HFSS信號完整性分析指南

2016-09-22 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

一、應(yīng)用概述:

HFSS是功能強大的任意三維結(jié)構(gòu)電磁場全波仿真設(shè)計工具和EMI集成仿真驗證環(huán)境。HFSS可以對設(shè)計中的任意三維結(jié)構(gòu)進行從直流到幾十GHz范圍的全波分析并以S參數(shù)顯示,可應(yīng)用于分析信號的傳輸、反射及匹配特性,計算輻射、色散、模式轉(zhuǎn)換和材料頻變效應(yīng)等因素對信號傳輸?shù)挠绊?如高速關(guān)鍵鏈路分析,包括:信號走線、過孔、電纜、封裝、連接器等等。

1.HFSS的仿真求解過程:

HFSS標準的建模求解過程如下圖:

2.HFSS工作窗口:

HFSS是基于Windows操作風格的界面,將項目管理窗口(Project Manager)、建模窗口(Modeler),以及屬性(Property)、信息窗口(Message)、進程窗口(Process)等輔助窗口集成在一個界面里面。

二、HFSS的信號完整性設(shè)計流程:

1.打開HFSS軟件;選擇求解器:

對于絕大多數(shù)SI問題都是使用頻域有限元求解器。

2.選擇求解類型:

HFSS有四種求解類型,其中Driven Modal和Driven Terminal都是用于有源驅(qū)動(需要端口激勵)情況。這里重點介紹一下這兩個求解器的區(qū)別:

— Driven Modal的求解主要是微帶線、波導(dǎo)等傳輸結(jié)構(gòu),這種求解類型得到的S 參數(shù)是基于主模到高次模的各種模式的廣義S參數(shù),因此常用于天線和微波器件仿真;

— Driven Terminal的求解主要是終端為多根導(dǎo)體的傳輸線,比如差分線,這種端口需要定義終端線,求解得到的S參數(shù)是基于終端的,因此常用于電路、高速互連等SI設(shè)計。

3.設(shè)置單位,搭建三維模型:

HFSS 為用戶提供一個方便的三維繪圖建模環(huán)境,既可以在其中畫出分析對象的三維結(jié)構(gòu),輸入材料參數(shù),進行仿真分析, 也可以導(dǎo)入AutoCAD、ProE、STEP 、IGES 、ACIS等機械結(jié)構(gòu)設(shè)計文件,或者通過AnsoftLinks 導(dǎo)入PCB或封裝的局部模型,設(shè)置材料和邊界條件后直接做仿真。仿真結(jié)果可以是坐標系下的輻射場量,也可以是三維或動畫云圈。

4.給模型指定材料屬性:

5.設(shè)置求解端口Port:

電磁場有限元求解需要設(shè)置端口(Port)和邊界條件(Boundary Condition),一般在需要分析的目標和參考平面(或者外邊界)之間,繪制二維平面作為端口設(shè)置激勵。HFSS端口分為波端口(Wave Port) 和集總端口(Lump Port)。一般暴露在外圍邊界處的端口設(shè)置為波端口,模型內(nèi)部的端口設(shè)置為集總端口。

6. 設(shè)置求解邊界:

通常在求解模型外部需要繪制一個空氣盒子(airbox) 作為求解區(qū)域, 這個盒子需要包圍所有的互聯(lián)結(jié)構(gòu), 而且外延一定距離,這個距離通常在十分之一波長到四分之一波長之間,取決于目標對外輻射能量的大小。盒子屬性選擇Radiating 0nly即可。

7.設(shè)置仿真求解要求:

具體設(shè)置需要根據(jù)具體項目來定,常用設(shè)置如下:

8.掃頻設(shè)置:

SI仿真通常還需要寬帶掃頻,因此進行掃頻設(shè)置,包括起止頻率、取點數(shù)和掃頻方式,具體需要根據(jù)具體項目而定,常用設(shè)置如下圖:

9. 仿真結(jié)果輸出及處理:

以上各項設(shè)置完成并檢查(Va1idate) 無誤后,開始仿真(Analyze All)。HFSS仿真結(jié)束后,可以在報告中輸出SYZ 參數(shù),以及二維/三維場圖。

(1)輸出S參數(shù):選擇菜單HFSS→Resu1ts→Create Terminal Solution Data Report→Rectangu1ar Plot,輸出S參數(shù);

(2)輸出二維/三維場圖:選擇菜單HFSS→Fields→Plot Fields→E→Mag_E,輸出二維/三維場圖。

總結(jié):

HFSS (High Frequency Structure Simulator) 作為行業(yè)標準的電磁仿真工具,特別針對射頻、微波以及信號完整性設(shè)計領(lǐng)域。作為基于頻域有限元技術(shù)的三維全波電磁場求解器,HFSS 可提取散射參數(shù),顯示三維電磁場圖,生成遠場輻射方向以及提供全波SPICE 模型,該模型可用在Designer和其他信號完整性分析工具中。針對封裝和PCB板上高速串行信號的信號完整性問題,工程師可以使用HFSS 輕松地設(shè)計并評估連接器、傳輸線及PCB上的過孔,高速元件引起的信號完整性和電磁干擾性能。