Современная электроника №8/2025

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ 27 WWW.CTA.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 8 / 2025 ная информация позволяет более точно оценить возвратные поте- ри в линии передачи, что важно при построении высокочастотных трактов. 2. Все первичные параметры линии передачи (индуктивность, ёмкость, активное сопротивление, прово- димость диэлектрика). Модель ли- нии в этом случае является полной и представляется так, как показано на рис. 2. 3. Ослабление сигнала. Позволяет определить допустимую длину ли- нии передачи. 4. S-коэффициенты линии передачи (возвратные потери и потери не- посредственно в линии). В статье в качестве примера прове- дём для интерфейса USB 3.1 частотный анализ дифференциальной линии передачи и определим её максималь- ную допустимую длину на печатной плате. Известно, что скорость переда- чи данных через данный интерфейс варьируется в диапазоне от 2,5 Гбит/с до 10 Гбит/с. Параметры линии возь- мём из статьи [1]. На рис. 3 показан её расчёт без учёта потерь. Максимальное ослабление сиг- нала при передаче данных по USB 3.1 не должно превышать –23 дБ [2]. При этом схема распределения потерь выглядит так, как показано на рис. 4. Видно, что суммарное ослабление на печатной плате не должно быть более –8,5 дБ. Исключив потери на компонентах, переходных отверсти- ях, если таковые имеются, а также паяных соединениях, получим, что максимальное ослабление в диффе- ренциальной линии передачи будет составлять примерно –4 дБ. Форму- ла для расчёта допустимых потерь в линии следующая: A max = –8,5 – A via – A comp – A sold , где A via , A comp , A sold – ослабление сигна- ла в отверстиях, компонентах, пая- ных соединениях соответственно. Для более точной оценки потерь в линии необходимо использовать информа- цию из документации на применяе- мые компоненты. В соответствии с выражением A  = = 10 log ( P вых / P вх ) получаем, что P вых  = = 0,398 P вх . То есть допускается потеря мощности в 60%. Выполним расчёт параметров диф- ференциальной пары, представленной выше (рис. 3), в частотном диапазоне от 2,5 ГГц до 10 ГГц с шагом 500 МГц в программе SimPCB Lite. Результат рас- чёта показан на рис. 5 и соответству- ет длине линии в 100 мм. Рассчитаны все первичные параме- тры линии (R, L, C, G), волновое сопро- тивление (Zdiff), потери в проводнике \ αdb , R , в диэлектрике \ αdb , D , суммар- ное ослабление \ αdb . Волновое сопротивление и индук- тивность уменьшаются с увеличе- нием частоты, активное сопротив- ление, проводимость диэлектрика и потери возрастают, ёмкость остаёт- ся без изменений. Постоянство ёмко- сти объясняется тем, что диэлектри- ческая проницаемость применяемого материала практически не изменяет- ся до 10 ГГц. Оценим ослабление сигнала в зави- симости от длины линии передачи для частоты 5 ГГц. Для этого параметр Ltl переведём в режим множественного расчёта и зададим для него следую- щие значения (рис. 6). На рис. 7 пред- ставлен результат расчёта. Видно, что ослабление сигнала в –4 дБ соответ- ствует длине линии в 368 мм. В первом примере используется материал TU-872. Данный матери- ал рекомендуется применять в высо- коскоростных устройствах. Одна- ко инженер часто ориентируется на стандартный FR4. Отличия этих двух материалов в диэлектрической про- ницаемости и тангенсе угла диэлек- трических потерь. Для второго мате- риала первый параметр составляет 4,2, а второй – 0,02. Следует отметить, что тангенс угла диэлектрических потерь в значительной степени влияет на ослабление сигнала в диэлектрике. Выполним расчёт, аналогичный пред- ставленному выше, но для материа- ла FR4, и оценим максимальную дли- ну линии. Результат расчёта показан на рис. 8. Для материала FR4 макси- мальная длина линии будет меньше и составит 210 мм. На ослабление сигнала влия- ют и потери на отражение. Такие потери можно оценить с помощью S-параметров. Если линия передачи согласована, то отражение должно быть минимальным. Выполним рас- чёт коэффициента SDD11 на частоте 5 ГГц в зависимости от длины согла- сованной дифференциальной линии передачи в программе SimPCB Lite. Материал диэлектрика TU-872. Резуль- тат расчёта показан на рис. 9. Макси- мальные потери составляют –25 дБ. Это означает, что менее чем 0,5% мощ- ности сигнала будет рассеяно. То есть потерями на отражение можно пре- небречь. В качестве примера рассмотрим и несогласованную линию передачи. Для этого изменим сопротивление источника на 10 Ом. График зависи- мости SDD11 от длины линии пере- дачи на частоте 5 ГГц показан на рис. 10. Максимальные потери на отраже- ние составляют уже –4 дБ, что соот- ветствует снижению мощности сиг- нала на входе линии в 40%. То есть допустимое ослабление сигнала уже будет А  = 10 log (0,39 P вх /0,6 P вх ) = –1,87 дБ. В результате длина дифференциаль- ной линии передачи для материала TU-872 составит 162 мм (рис. 11), а для FR4 – 96 мм (рис. 12). Кроме этого, следует отметить, что при коэффициенте SDD11, рав- ном –4 дБ, возникнет высокая вероят- ность появления проблем с целостно- стью сигналов, что может привести к некорректной работе интерфейса [3]. Принимать решение об использова- нии такой реализации следует толь- ко после дополнительного анализа во временно́й области. Частотный анализ позволяет инженеру получить два важных пер- вичных параметра линии передачи: активное сопротивление ( R ) и прово- димость диэлектрика ( G ). R и G явля- ются элементами, от которых зави- сит ослабление сигнала. Используя суммарные потери (проводник и диэлектрик), можно оценить допу- стимую длину линии для любой модели линии передачи. Следует помнить, что на ослабление вли- яет и коэффициент отражения от входа. Если линия согласована, то потерями на отражение можно пре- небречь, в противном случае их сле- дует учитывать. Литература 1.  Кухарук В.С., Ухин В.А. Расчёт вол- нового сопротивления на печат- ной плате для интерфейса USB 3.1 в САПР SimPCB Lite // Современная электроника. 2025. № 6. C. 18. 2. URL: https://www.infineon.com/ (дата обращения: 27.08.2025). 3.  Кечиев Л.Н. Справочник по расчё- ту электрической ёмкости, индук- тивности и волнового сопротив- ления в электронной аппаратуре: инженерное пособие. М.: Грифон, 2021. 280 с.