毕业设计（论文）-高速PCB的通孔建模分析.doc

华北电力大学毕业设计论文高速PCB的通孔建模分析摘 要小体积、高性能成为当今电子产品的发展趋势，这种趋势决定了时钟频率将越来越高，同时信号上升时间也将越来越短。在低频情况下，由互连线引起的寄生效应对电路性能的影响很小，但是在高速情况下，信号具有较高的有效带宽，互连线对通过其中的高速信号会产生反射、振铃，对周围的信号走线产生串扰与祸合等，引起一系列信号完整性问题(sI )，从而影响到整个系统的性能。而含有通孔不连续结构的互连线在高速电路中将会带来更严重的信号完整性问题与电磁干扰(EMI)。因此，对其进行准确、快速、有效的电磁建模与仿真将变得极为重要。本文主要工作内容大致可以分为三部分：第一部分工作主要分析双层面完整通孔的机械结构并给出粗略计算通孔寄生电容、电感的公式，然后根据通孔的机械结构做出了完整通孔的电路建模，并用公式计算了通孔的寄生电容和电感。第二部分工作是使用Ansoft HFSS对双层面完整通孔进行三维电磁场建模仿真，观察分析仿真结果，并对结果做简要分析，了解通孔对信号完整性的影响。第三部分工作主要是电感提取工具Fasthenry的使用，对Fasthenry的输入文件语法进行详细的介绍说明，并使用Fasthenry提取微带线、L形微带线和通孔的电感，并给出提取结果。关键词： 高速PCB；通孔；信号完整性 THE THROUGH-HOLE OF HIGH-SPEED PCB MODELING AND ANALYSISAbstract It will be development trend that electronic products are becoming miniaturization and high performance, which decides that the clock frequency will becoming more and more higher and the rise time will becoming more and more shorter.At low frequency, the parasitical effects induced by interconnection lines have little influence on circuit performance. But in high-speed circuit the signal has wider effective bandwidth, so that the connection lines will induce reflection and ringing when transmitting the high-speed signal, and at the same time there are some crosstalk and coupling among connection lines and signal traces, which will induce a series of signal integrity (SI) problems and affect the whole system performance. The vias are discontinuous connections, which will induce more serious signal integrity problems and electromagnetic interference (EMI). So it is very important that vias are modeled and simulated accurately, speedily, efficiently.This article mainly work content can generally be divided into three parts: the first part of the work focused on the two-level complete through-hole of mechanical structures and gives a rough calculation through-hole parasitic capacitance, inductance of the formula, and then by the through hole mechanics make a complete circuit modeling through hole, and a formula to calculate a through hole of parasitic capacitance and inductance. The second part of the work is to use the