差分线HFSS仿真

差分线HFSS仿真

一.创建工程

1． 打开HFSS并保存新工程

运行HFSS软件，自动创建一个新工程：project1

由主菜单选file\\save as，保存在自己想要保存的位置，命名为difference 2． 插入HFSS设计

由主菜单选project\\insert HFSS Design,则一个新项目自动加入到工程列表树中，默认命名为HFSSModel1。同时，在工程管理区的右侧出现3D模型窗口。

在工程树中选择HFSSModel1,点右键，选择Rename项，将设计命名为chafen。 3． 选择求解类型

由主菜单选HFSS\\Solution Type，在弹出对话窗选择Driven Terminal项 4． 设置单位

由主菜单选3D Modeler\\Units对话窗中选择mil项

二.创建模型

1.绘制下地层

绘制一个长方体：由主菜单选Draw\\Box : 在参数设置区(工作区的右下角),设置长方体的基坐标(x,y,z)为(-100,-250,0) ,数据输入时用Tab健切换,全部设好之后按下Enter健确认;再输入长方体的三边长度(dx,dy,dz)为(200,500,1.2),全部设完之后按下Enter健确认.

定义长方体属性:设置完成几何图形之后,自动弹出属性对话窗.选择Attribute标签页,将Name项改为bot_gnd,Transparent项设置为0.8.设置完毕后,按下Ctrl+D,将pcb板适中显示.

2.绘制上接地板

基坐标为(-100,-250,13.4), 三边长度(dx,dy,dz)为(200,500,1.2), 设置完成几何图形之后,自动弹出属性对话窗.选择Attribute标签页,将Name项改为top_gnd,Transparent项设置为0.8 3.绘制内层导线一

由主菜单选Draw\\Box : 在参数设置区(工作区的右下角),设置长方体的基坐标(x,y,z)为(-8,-250,6.2),三边长度为(4,500,1.2),Name为:trace1, Transparent项设置为0.8 4.绘制内层导线二

由主菜单选Draw\\Box : 在参数设置区(工作区的右下角),设置长方体的基坐标(x,y,z)为(4,-250,6.2),三边长度为(4,500,1.2),Name为:trace2, Transparent项设置为0.8 5.绘制地层间的介质

由主菜单选Draw\\Box : 在参数设置区(工作区的右下角),设置长方体的基坐标(x,y,z)

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为(-100,-250,1.2),三边长度为(200,500,12.2),Name为:jiezhi, Transparent项设置为0.8

6.从介质层中挖去导线

在历史树用ctrl键同时选中trace1,trace2,jiezhi,然后点右键选择edit>Boolean>subtract jiezhi在blank栏, trace1和trace2在tool parts栏,注意要钩选clone tool objects before subtract 8.绘制空气腔

由主菜单选Draw\\Box : 在参数设置区(工作区的右下角),设置长方体的基坐标(x,y,z)为(-100,-250,0),三边长度为(200,500,100),Name为air, Transparent项设置为0.8 7.绘制端口

在菜单栏中把平面设置为XZ, 由主菜单选Draw\\Rectangle,在参数设置区设置基坐标(-10,-250,1.2),三边长度为(20,0,12.2),Name为port1, Transparent项设置为0.4,则在历史树中添加了port1项. 8.绘制空气腔

由主菜单选Draw\\Box : 在参数设置区(工作区的右下角),设置长方体的基坐标(x,y,z)为(-100,-250,0),三边长度为(200,500,100),Name为air, Transparent项设置为0.8 最后的模型如图1所示.

图1 差分线模型

三.设置模型材料参数

在历史树中,利用ctrl健同时选中bot_gnd,top_gnd,trace1,trace2点右键选择Assign Material,在弹出的窗口的Materials标签页选择perfect copper项,确定. 同样把jiezhi设定为FR4_epoxy,空气腔air设置为air

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四.边界条件和激励设置

1.边界设定

在历史树中选中air,点右键选择assign boundary>radiation 2.激励设置

在历史树中选择port1,点右键选择assign excitation>waveport,名字默认为waveport1,点击下一步,在number of terminal填入2,然后点击update,则在下面的定义栏中出现了两个terminal T1和T2,在terminal line中点击T1的undefined,选择new line,弹出的绘制状态后在参数设置区填入基坐标为(-6,-250,1.2),(dx,dy,dz)为(0,0,5),设置完毕后用同样的方法设置T2,基坐标为(6,-250,1.2), (dx,dy,dz)为(0,0,5).

