HFSS信號(hào)完整性分析指南

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

一、應(yīng)用概述:

HFSS是功能強(qiáng)大的任意三維結(jié)構(gòu)電磁場(chǎng)全波仿真設(shè)計(jì)工具和EMI集成仿真驗(yàn)證環(huán)境。HFSS可以對(duì)設(shè)計(jì)中的任意三維結(jié)構(gòu)進(jìn)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(hào)的傳輸、反射及匹配特性,計(jì)算輻射、色散、模式轉(zhuǎn)換和材料頻變效應(yīng)等因素對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?如高速關(guān)鍵鏈路分析,包括:信號(hào)走線、過(guò)孔、電纜、封裝、連接器等等。

1.HFSS的仿真求解過(guò)程:

HFSS標(biāo)準(zhǔn)的建模求解過(guò)程如下圖:

2.HFSS工作窗口:

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

二、HFSS的信號(hào)完整性設(shè)計(jì)流程:

1.打開(kāi)HFSS軟件;選擇求解器:

對(duì)于絕大多數(shù)SI問(wèn)題都是使用頻域有限元求解器。

2.選擇求解類(lèi)型:

HFSS有四種求解類(lèi)型,其中Driven Modal和Driven Terminal都是用于有源驅(qū)動(dòng)(需要端口激勵(lì))情況。這里重點(diǎn)介紹一下這兩個(gè)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(lèi)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(jì)。

3.設(shè)置單位,搭建三維模型:

HFSS 為用戶提供一個(gè)方便的三維繪圖建模環(huán)境,既可以在其中畫(huà)出分析對(duì)象的三維結(jié)構(gòu),輸入材料參數(shù),進(jìn)行仿真分析, 也可以導(dǎo)入AutoCAD、ProE、STEP 、IGES 、ACIS等機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)文件,或者通過(guò)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(biāo)系下的輻射場(chǎng)量,也可以是三維或動(dòng)畫(huà)云圈。

4.給模型指定材料屬性:

5.設(shè)置求解端口Port:

電磁場(chǎng)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(biāo)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(lì)。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(gè)空氣盒子(airbox) 作為求解區(qū)域, 這個(gè)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(gè)距離通常在十分之一波長(zhǎng)到四分之一波長(zhǎng)之間,取決于目標(biāo)對(duì)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(xiàng)目來(lái)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(jìn)行掃頻設(shè)置,包括起止頻率、取點(diǎn)數(shù)和掃頻方式,具體需要根據(jù)具體項(xiàng)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(xiàng)設(shè)置完成并檢查(Va1idate) 無(wú)誤后,開(kāi)始仿真(Analyze All)。HFSS仿真結(jié)束后,可以在報(bào)告中輸出SYZ 參數(shù),以及二維/三維場(chǎng)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(chǎng)圖:選擇菜單HFSS→Fields→Plot Fields→E→Mag_E,輸出二維/三維場(chǎng)圖。

總結(jié):

HFSS (High Frequency Structure Simulator) 作為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的電磁仿真工具,特別針對(duì)射頻、微波以及信號(hào)完整性設(shè)計(jì)領(lǐng)域。作為基于頻域有限元技術(shù)的三維全波電磁場(chǎng)求解器,HFSS 可提取散射參數(shù),顯示三維電磁場(chǎng)圖,生成遠(yuǎn)場(chǎng)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(hào)完整性分析工具中。針對(duì)封裝和PCB板上高速串行信號(hào)的信號(hào)完整性問(wèn)題,工程師可以使用HFSS 輕松地設(shè)計(jì)并評(píng)估連接器、傳輸線及PCB上的過(guò)孔,高速元件引起的信號(hào)完整性和電磁干擾性能。