Ansoft HFSS on dual complete through-hole 3D electromagnetic modeling and simulation, observation and analysis of the simulation results, and a brief analysis of the results, learn through hole on the impact of signal integrity. The third part is inductively extraction tool Fasthenry, on Fasthenry input file syntax for detailed description, and use the Fasthenry extract microstrip line, L-shaped microstrip line and through hole of the inductance , and extract results. Keywords：High Speed PCB; Via; Signal Integrity43目录摘要IABSTRACTII1 绪论11.1本课题研究的背景与意义11.2信号完整性11.3通孔的建模与仿真21.4本文内容及所做工作22 通孔32.1通孔32.2通孔的结构极其机械特性32.2.1 通孔的结构32.2.2通孔的机械特性42.3通孔的等效电路模型42.3.1通孔的电容极其影响42.3.2通孔的电感极其影响42.3.3通孔的等效电路模型53 ANSOFT HFSS对通孔的建模分析73.1ANSOFT HFSS 简介73.2通孔的建模及仿真73.2.1创建工程73.2.2创建模型83.2.3设置边界条件和定义源端口153.2.4 设置求解条件、仿真163.2.5创建S参数曲线结果193.2.6 创建三维电磁场分布图193.2.7 S结果分析203.3 多个接地通孔PCB板模型213.3.1建模模型213.3.2结果分析224 FASTHENRY的使用234.1 FASTHENRY概述234.2 FASTHENRY输入文件234.3 FASTHENRY输入文件语法254.3.1 一些文件语法需要注意的细节254.3.2 节点定义254.3.3 区段定义254.3.4单位指令274.3.5默认指令274.3.6外部指令274.3.7 频率指令274.3.8 等效指令284.3.9结束指令284.3.10 参考平面定义284.4 FASTHENRY实际测量294.4.1 微带线294.4.2 L形微带线314.4.3 通孔335 总结与展望36参考文献37附录38附录A38附录B39附录C40致谢431 绪论1.1本课题研究的背景与意义在当今随着电子技术的飞速发展，各式各样的电子设备体积越来越小。因此这就要求pcb板的密度更高，电子时钟信号更加高速。因而如何来通过芯片之间的互连来保持信号的完整性越来越受到人们的重视。目前国内对高速pcb设计方面的内容研究尚少，涉及高速互连设计的需求几乎都是寻求国外高水平研究所间合作。与此同时，随着电子设备的小型化、工作性能的不断提高，器件和单元电路的尺寸越来越小，由寄生效应引起的影响不大，但是芯片中的单元电路间、印刷电路板及多芯片组件各块芯片间互连线的电长度较大，将会引起严重的寄生效应与电磁效应;另外，为了保护电路及支撑整体电路结构，对芯片和组件进行封装是不可避免的，这些封装结构也将会影响高速信号的传输质量1。所以，无论在芯片水平、封装水平，还是在PCB板级水平，用于连接集成电路、器件和电路板等的互连结构，特别是不连续的互连结构，例如通孔(Via)，越来越成为影响整个系统性能的关键因素。所以，随着电子产品性能与时钟频率的不断提高，信号的上升时间也在不断减小，相应的电路开始进入“高速”电路领域，从电气性能的角度看，互连和封装对于信号也变得不再畅通和透明。 在高速电路设计过程中的各个阶段，不合理的互连线，将会降低数字信号的质量，引起信号间的祸合与串扰，并产生辐射及电磁干扰(EMI )，带来一系列的信号完整性(Si)问题，甚至还会出现导致整个系统无法正常工作的情况2。因此，电路工程师需要使用能准确预测电路中像反射、振铃、地弹、串扰、辐射等各种特性的仿真技术，以便找到一些阻止或减小这些产生信号完整性问题的解决方案。在高速情况下，这些仿真技术不但要能完成常规、低速电路情况的仿真与特性分析，更重要的是还要能实现在高速情况下包含电磁效应、快速而准确的仿真与特性分析。在高速pcb中的互连设计主要通过微带线、带状线和各种过孔等方式来实现的。在高速Pcb中微带线、带状线对信号完整性的影响主要可以归结为传输线上的反射以及线间耦合串扰等问题。而高速pcb的各种过孔其对信号完整性的影响主要是由于其的寄生电容和电感的影响。对于通孔这种不连续性结构我们很难去准确的去描述其高频特性。