点击下一步,出现差分阻抗和共模阻抗的设置,点解newpair，按默认值不变,点击下一步直至确定. 3.复制端口

由主菜单tool>options>hfss options,选中duplicate boundary with geometry

在历史树中选中port1,点右键选择edit>duplicate>Along line,起始坐标为(0,-250,0),(dx,dy,dz)为(0,500,0),则在历史树中添加port1_1项,在弹出的Attribute标签页中将Name项改为port2,Transparent项为0.4

五. 求解设置

1.添加求解

在工程树中选择Analysis,点右键选择add solution setup,默认为setup1,在solution项中输入8,默认单位为GHz,在Adaptive solution 的Maximum Number of passes中设为40,Maximum delta per passes中设为0.01,点击下一步直至确定. 2.添加频率扫描

选中setup1,点右键选择add sweep

在sweep type中选择interpolating ,下面的选项默认.

在frequence setup中,type选择liner step,start 为0.1GHz;stop为8GHz;step为0.008GHz

在对话框的右部,钩选Extrapolate to DC,在snapping telorence中填入0.1点击OK

六.求解

1.确认设计

由主菜单HFSS>validation check,对设计进行确认.全部完成且没有错误时,点Close结束. 2.求解

由主菜单HFSS>analyze,开始求解.

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七.结果分析

1. 查看S参数

在历史树中选择setup1,点右键选择 Matrix Data,在弹出的对话框中选择Matrix Data标签,频率选择8GHz,可以看到各个端口的S参数.

图2 S参数

从上面的参数显示,传输线从waveport1到waveport2的差分S参数(传输系数)是0.8502,waveport1的自反射系数是0.38711

在历史树中选中result,点右键选择create report,在report type中选terminal s parameters,在display type中选Rectangular plot,点OK.

在solution中选 setup1:sweep1,在Y标页category中选terminal s parameters, quantity中用ctrl选择st(waveport1:diff1,waveport2:diff1)和st(waveport1:comm1,waveport2:comm1), function中选dB.在sweep标页中钩选all value,然后点击add trace,点击done. 再来看看传输系数随频率变化关系

图3 trace1 传输系数随频率的变化

可以看出传输系数基本上是随频率的升高而下降,但是在整个频带下降的幅度不大,其中红线是共模信号传输系数,蓝线为差模信号传输系数.从上面可以看出就自身信号的传输来看共模信号的传输整体上好于差分信号,其原因是在仿真中差分线的传输所受到的影响仅来自于相邻的信号线,共模传输时电磁场的分布基本在信号线两侧,两根信号线之间的影响比之差分信号要小,故传输系数要好一点. 2.查看差分阻抗

在历史树中选中result,点右键选择create report,在report type中选terminal s parameters,在display type中选Rectangular plot,点OK.

在solution中选 setup1:sweep1,在Y标页category中选terminal port z0, quantity

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中用ctrl选择zot(waveport1:diff1,waveport1:diff1)和zot(waveport2:diff1,waveport2:diff1), function中选mag.在sweep标页中钩选all value,然后点击add trace,点击done.

端口差分阻抗随频率的变化

图4 端口差分阻抗

差分阻抗在540M以下时阻抗变化很快,由94欧下降到了84欧,但是在后面的频带中变化很小了,从540M到8GHz,阻抗是由84欧下降到82.6欧,幅度很小.

