Kotelnikov Institute of Radio Engineering and Electronics of RAS Русский Sign in Submit a paper
Journal of Radio Electronics Online scientific journal · eISSN 1684-1719
2022, № 8 · RADIO ENGINEERING

Signal integrity analysis for the four-layer reflection symmetric modal filter

Y.S. Zhechev1

1 Tomsk State University of Control Systems and Radioelectronics, Tomsk, Russia
Full text (PDF) DOI: 10.30898/1684-1719.2022.8.5 UDC 621.391.825 EDN KGMGXS

Abstract

The article presents the results of signal integrity analysis for a four-layer reflection symmetric modal filter and determines a potential field of application for such devices. The authors performed a simulation and experimental study in the range from 0 to 1.5 GHz. The results show that the average level of insertion loss in the passband does not exceed -18 dB, which demonstrates good agreement. The insertion loss does not significantly attenuate the useful signal. After the modal filter was defined in the frequency domain, the authors used the Advanced Design System to analyze the time characteristics. Pseudorandom binary sequences with bitrates from 0.125 to 0.5 Gb/s were excited to the input of the device in the Advanced Design System. The eye diagrams show that the modal filter has an excellent performance in terms of signal integrity. Thus, at the fastest data rate, the jitter does not exceed 39.5 ps. The maximum value of amplitude noise was 71 mV. It is possible to achieve significantly lower values of jitter and amplitude noise for the modal filter using its optimal geometric and electrical parameters. The results of the electrodynamic simulation are in good agreement with the experimental results.

  • signal integrity
  • reflection symmetric modal filter
  • electromagnetic compatibility
  • pseudorandom binary sequence
  • eye diagram
Аннотация (на русском)

Анализ целостности полезного сигнала для четырехслойного зеркально-симметричного модального фильтра

В статье представлены результаты анализа целостности сигнала для четырехслойного зеркально-симметричного модального фильтра и определена потенциальная область применения таких устройств. Проведены вычислительный и экспериментальный эксперименты в частотном диапазоне от 0 до 1,5 ГГц. Показано, что средний уровень вносимых потерь в полосе пропускания не превышает -18 дБ, что свидетельствует о хорошем согласовании. Вносимые потери не оказывают существенного ослабления полезного сигнала. После того, как модальный фильтр был определен в частотной области, использована система Advanced Design System для анализа временных характеристик. Псевдослучайные битовые последовательности со скоростью передачи данных от 0,125 до 0,5 Гбит/с подавались на вход зеркально-симметричного модального фильтра. Из глазковых диаграмм видно, что модальный фильтр имеет хорошие характеристики с точки зрения целостности сигнала. Так, при самой высокой скорости передачи данных фазовое отклонение не превышает 39,5 пс. Максимальное значение амплитудного шума составило 71 мВ. Можно добиться значительно меньших значений фазового отклонения и амплитудного шума для модального фильтра, используя его оптимальные геометрические и электрические параметры. Результаты электродинамического моделирования хорошо согласуются с экспериментальными результатами.

For citation

Zhechev Y.S. Signal integrity analysis for the four-layer reflection symmetric modal filter // Journal of Radio Electronics. – 2022. – No. 8. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2022.8.5