因此如何能准确的在高速pcb中对通孔进行建模分析就显得十分重要。1.2信号完整性信号完整性是指信号在电路中能以正确的时序和电压做出响应的能力,是信号未受到损伤的一种状态,它表示信号在信号线上的质量3。良好的信号完整性,是指信号在需要的时候能以正确的时序和电压电平数值做出响应。反之,当信号不能正常响应时,就出现了信号完整性问题3。信号完整性问题能导致或直接带来信号失真、定时错误、不正确数据、地址和控制线以及系统误工作,甚至系统崩溃,信号完整性问题不是某单一因素导致的,而是板级设计中多种因素共同引起的。IC的开关速度,端接元件的布局不正确或高速信号的错误布线都会引起信号完整性问题。主要的信号完整性问题包括：信号在微带线中产生延迟、反射、同步切换噪声、振荡、地弹、串扰等现象以及pcb板中通孔的寄生电容和电感对信号的不良影响等4。1.3通孔的建模与仿真对于pcb互连系统中的连续性较好的结构我们可以较为容易的对其进行建模仿真，例如微带线。但对于通孔，由于其结构的特殊性，在低频的情况下我们可以将其看成一根普通的导线来研究，但如在高速电路中其将会带来比常规互连系统更严重的信号完整性问题和电磁干扰，从而导致信号不能顺利的传输。因此对通孔这种不连续的互连结构的建模更显得重要但又十分重要。尽管通过pspice能对通孔进行电路仿真，但是其的仿真准确度主要依赖于电路建模和等效电感、电容的准确性。尽管有一些电感、电容的的计算公式，但由于其各方面的局限性导致其的结果准确度较差。从而导致pspice的仿真结果的准确性难以得到保证。所以我们需要一种能够比较准确的提取通孔电容、电感的方法和一种能够更为准确的建模方法。为此本文对通孔的机械结构进行了介绍，并引入了fasthenry软件和ansoft hfss软件分别来提取通孔的电感和对通孔进行三维电磁场建模分析。1.4本文内容及所做工作在高速数字电路中，信号中的高频成分将会影响到电路中的互连线特性。对于通孔结构来讲，由于其物理结构连接上的不连续性，其在传输高速信号时将不再被视作一根普通的导线，而应被看作一段传输线。为能精确而快速地仿真高速电路中通孔结构的电特性、且能真实地反映由其带来的信号完整性问题，本文主要对高速印刷电路板中通孔结构的进行了HFSS三维电磁场建模分析。具体内容安排如下:第一章概述了本文研究内容的背景和意义并对信号完整性作了概述。简述了本文的建模方法，并简要介绍了作者的工作内容。第二章重点介绍了高速电路中通孔，主要包括通孔的结构、机械特性，并给出了简单的计算电容、电感的计算公式。最后根据通结构做了等效电路建模。第三章介绍了Ansoft HFSS极其功能，然后用HFSS对双层面通孔进行了三维电磁建模，并对建模过程进行了详细说明，最后使用HFSS仿真计算出相关S参数曲线和complex_E场分布并对其进行了分析。第四章主要内容是介绍电感提取工具Fasthenry的使用，本章对Fasthenry的输入文件的语法进行了详细描述。在最后用其实际测量了PCB板中的几种典型互连结构，并给出了计算数据。第五章总结了全文的内容及工作中的不足之处。2 通孔2.1通孔术语“过孔”通常是指pcb板上的孔。其主要主要用是用于各层间的电气连接何器件的固定或定位。按其结构主要可以分为盲孔、埋孔和通孔。盲孔位于印刷线路板的顶层和底层表面，具有一定深度，用于表层线路和下面的内层线路的连接，孔的深度通常不超过一定的比率(孔径)。埋孔是指位于印刷线路板内层的连接孔，它不会延伸到线路板的表面。上述两类孔都位于线路板的内层，层压前利用通孔成型工艺完成，在过孔形成过程中可能还会重叠做好几个内层。通孔，这种孔穿过整个线路板，可用于实现内部互连或作为元件的安装定位孔。本文主要讨论的是起电气连接作用的通孔。过孔分类如图2.1图2-1 过孔的分类2.2通孔的结构极其机械特性2.2.1 通孔的结构完整的通孔包括pcb板上的走线以及孔洞。在多层电路板中通孔是有分层的，一般来讲通孔的层数是由信号线垂直穿过电路板所包夹的介质层所决定的。本文主要就双层板通孔进行了建模。简单的双层通孔结构图如图2-2图2-2 双层板通孔2.2.2通孔的机械特性现今电子器件越来越趋于微型化，这就需要pcb板尽可能的小。如若在有限的pcb板上通孔过大的话，则用于走线的信号线的空间就不会太多了。显然我们需要较小的通孔，以便能够使板子上能够走更多的线。现实中设计者也是由于考虑到整个产品的大小总是不可避免的迫使通孔越来越小。通孔越小，寄生电容越小（这点会在后面的内容中得到解释），这就意味着他们的高速工作性能也就更好。对于在高速工作情况下的电路这当然是一个比较有利的条件。但是同时小的通孔也意味着更高的生产费用。而工程设计的核心是做好高性能和高费用的平衡，通孔亦如此。到现在为止关于通孔的机械特性有3个准则：通孔越小，占据的空间越小；通孔越小，寄生电容越小；通孔越小，生产费用就越高。