A New Method for Identifying Coupling Paths and Mitigating Crosstalk in PCB Design
2025 (English)Independent thesis Advanced level (degree of Master (Two Years)), 20 credits / 30 HE credits
Student thesisAlternative title
En ny metod för att identifiera kopplingsvägar och motverka överhörning i PCB design (Swedish)
Abstract [en]
Crosstalk in printed circuit boards (PCBs) poses challenges for signal integrity in high-frequency and compact systems, yet mitigation is often guided by empirical rules rather than systematic analysis. It is of particular concern in applications such as high-speed digital systems, multi-antenna wireless systems, and automotive radar, where unwanted coupling can lead to bit errors, degraded channel isolation, or false detections with direct impact on end-user performance and safety. To systematically study crosstalk in PCB transmission lines, this thesis adapts a reaction-theorem-based method originally developed for antenna placement optimization. Within this framework, two formulations are employed to evaluate coupling: the coupling density, denoted 𝜅, related to 𝑆21, and the generalized impedance density, denoted 𝛿21, related to 𝑍21, which is proportional to 𝑆21 under weak coupling. Simulations of microstrip and stripline geometries in CST show that both 𝛿21 and 𝜅 visualizations identify the regions responsible for coupling. For countermeasure design, 𝜅 is particularly useful, since results demonstrate that placing shorting vias or continuous copper walls in regions of positive 𝜅 reduces crosstalk, whereas placement in negative 𝜅 zones increases it. In striplines, an iterative application of this method can suppress coupling almost completely in a narrowband case, achieving more than 50 dB reduction in |𝑆21|. The method can be easily integrated into existing electromagnetic design workflows and was found to add only a small computational cost compared to the full-wave field simulations already required for such systems. The results establish reaction-theorem-based visualization as a systematic tool for identifying coupling paths and guiding countermeasure design in PCBs. Beyond the methodological contribution, the approach offers potential for more sustainable electronics design through reduced design iterations and material use, while at the same time supporting improved signal integrity, better reliability in high-frequency operation, and more efficient use of compact layouts.
Abstract [sv]
Överhörning på kretskort utgör en utmaning för signalintegritet i högfrekventa och kompakta system. Trots detta är det ofta tumregler som styr motåtgärder snarare än systematiska analyser. Överhörning är särskilt kritiskt i applikationer såsom digitala höghastighetssystem, trådlösa system med flera antenner och fordonsradar där oönskad koppling kan leda till bitfel, försämrad kanalisolering eller felaktiga detektioner med direkt påverkan på slutanvändarens systemprestanda och säkerhet. För att systematiskt studera och visualisera överhörning i transmissionsledningar på mönsterkort i detta arbete så appliceras en metod baserad på reaktionsteoremet, ursprungligen framtaget för att optimera antennplacering. Inom denna ram används två formuleringar för att utvärdera koppling: kopplingstätheten, betecknad 𝜅, relaterad till 𝑆21, samt den generaliserade impedanstätheten, betecknad 𝛿21, relaterad till 𝑍21 som i sin tur är proportionell mot 𝑆21 vid svag koppling. Simuleringar av microstrip- och stripline-geometrier i CST visar att visualiseringar av både 𝛿21 och 𝜅 identifierar de områden som är ansvariga för kopplingen. För utformning av motåtgärder är 𝜅 särskilt användbar, då resultaten visar att placering av vior i områden med positiv 𝜅 minskar överhörning, medan placering i negativa 𝜅-zoner ökar den. I striplines kan en iterativ tillämpning av metoden nästan helt undertrycka kopplingen i ett smalbandigt fall och uppnå mer än 50 dB minskning i |𝑆21|. Metoden kan enkelt integreras i befintliga arbetsflöden och tillför endast en liten beräkningskostnad jämfört med de fullvågssimuleringar som redan krävs för sådana system. Resultaten visar att visualisering med hjälp av reaktionsteoremet utgör ett systematiskt verktyg för att visualisera och identifiera kopplingsvägar, och kan även vägleda motåtgärder för att minska kopplingen. Utöver detta erbjuder metoden även potential för en mer hållbar elektronikkonstruktion genom minskat antal designiterationer och minskad materialanvändning, samtidigt som det stödjer förbättrad signalintegritet, högre tillförlitlighet vid drift och mer kompakta layouter.
Place, publisher, year, edition, pages
2025. , p. 88
Series
TRITA-EECS-EX ; 2025:945
Keywords [en]
Crosstalk, Printed Circuit Boards, Reaction-Theorem, Coupling Visualization, Coupling Paths, Signal Integrity
Keywords [sv]
Överhörning, Kretskort, Mönsterkort, Reaktionsteoremet, Kopplingsvisualisering, Kopplingsvägar, Signalintegritet
National Category
Electrical Engineering, Electronic Engineering, Information Engineering
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-377019OAI: oai:DiVA.org:kth-377019DiVA, id: diva2:2040367
External cooperation
Saab AB
Educational program
Master of Science - Electromagnetics, Fusion and Space engineering
Supervisors
Examiners
2026-02-272026-02-202026-02-27Bibliographically approved