PCB S 参数提取时，Open 边界和裁剪区域会影响结果吗？

一、问题背景

在上一篇文章中，我们演示了FAQ161:如何用 CST 快速获得 PCB 差分通道的 S 参数？.但在实际工程中，还有一个非常重要的问题：

从完整 PCB 中裁剪出局部区域以后，得到的 S 参数是否还能代表完整板上的真实通道？

这个问题的核心在于：裁剪区域是否改变了原始PCB 的参考地、回流路径、过孔/焊盘环境以及周围铜皮耦合。

因此，本篇文章基于同一个LVDS 差分通道模型，对两个问题进行验证：

• Open与Open(add space) 边界对S参数结果的影响；

• 不同裁剪区域对S参数结果的影响。

二、Open 与 Open(add space) 边界对比

本案例对Open+5mm background 和Open(add space) 两种边界进行了对比。为了同时观察端口回波、主传输以及差分通道结果，本文分别对比了单端S参数和Mixed-mode后的差分插入损耗Sdd21。

图 1 Open与Open(add space) 边界下的单端S参数对比

从单端 S 参数对比可以看到，Open+5mm background 与Open(add space) 下的S1,1和S4,1曲线基本重合，说明边界设置对当前局部 PCB 通道的端口回波和主传输结果影响较小。

从差分插入损耗Sdd21的结果可以看到，两种边界下曲线基本重合，仅在高频端存在轻微差异。

图2 Open 与 Open(add space) 边界下的差分插入损耗Sdd21 对比

对比结果表明，对于当前局部PCB 差分通道模型，主要能量沿差分走线与参考地构成的传输结构传播，边界设置对主传输结果影响较小。因此，本案例中采用Open+5mm background 可以满足 S 参数提取需求，同时有助于减少计算区域和仿真时间。

三、不同裁剪区域对S 参数的影响

相比边界设置，裁剪区域对本案例的影响更加明显。

在保持端口、材料、边界、背景距离和求解器设置一致的情况下，仅改变PCB 的裁剪范围，不同模型得到的S 参数结果出现了明显差异。

图3 不同裁剪区域下的单端 S 参数对比

裁剪区域减小后，单端回波相关结果变化更明显，主传输结果也出现一定差异，说明局部裁剪范围已经影响了目标差分通道的电磁环境。其原因可能包括参考地面积变小、回流路径被截断、过孔/焊盘/反焊盘结构不完整，或者相邻铜皮和地包地结构被裁掉。

50mil不够→100mil 明显改善→110mil与100mil接近→100mil附近可作为合理裁剪范围。

图4 不同裁剪区域下的单端 S 参数对比

四、为什么裁剪区域会影响结果？

高速信号的传播并不只发生在两根信号线上。

对于 PCB 差分通道来说，电磁场和回流电流会分布在：

• 差分线之间；

• 走线与参考地之间；

• 过孔和焊盘附近；

• 地过孔和参考平面附近；

• 相邻铜皮和地包地结构附近。

如果裁剪区域过小，相当于改变了原始PCB 的参考环境。此时仿真得到的就不再是完整PCB 上该通道的 S 参数，而是“被裁剪后的小模型”的 S 参数。

五、工程建议

对于 PCB 局部 S 参数提取，建议遵循以下原则：

第一，边界可以先做简单敏感性验证。

如果 Open + 合理background 与Open(add space) 的S参数基本一致，说明边界不是主要影响因素。

第二，裁剪区域必须重点验证。

不同裁剪范围下，如果Sdd21、Sdd11 或差共模转换结果变化明显，说明裁剪区域还没有收敛。

第三，裁剪距离不能直接套模板。

不同 PCB 的叠层、走线层、参考地、过孔结构、相邻铜皮和地包地方式不同，裁剪区域需要结合具体结构判断。

第四，目标不是裁得最小，而是在结果稳定的前提下尽量减小模型规模。

六、总结

本案例的验证结果可以总结为两点：

• Open与Open(add space) 对当前模型的主要S 参数结果影响较小。

• 裁剪区域变化对S 参数影响更明显，因此裁剪范围必须通过结果对比进行验证。

因此，在 PCB局部差分通道 S参数提取中，边界设置固然需要确认，但更关键的是保证裁剪区域没有破坏原始PCB 的参考地和回流路径。