2.3通孔的等效电路模型由于通孔的不连续性结构，当其在低频情况下我们完全可以将其看做一条普通的导线，但在高频的情况下通孔则会产生寄生电容和电感，从而带来严重的信号完整性问题和电磁干扰，其中寄生电感带来的影响最为严重。下面我们就来简单了解下其在高频情况下产生的寄生电容和电感以及其的电路等效模型。2.3.1通孔的电容极其影响每个通孔都有对地的寄生电容。因为通孔的实体结构很小，其特性非常像集总线路元件，我们可以用下式在一个数量级以内估算估算一个通孔的寄生电容值： C=1.41rTD1D2-D1 (2-1)其中D2是接地平面上间隙孔的直径，D1是环绕通孔的焊盘直径，T是印刷电路板的厚度，r是电路板的相对导磁率。以上长度单位为in，计算出来的电容单位为pF。通孔的电容使数字信号的上升沿减慢或变差，这是其的主要影响。若假设每层上都有一个焊盘，有的设计者省略了一些布线层上没有连接走线的焊盘，这使得寄生电容略微减少。其实在许多实际情况下，寄生电容非常小，完全可以忽略。2.3.2通孔的电感极其影响每个通孔都有寄生串联电感，因为通孔的实体结构很小，其特性很像集总电路元件。我们，我们同样可以用一个式子在一个数量级以内估算估算一个通孔的寄生电感值： L=5.08hln4hd+1 (2-2)其中L是的通孔的电感，单位nH；h为通孔的长度，单位in；d为通孔直径，单位in；通孔的串联电感的主要影响是降低了电源旁路电容的有效性，使整个电源供电滤波效果变差。2.3.3通孔的等效电路模型由上我们可以知道通孔和每个接地层之间都存在寄生电容，其本身也将产生寄生电感，通过此我们可以得出其的简单剖面模型图。如图2-3。图2-3 简单通孔模型图 通过图2-3我们很容易就可以得出其的等效电路图，如图2-4所示图2-4 通孔等效模型电路图其中L1、L4是上下层的微带线的等效电感，C1 、C4是微带线与接地层产生的电容，L2、 L3通孔的等效电感，C2 、C3是通孔与接地层产生的电容。我们可以通过公式2-1计算出通孔的寄生电容C2 、C3，经计算C2 、C3近似为： C2= 1.41*4.4*0.0177*0.03940.0788-0.0394=0.109pF=C3同理可用公式2-2计算电感L2、L3近似电感为：L2=5.08*0.0177ln4*0.01770.0394+1=0.251nH=L3以上参数皆是下文建模用到的数据，计算时候将毫米转换为英寸。3 Ansoft HFSS对通孔的建模分析3.1Ansoft HFSS 简介Asoft HFSS是Ansoft公司推出的一款三维电磁仿真软件；是世界上第一个商业化的三维结构电磁场仿真软件，业界公认的三维电磁场设计和分析的电子设计工业标准。HFSS提供了一简洁直观的用户设计界面、精确自适应的场解器、拥有空前电性能分析能力的功能强大后处理器，能计算任意形状三维无源结构的S参数和全波电磁场。HFSS软件拥有强大的天线设计功能，它可以计算天线参量，如增益、方向性、远场方向图剖面、远场3D图和3dB带宽；绘制极化特性，包括球形场分量、圆极化场分量、Ludwig第三定义场分量和轴比。使用HFSS，可以计算： 基本电磁场数值解和开边界问题，近远场辐射问题； 端口特征阻抗和传输常数； S参数和相应端口阻抗的归一化S参数； 结构的本征模或谐振解。而且，由Ansoft HFSS和Ansoft Designer构成的Ansoft高频解决方案，是目前唯一以物理原型为基础的高频设计解决方案，提供了从系统到电路直至部件级的快速而精确的设计手段，覆盖了高频设计的所有环节。本文就是使用HFSS对通孔进行三维电磁场建模分析，并计算出其S参数曲线及电磁场分布对其进行分析讨论。3.2通孔的建模及仿真本文所建通孔模型的尺寸为:顶层微带线长20.0mm，宽1.0mm，高0.1mm，介质为铜 ；底层微带线尺寸同上；通孔半径为0.5mm，高为0.5mm；pcb基板长为40mm，宽为20mm；高为0.9mm,介质为FR4。边界模型尺寸：长50.0mm；宽30.0mm；高10.0mm3.2.1创建工程（1）打开HFSS并保存新工程 运行HFSS软件后，将自动创建一个新工程：project1 由主菜单选FileSave as保存在自建文件夹。（2）插入HFSS设计由主菜单选ProjectInsert Hfss design，则一个新项目自动添加到工程列表树中，默认名为HFSSModel1。同时在工程管理区的右侧出现3D模型窗口。（3）选择求解类型 由主菜单选HFSSSolution Typle，在弹出对话框选贼Driven Model项。（4）设置单位 由主菜单选Modelerunits，在Set Model Units对话框中和设置mm选项3.2.2创建模型（1）建立pcb介质层由主菜单选择Drawbox，则将会在绘图界面生成一个长方体，默认名称为box1。然后在绘图管理区双击box1，在弹出窗体中Name的位置将长方体命名为pcb，如图3-1，然后点击Material，在弹出出窗体中将pcb的材质设置为FR4。如图3-2。