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第 6 章 平 面 和 电 容 器 的特 性 197 和 进 入 腔 平 面的 扩散 电 感 。 单 端 口 测 量 显 示 探 针 与 通 孔 串 联的 接 触阻 抗 以及到 平 面的 扩散 电 感 。 双 端 口 测 量 带有 两个 微型探 针触 摸 相 同 通 孔 的顶部表面 ， 它 可 消 除 探 针 效应 ， 但仍 然显 示通 孔 的 回 路电 感 与 扩展 电 感 的 串 联 。 提 示 可以使 用 两个 端 口 的通 孔测…

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196
PDN
设计之电源完整性
：
高速数字产品的鲁棒和高效设计
1
nn
频率
（
Hz
）
频率
（
Hz
）
图
6-40
考察空腔上
4
个不同观察点处的自阻抗和传输阻抗
。
顶部视图
：
4
个观察点的位置;
底部视图
；
自阻抗和转移阻抗曲线
在图
6-40
右侧所示的传输阻抗曲线中
，
我们看到频率
（
2,
1
）
对应的阻抗最小值是随着
第二观测点到中心距离的增加而增加的
，
并且最小值更接近腔体的边缘
。
但是
，
对于高频
端的阻抗来说
，
其扩展电感的近似测量则大幅减少
。
随着两个探针点之间的距离越远
，
传输阻抗对腔体的扩展电感非常不敏感
。
对于第
4
点
（
即靠近圆周的位置
）
，
腔体的阻抗几乎是纯电容性的
，
一直到开始首个模式的谐振
。
而
且
，
在这么远的位置观察到的有效扩展电感几乎为零
。
有趣的是
，
这些平面的模态共振峰值对应的传输阻抗与位置
2
无关
。
在位置
1
处注入
腔中的电流驱动任何一个由谐振腔支撑的模式
。
与下降的频率不同
，
这些模式的频率独立
于观测点
，
它们是腔体尺寸固有的
。
在低频段
，
我们能够清晰地识别电容或感应的自阻抗特性
，
并且自阻抗和转移阻抗的
解释很直白
。
当高于这些频率时
，
理解阻抗谱的细节
（
不同于识别指定的模态共振
）
是非常
困难的
。
传输阻抗作为探测分布式腔体特征的概念应用于测量时非常有用
。
例如
，
通过电感和
腔中扩散电感的分离
，
我们可以使用从一个腔体的不同位置到端口的二端口测量
。
我们测量了一个埋有空腔的电路板
，
该电路板由两个与
VNA
分开约
Imil
的平面组
成
。
使用单端口和双端口技术
，
微型探针与电路板顶部
，
那里通孔连接两个平面
。
图
6-41
给出了从这两个配置中提取得到的阻抗测量结果
。
在这个例子中
，
从空腔中看人的总回路电感大约是
80pH
。
这包括到腔体顶部的通孔对
第
6
章平面和电容器的特性
197
和进入腔平面的扩散电感
。
单端口测量显示探针与通孔串联的接触阻抗以及到平面的扩散
电感
。
双端口测量带有两个微型探针触摸相同通孔的顶部表面
，
它可消除探针效应
，
但仍
然显示通孔的回路电感与扩展电感的串联
。
提示
可以使用两个端口的通孔测量从板上的表面到空腔
。
该测量仍然对通孔至腔体
的回路电感和腔体的扩展电感非常敏感
。
接下来
，
我们将探针移动到电路板的两侧
，
一个接触通孔对的顶部
，
另一个探针接触
底部的通孔对
。
通过这种方式
，
一个探针通过平面到空腔的边缘
，
驱动电流进入通孔的顶
部
。
另一个探针测量在通孔对底部产生的电压
。
它对从通路顶部到平面接触的通路中间的
电压下降不敏感。
当电流从通孔接触点进入腔体时
，
它只对产生的电压敏感
。
这个双端口
测量
，
如图
6-42
所示
。
图
6-42
是直接测量的扩展电感
，
这时空腔和其边缘没有受通孔的
影响
。
图
6-41
使用单端口和双端口测量技术从电路板
顶部通过通孔进入埋入式腔体的阻抗,
还包括用于比较的
80
P
H
电感的阻抗
频率
（
Hz
）
图
6-42
微型探针接触相同通孔对的相对端时,
增加了双端口测量
。
这种测量对腔中的
扩散电感是敏感的
使用通孔两端的触点
，
我们可以看到阻抗测量与通孔回路电感无关
，
只
与空腔的扩散
电感有关
。
将此阻抗与理想值进行比较
，
20PH
的电感显示与扩展电感有良好的匹配
。
对于一个
Imil
厚的腔体
，
我们希望扩展电感按照空腔的片状电感量级进行计算
，
即
32pH/milXlmil
=
32pH
0
在这个例子中
，
我们测量得到的电感值大约为
20pH,
这与预期
的电感值在同一个量级
。
此外
，
一
开始我们就注意到
：
一些腔体模态共振叠加在其分布的
电感阻抗上
。
较高频率的模态共振由于腔内有非常薄的电介质而被阻止
。
提示
当我们从通孔的两侧测量时
，
使用双端口技术消除了通孔回路电感
，
并直接显
示腔体中的扩散电感
。
这是测量令人难以置信的小扩散电感的最佳技术
，
通常
按照几十个
pH
来处理
。
当腔体包含其他组件时
，
传输阻抗是分析电压
、
电流和腔体阻抗特性的又一个强大
工具
。
198
PDN
设计之电源完整性
：
高速数字产品的鲁棒和高效设计
6.
20
总结
1
.
空腔由两个非常接近的平面组成
，
而且这两个平面之间的阻抗由
3
个不同的区域
给出
。
2
.
在低频下
，
腔体阻抗看
起来像一个电容器
。
这个电容提供了测量层压材料
Dk
值的
一种简单方法
。
3
.
腔体阻抗曲线的下降类似于
LC
电路的自谐振频率
。
L
是腔扩散电感的直接量度
。
C
是腔平行板电容
。
在最高频率下
，
腔体模态共振可确定其阻抗
。
5
.
有效特征阻抗在腔体内部传播时通常远低于
0.1
。
。
6
.
腔内的扩散电感取决于电流密度
，
它会受到腔体内自由流动的电流所影响
。
7
.
谐振腔中两点之间的扩散电感随两点之间的间距呈对数关系变化
。
8
.
在腔体中添加一个电容器会产生新的并联谐振
，
而且
，
电容器中的电感会与腔体的
,
电容相互
作用
。
9
.
腔体模态共振频率仅取决于腔体的尺寸和填充它的电介质
。
10
.
降低
腔体高
频模态共振的最有效方法是使用非常薄的电介质来缓冲衰减
。
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