References

  1. Zahid M.N., et al. Signal Integrity Simulation Design and Analysis of Electronic Article Surveillance PCB for RFID applications. IEEE 3rd International Conference of Safe Production and Informatization (IICSPI). 2020. P.600-604. https://doi.org/10.1109/IICSPI51290.2020.9332408
  2. Lin H.-N. et al. Switching Noise Analysis for Conducted Electromagnetic Interference from of Power Electronic Module. Asia-Pacific International Symposium on Electromagnetic Compatibility (APEMC). 2021. P.1-4. https://doi.org/10.1109/APEMC49932.2021.9596955
  3. Shiue G.H., Shiu J.H., Chiu P.W. Analysis and Design of Crosstalk Noise Reduction for Coupled Striplines Inserted Guard Trace with an Open-Stub on Time-Domain in High-Speed Digital Circuits. IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology. 2011. V.1. №10. P.1573-1582. https://doi.org/10.1109/TCPMT.2011.2163309
  4. Gazizov T.R., Zabolotsky A.M. Experimental Results on UWB Pulse Propagation in Low-Voltage Power Cables With Different Cross Sections. IEEE Transactions on electromagnetic compatibility. 2012. V.54. №1. P.229-231. https://doi.org/10.1109/TEMC.2011.2171971
  5. Межгосударственный стандарт ГОСТ IEC/TR 61000-1-5-2017. Электромагнитная совместимость (ЭМС) - Часть 1-5 - Общие положения -Воздействия электромагнитные большой мощности (ЭМБМ) на системы гражданского назначения. 2017. 41 с.
  6. Khazhibekov R.R., Zabolotsky A.M., Zhechev Y.S., Kosteletskii V.P., Gazizov T.R. Development of modal filter prototype for spacecraft busbar protection against ultrashort pulses. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2019. V.560. №1. P.12-145. https://doi.org/10.1088/1757-899X/560/1/012145
  7. Khazhibekov R.R., Zabolotsky A.M. Modal Filter with Interdigital Structure of Conductors for 100 Mbit/s Ethernet Equipment Protection.International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON). 2019. P.1-4. https://doi.org/10.1109/SIBCON.2019.8729577
  8. Belousov A.O., Chernikova E.B., Khazhibekov R.R., Zabolotsky A.M. Quasi-static and electrodynamic simulation of reflection symmetric modal filter time response on ultra-short pulse excitation. Journal of Physics: Conference Series. 2018. V.1015. P.032015. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1015/3/032015
  9. Zhechev Y.S., Chernikova E.B., Belousov A.O. Research of the New Structure of Reflection Symmetric Modal Filter. 20th International Conference of Young Specialists on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices (EDM). 2019. P.108-112. https://doi.org/10.1109/EDM.2019.8823227
  10. Zhechev Y.S. Experimental Study of the Buried Vias Effect on Reflection Symmetric Modal Filter Performance. 21st International Conference of Young Specialists on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices (EDM). 2020. P.200-204. https://doi.org/10.1109/EDM49804.2020.9153335
  11. Svensson C., Dermer G.H. Time domain modeling of lossy interconnects. IEEE Transactions on Advanced Packaging. 2001. V.24. №2. P.191-196. https://doi.org/10.1109/6040.928754
  12. Djordjevic A.R., Biljie R.M., Likar-Smiljanic V.D., Sarkar T.K. Wideband frequency-domain characterization of FR-4 and time-domain causality. IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility. 2001. V.43. №4. P.662-667. https://doi.org/10.1109/15.974647
  13. Kim G., Kam D.G., Lee S.J., Kim J., Ha M., Koo K., Kim J. Modeling of Eye-Diagram Distortion and Data-Dependent Jitter in Meander Delay Lines on High-Speed Printed Circuit Boards (PCBs) Based on a Time-Domain Even-Mode and Odd-Mode Analysis. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2008. V.56. №8. P.1962-1972. https://doi.org/10.1109/TMTT.2008.927543
  14. Sui C., Bai S., Zhu T., Cheng C., Beetner D.G. New methods to characterize deterministic jitter and crosstalk-induced jitter from measurements. IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility. 2015. V.57. №4. P.877-884. https://doi.org/10.1109/TEMC.2014.2388236
  15. Kubíček M. In-system jitter measurement using FPGA. In 20th International Conference Radioelektronika. 2010. P.1-4. https://doi.org/10.1109/RADIOELEK.2010.5478560.
  16. Jung H. K., Lee S. M., Sim J. Y., Park H. J. A transmitter with different output timing to compensate for the crosstalk-induced jitter of coupled microstrip lines. In 2010 International SoC design conference. 2010. P.364-367. https://doi.org/10.1109/SOCDC.2010.5682896
  17. Lee J., Lee S., Nam S.A crosstalk reduction technique for microstrip MTL using mode velocity equalization. IEEE transactions on electromagnetic compatibility. 2011. V.53. №2. P.366-371. https://doi.org/10.1109/TEMC.2010.2095018