图3-1 修改所建物体名称图3-2 设置物体材料然后双击绘图管理区pcb目录下的CreateBox，在弹出窗体中的Position位置将位置设置为（-10，-20,0.45），分别在Xsize，Ysize，Zsize处将所建物体尺寸设置为20,40,0.9，点击确定。如图3-3，设置完成后，使用ctrl+f键将pcb适中显示。图3-3 设置pcb基质位置坐标和尺寸（2）创建下接地板步骤同（1），绘制一个长方体，由主菜单选DrawBox创建长方体，基坐标（x，y，z）为（-10，-20，-0.35），三边长度为（20，40，0.1）。定义长方体属性：将该长方体，Name为bot_gnd, Material为copper，完成后如图3-4和图3-5所示，图3-4为适中显示，图-5为局部放大图，靠近底部阴影部分即为bot_gnd。图3.4 下层接地平面图8 下层接地平面局部图（3）创建上接地板步骤同上，创建一个长方体：基坐标（x，y，z）为（-10，-20， 0.25），三边长度为（20，40，0.1）。Name为top_gnd，长方体属性同下接地板。如图3-6、图3-7所示，图3-6为适中显示，图3-7为局部放大图，靠近顶层的阴影即为top_gnd.图3-6上层接地平面图3-7 上层接地面局部图（4）创建上层导线步骤同上，创建一个长方体：基坐标x，y，z）为（-0.5，-20， 0.45），三边长度为（1，40，0.1）。命名为trace1，Material为copper。如图3-8所示，图中阴影长条形的即为trace1图3.8 导线trace1（5）创建焊盘创建圆柱体：由主菜单选DrawCylinder，同（1）设置圆柱体基坐标（x，y，z）为（0，0，0.45）和圆柱体的半径和高度分别为0.5和0.1，圆柱体轴向为z轴。定义圆柱体属性：Name为pad，材质为copper（铜）组合：在绘图管理树中同时选中trace1和pad，点击右键，选EditBooleanUnite,则将导线和焊盘粘连在一块了，组合后pad项列入trace1下，粘连后如图3-9所示。图3-9 导线trace1和pad组合图（6）创建过孔重复（5），创建一个圆柱体：基坐标(x，y，z)为（0，0，-0.45），半径和高分别为1和0.9，圆柱轴向为z轴。圆柱体属性：Name为keepout，Material为copper（铜）。完成后如图3-10所示，局部图图3-10 过孔局部图（7）创建端口和复制创建端口，绘制一个矩形：由主菜单选DrawRectangle；在绘图区任意绘制一个长方形。在Command标签页将Axis改为Y轴。然后在将其基坐标(x，y，z)设为（-0.5，-200，0.35），XSize为1，Zsize为0.1。长方形Name为Port1完成后由图3-11局部图可见port1，即长方形阴影部分。图3-11端口port1局部图复制：由于上层导线的属性和大小以及和其相连的端口一模一样，只是位置不同，所以我们可以复制trace1和Port1来创建下层导线和端口。在绘图管理树中同时选中trace和Port1两项，再由主菜单EditDuplicateAround Axis，在弹出窗体中Axis选项中选择X，在Angle项中输入180deg，在Total Number项输入2，点击确定，则沿X轴对阵复制导线和端口，位置在pcb板的下方，同时则将会在绘图管理树中生成trace1-1、port1-1项，将这两项Name改为trace2和port2。如图3.12所示。图3-12 完成复制后的模型图（8）创建导线通路重复（5）创建导线通路：由主菜单选DrawCylinder，绘制一个圆柱体，圆柱体圆心基坐标（x，y，z）为（0，0，-0.45）圆柱体的半径和高设为0.5和0.9，圆柱轴向为z轴。圆柱体属性：Name为via，Material为copper。如图3-13局部图所示。其的作用是将上下两层的导线导通。图3-13 导线通路via（9）裁去过孔从上下层节点板中裁去过孔：在绘图管理树中同时选中top_gnd、bot_gnd和keepout项，由主菜单选ModelerBooleanSubtract，弹出对话窗体中，利用、操作，使bot_gnd和top_gnd项在Blank parts列，Keepout 项在Tool parts列，去掉Close tool objects before subtracing项的选购，点击OK完成。如图3.-4。图3-14 裁去过孔（10）创建接地通路重复（5），绘制接地通路：由主菜单选DrawCylinder，设置该圆柱基坐标（x，y，z）为（-5，-10，-0.25）圆柱体的半径和高设为0.5和0.5，圆柱轴向为z轴。圆柱体属性：Name为gnd_via，Material为copper。如图3.15所示局部图。接地通路的作用是将上下两层接地板连接在一起，使信号有回流路径。