FPC軟板印制板拐角防撕裂結構信號傳輸性能分析(二)
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構模型為：①內直角結構。②內圓角結構。③內角鉆孔結構。④內角圓環銅堤結構。⑤內角線型銅堤結構。如圖5所示。其中結構①是未經防撕裂處理的結構，結構②～⑤都是為了防止FPC軟板拐角處撕裂，增強軟板強度的常見設計結構。
FPC軟板的結構從上到下依次為銅印制線、粘結膠、聚酰亞胺薄膜、粘結膠和參考地，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。粘結膠的介電常數為εr=4．0，厚度為h=1．5 mil；聚酰亞胺基材的介電常數為εr=3．4，厚度為h=2 mil。
2．2 不同結構的S參數特性
通過仿真，得到5種圓弧拐角模型的S參數頻域曲線，如圖7～圖10所示。
從圖7中可以得出，引入銅堤對信號傳輸的插入損耗影響很大。頻率為0～5 GHz時，如圖5所標出的5個結構對信號傳輸的影響從小到大的順序依次為①③②⑤④。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的插入損耗進行比較，如圖8所示。在頻率為2 GHz時，與①相比，其中影響最小的結構為③，由內角鉆孔結構減小的插入損耗為0．04 dB。而對信號傳輸影響最大的結構為④，圓環銅堤結構減小的插入損耗達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內圓角結構、③內角鉆孔結構、④內角圓環銅堤結構、⑤內角線型銅堤結構都比①內直角結構要好，說明引入防撕裂結構對傳輸線的插入損耗是有益的。在FPC設計時，在考慮工藝能力，成本的前提下，為了得到較大的插入損耗，應優先考慮使用內角鉆孔結構，內角圓環銅堤結構。
從圖9中可以得出，圓弧拐角模型的近端串擾隨頻率增大而改變。頻率在0～3 GHz時，最好的方案是內直角結構，與最差方案內角圓環銅堤結構相比，其對于串擾噪聲的抑制最高達大約5 dB。頻率在3～5 GHz時，5種方案的近端串擾值比較相近。5個結構對信號傳輸的影響從小到大的順序依次為①③②④⑤。
截取頻率1．5～2．1 GHz的近端串擾進行比較，如圖10所示。在頻率為2 GHz時，與內直角結構相比，影響最小的結構為③，由內圓角結構增加的近端串擾為0．45 dB。影響最大的結構為⑤，內角圓環銅堤結構的近端串擾為0．9 dB。
由圖9和圖10可知，對于傳輸線的近端串擾，頻率在0～5 GHz內時，防撕裂的4種結構能一定的減少串擾，其中②內圓角結構。③內角鉆孔結構由于在結構上變化不大，效果不明顯。而④內角圓環銅堤結構。⑤內角線型銅堤結構在拐角處引入銅箔，對拐角邊緣印制線起到電場分散的作用。在1 GHz時④內角圓環銅堤結構比①內直角結構的近端串擾值小了大約6 dB，說明高頻下引入防撕裂結構對傳輸線的有益于減少近端串擾。設計時為了降低近端串擾，應優先考慮使用內角圓環銅堤結構，其次是內角線形銅堤結構。
2．3 不同結構的電磁特性
通過仿真得到5種不同結構下的FPC表面的電場強度和磁場強度的最大值，如表1所示。
從表1中可以明顯的看出防撕裂的4種結構的最大電場磁強度值，最大磁場強度值都小于內直角結構，其中內圓角結構的最大電場磁強度值，最大磁場強度值最理想。
同時得到5種不同結構下的FPC表面的電場圖，為了直觀的比較不同防撕裂結構FPC的電場分布圖，對電場場強進行均勻劃分，其中最高場強區域定義為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內直角結構的高電場強度區域面積最大，④內角圓環銅堤結構的高電場強度區域面積最小，與表1的結果相吻合。5種不同結構在信號開始進入圓弧拐角處附近的電場強度有一定的減小，是由于平行傳輸線變為圓弧傳輸線產生的阻抗不連續產生，因此在FPC設計是應避免過多的拐彎。④內角圓環銅堤結構、⑤內角線型銅堤結構由于添加了銅堤，這兩種結構的抗撕裂效果是最理想的，所以在FPC軟板高彎折頻率的情況下，綜合考慮電子產品的性能指標應優先使用。
3 結束語
通過全波電磁仿真研究了撓性印制板5種圓弧拐角結構，包括內直角、內圓角、內角鉆孔、內角圓環銅堤、內角線型銅堤5種結構的插入損耗、近端串擾及電磁場分布情況。從仿真結果的對比分析中得出，防止撓性印制板彎曲處撕裂，增強撓性板強度的4種設計結構的插入損耗較理想，其中內角圓環銅堤結構插入損耗值最優。內角圓環銅堤結構顯著降低了近端串擾噪聲，是保證系統信號完整性的最佳選擇。在FPC軟板設計時，在考慮工藝能力和成本的前提下，同時考慮防撕裂，增強撓性板強度，并對產品的電可靠性有一定要求時，應優先使用內角線型銅堤結構，內角圓環銅堤結構。文中僅分析了圓弧拐角不防撕裂結構的影響情況，對于其他拐角情況的防撕裂結構有待進一步的研究。
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