HFSS信号完整性分析指南

2016-09-22 by:CAE仿真在线来源:互联网

一、应用概述:

HFSS是功能强大的任意三维结构电磁场全波仿真设计工具和EMI集成仿真验证环境。HFSS可以对设计中的任意三维结构进行从直流到几十GHz范围的全波分析并以S参数显示,可应用于分析信号的传输、反射及匹配特性,计算辐射、色散、模式转换和材料频变效应等因素对信号传输的影响,如高速关键链路分析,包括:信号走线、过孔、电缆、封装、连接器等等。

1.HFSS的仿真求解过程:

HFSS标准的建模求解过程如下图:

2.HFSS工作窗口:

HFSS是基于Windows操作风格的界面,将项目管理窗口(Project Manager)、建模窗口(Modeler),以及属性(Property)、信息窗口(Message)、进程窗口(Process)等辅助窗口集成在一个界面里面。

二、HFSS的信号完整性设计流程:

1.打开HFSS软件;选择求解器:

对于绝大多数SI问题都是使用频域有限元求解器。

2.选择求解类型:

HFSS有四种求解类型,其中Driven Modal和Driven Terminal都是用于有源驱动(需要端口激励)情况。这里重点介绍一下这两个求解器的区别:

— Driven Modal的求解主要是微带线、波导等传输结构,这种求解类型得到的S 参数是基于主模到高次模的各种模式的广义S参数,因此常用于天线和微波器件仿真;

— Driven Terminal的求解主要是终端为多根导体的传输线,比如差分线,这种端口需要定义终端线,求解得到的S参数是基于终端的,因此常用于电路、高速互连等SI设计。

3.设置单位,搭建三维模型:

HFSS 为用户提供一个方便的三维绘图建模环境,既可以在其中画出分析对象的三维结构,输入材料参数,进行仿真分析, 也可以导入AutoCAD、ProE、STEP 、IGES 、ACIS等机械结构设计文件,或者通过AnsoftLinks 导入PCB或封装的局部模型,设置材料和边界条件后直接做仿真。仿真结果可以是坐标系下的辐射场量,也可以是三维或动画云圈。

4.给模型指定材料属性:

5.设置求解端口Port:

电磁场有限元求解需要设置端口(Port)和边界条件(Boundary Condition),一般在需要分析的目标和参考平面(或者外边界)之间,绘制二维平面作为端口设置激励。HFSS端口分为波端口(Wave Port) 和集总端口(Lump Port)。一般暴露在外围边界处的端口设置为波端口,模型内部的端口设置为集总端口。

6. 设置求解边界:

通常在求解模型外部需要绘制一个空气盒子(airbox) 作为求解区域, 这个盒子需要包围所有的互联结构, 而且外延一定距离,这个距离通常在十分之一波长到四分之一波长之间,取决于目标对外辐射能量的大小。盒子属性选择Radiating 0nly即可。

7.设置仿真求解要求:

具体设置需要根据具体项目来定,常用设置如下:

8.扫频设置:

SI仿真通常还需要宽带扫频,因此进行扫频设置,包括起止频率、取点数和扫频方式,具体需要根据具体项目而定,常用设置如下图:

9. 仿真结果输出及处理:

以上各项设置完成并检查(Va1idate) 无误后,开始仿真(Analyze All)。HFSS仿真结束后,可以在报告中输出SYZ 参数,以及二维/三维场图。

(1)输出S参数:选择菜单HFSS→Resu1ts→Create Terminal Solution Data Report→Rectangu1ar Plot,输出S参数;

(2)输出二维/三维场图:选择菜单HFSS→Fields→Plot Fields→E→Mag_E,输出二维/三维场图。

总结:

HFSS (High Frequency Structure Simulator) 作为行业标准的电磁仿真工具,特别针对射频、微波以及信号完整性设计领域。作为基于频域有限元技术的三维全波电磁场求解器,HFSS 可提取散射参数,显示三维电磁场图,生成远场辐射方向以及提供全波SPICE 模型,该模型可用在Designer和其他信号完整性分析工具中。针对封装和PCB板上高速串行信号的信号完整性问题,工程师可以使用HFSS 轻松地设计并评估连接器、传输线及PCB上的过孔,高速元件引起的信号完整性和电磁干扰性能。