八.变量设置

改变差分线之间的间距,查看各参数随间距的变化

在历史树中点击trace1的扩展符,双击扩展出来的立方体图形,在弹出的属性框中把position中的X坐标改为-4mil-wide,由于变量wide第一次出现,会自动弹出一个初始化的对话框,初始化为4mil,注意一定要带单位.最好也把position中的坐标都带上单位. 同样把trace2中X坐标改为wide

Port1中position的X坐标改为-4mil-2*wide,再把Xsize改为8mil+4*wide,注意此时一定要把port1的长方形定义为长方形在trace1两边的长度是相等的,这样在间距变化时,积分线才会一直保持在trace1的中部位置.此时间距为2*wide 由于port2是复制出来的,它会随着port1的变化而变化.

在工程树中选中optimetrics,点右键选择add>parametrics,弹出setup sweep analysis对话框,然后点击add,弹出add/edit sweep dialog对话框,variable已经默认为wide,选择linear step,start设置为2mil,stop为6mil,step为2mil,然后点击add.点击OK退到setup sweep analysis对话框.

选择general标页,确认为setup1,并钩选save field.在右边的对话框中确认初始值为2mil,如果不是就更改过来,并钩选override. 点击确定完成

选中optimetrics下的parametricSetup1,点右键选择analyze,开始计算.

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九.查看参数变化

在历史树中选中result,点右键选择create report,在report type中选terminal s parameters,在display type中选Rectangular plot,点OK.

在solution中选 setup1:sweep1,在Y标页category中选terminal s parameters, quantity中用ctrl选择st(waveport1:diff1,waveport2:diff1),function中选dB.在sweep标页中钩选sweep design and project variable ,在type栏中点击points,可以钩选all value,也可以单独选择.在type 栏中点击primary sweep,然后钩选all value.注意:此时第一行中的参数将是X轴坐标.然后点击add trace,点击done.

图5 差分信号S参数随间距变化

从上面可以看出差分信号基本上是(在4G到5.41G上例外)随着间距变大,信号传输系数越好.

根据上一步,把st(waveport1:diff1,waveport2:diff1)改为st(waveport1:comm1,waveport2:comm1) 可以查看共模信号随间距的变化.

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图6 共模信号S参数随间距变化

共模信号的传输是随间距变小而不断变好的(除了5.71G到7.18G)

十.SPICE模型输出

在工程树中选中setup1,点击右键选择Matrix Data

在design中确认wide=2mil,如果不是点击扩展符,去掉Use nominal design后选择2mil. 点击equivalent circuit export

Default是模型输出的位置,选择自己需要的目标地点 Format是输出类型,这里选Maxwell spice,然后点击OK 同样输出wide为4mil和6mil的模型

十一. Schematic capture 仿真

通过波形输出查看间距对串扰的影响

打开Schematic capture ,由主菜单file>new建立一个新界面

由主菜单add>full-wave N-port subckt,点击edit>import,然后选择刚才导出的spice模型.点击

Ok,此时要查看模型信息,可以点击difinitions loaded下的模型名称查看. 点击done,点击ok进入放置状态.

在窗口适当位置点击左键,这时出现模型,移动鼠标直至合适位置再点击左键,然后点右键选择done推出放置状态.

利用菜单栏中的图标给模型添加端接电阻,激励源,探测点,并连接地脚.具体的操作方法在<>文档中. 最后的模型为:

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图7 差分线SPICE模型

在上图中右侧的端接电阻是根据8G频率时HFSS算出的差分阻抗和共模阻抗得来. 作为差分线的T型端接方法,其计算公式为:

R1R2Zodd;Zodd1Zdiff21R3(ZevenZodd);Zeven2Zcomm2激励源V1设置如下:

图8 V1设置

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图9 V2设置

模型参数设置完毕之后由主菜单slove>run spice进入求解设置,选择第一项transient analysis,设置如下:

图10 波形持续时间设置

点击OK完成,退入run Maxwell spice对话框.点击OK开始计算 点击主菜单result>new plot,选择v3,v4,点OK.波形图如下:

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图11 间距为4mil时,对临近线的串扰

同样导入间距4mil和6mil的差分线模型,注意右侧的端接电阻要根据HFSS计算出来的差分阻抗和共模阻抗算出.最后得到的波形图为:

图12 间距为8mil的串扰

图12 间距为12mil时的串扰

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