然，这个电路模型忽略了侵占线（aggressor line）上的互感，如果考虑aggressor line的互感，有如下电路模型：

图？SEQ图\* ARABIC4电路模型

相比之前的模型，在aggressor line上面多加了一个电压源，但是计算的结果比前面模型的计算结果复杂得多，目前，我正在用maple计算复杂的方程组，希望可以得到我们需要的S参数与M、C之间的关系式。

2.6 贺嘉贻——PDN noise study

在PDN noise study中，我们希望把芯片的电源管脚的电流等效为一个端口来研究它的PDN，然后通过设计一个testboard来验证这样的端口等效是正确的。这样我们需要测出电源管脚的电流值，还需要在testboard上取一个测试点，测出测试点和电源管脚处的电压值，以及端口间的S参数，转换成Z参数后计算出电源管脚处的电流。然后将二者的值进行对比，以此来验证等效是否正确。

为了测量芯片的电流值，我们决定采用rogowski coil的结构。Rogowski coil是用一组线圈来测量电流值，电流穿过线圈会在rogowski coil上产生磁场，对于交流电，它产生的磁场也是变化的，这样在线圈上也会产生电流。我们测出rogowski coil两端的电压值就可以最终得到穿过线圈的电流值，也就是芯片电源引脚的电流。

Rogowski coil的结构图

式中M代表线圈与电流源之间的互感，这个互感是可以通过测量得到的，电压V也是可以直接测量得到，这样就得到了穿过线圈的电流值。我们决定根据rogowski coil的测量电流方法来设计一个testboard。之前的项目已经完成了对一个芯片端口等效的验证，现在我们的计划是使用三个芯片，验证三个芯片的PDN是否仍然可以用之前的方法等效。

在testboard的设计过程中，我对PDN和高频电路设计的了解也越来越多，我也感觉到这里面有很深的学问，自己还有很多需要学习的地方。