图3-15接地通孔（11）创建空气腔体重复（1），绘制一个长方体：由主菜单选Drawbox：基坐标（x，y，z）为（-15，-25，-5），三边长度分别为（30，50，10），Name为air_box, Material为air。最终结构如图3-16所示。图3-16完整通孔模型图3.2.3设置边界条件和定义源端口（1）设置空气为Perfect H边界在绘图管理树中选中air_box项，点右键选择Assign Boundaryperfect H，在弹出窗口将辐射边界命名为air，点击确定，则在工程树的MsviaBoundaries节点下生成air项。如图3-17所示。图3-17 perfect边界（2）设置端口激励源设置端口1：在绘图管理树中选中port1项，点击右键选择Assign ExcitationLumped Port，在弹出窗口命名为port1，其他不变，然后点击下一步，在新窗口的Integration Line（积分线）点击None项并下拉，选择New Line。注意：此时不要在绘图区中点击鼠标！按Tab键切换到参数设置区，如图3-18所示。设置起点坐标（x，y，z）为（0，-20，-0.35），按下回车，然后再设置激励源矢量（dx，dy，dz）为（0，0，0.1），按下回车键确认，完成，则将在工程历史树的Msvia Excitation节点下生成lumpport1项。图3-18 参数设置区设置端口2：选中port2项，步骤同上，激励源起点坐标（x，y，z）为（0，20，-0.35），激励源矢量（dx，dy，dz）为（0，0，-0.1）。完成后将在工程历史树的HFSSDesign1 Excitation节点下生成lumpport2项。新生成的端口如图3-19所示。图3-19 设置激励源后的端口3.2.4 设置求解条件、仿真（1）添加设置求解点频设置：在工程树中选择HFSSDesign1Analysis节点，点击右键，选则Add Solution setup，弹出对话框。在General标签页的Solution项输入10，单位为Ghz，Maximum Number of Passes项设为20，Maximum Delta S Per为0.02，其他不变，点击确定完成。则在Analysis节点下生成一个求解设置项，默认名为setup1。如图3-20图 3-20 点频设置对话窗扫频设置：在工程树中的setup1项上点右键，选择Add Sweep，则在对话窗口中扫频类型选贼Fast项，在Type栏选择Linear Count，定义频率范围为：0.110Ghz，count为991，勾选Save Fields项，点击OK完成。则在Setup1节点下生成一个频率扫描项，默认名为Sweep1。如图3-21图 3-21扫频设置对话窗（2）确认设计由主菜单HFSSValidation Check，则弹出确认检查窗口，对模型进行确认。全部完成切没有错误时，点Close结束。如图3-22图3-22 模型确认检测（3）仿真选择工程树中的Analysis项，点击鼠标右键，选择Analyze，对设计的模型进行求解。求解全部完成后，在信息管理区会出现确定信息。3.2.5创建S参数曲线结果（1）创建结果图：在工程树中的Results项上点击右键，选择Create Modal Solution Data Rport/ Rectangular Plot：则弹出对话窗Report，见图3-23 在Solution项选择Setup1：Sweep1;在Domain项选择Sweep项；在Category项选择S Rectangular ，在Quantity选择S（LumpPort2,LumpPort1）项，Function项选择dB项，点击New Report，完成后将在工程管理树Results项下生成XY Plot1项。并在主窗口生成结果曲线。图3-23 创建S参数窗口图（2）添加Trace，在工程树中的Results项上点击右键，选择Create Modal Solution Data Rport/ Rectangular Plot：则弹出对话窗Report，在Quantity项选择不同的端口项，然后点击Add Trace，则将在结果曲线图中显示出其他端口的S参数曲线。见图3.24（3）添加标识：在图表界面的主菜单选Report2DData，在曲线中图中选中要标识的点，单击鼠标左键即可添加标识。3.2.6 创建三维电磁场分布图创建分布图：双击工程树中Project1项，返回建模窗口。在绘图管理树中选择bot_gnd项，在工程历史树中的Fields overlays项上点击右键，选则Plot FieldsComplexMag_E，将弹出图3-24对话窗，In项为为All，点击Solution项选择Setup1：Sweep1，设Freq项为0.95Hz，Phase项为0deg，Quantity项为ComplexMag_E1，纪录此频率下的场分布情况。图3-24 创建complex_E场对话窗图设置不同的激励源频率可以观测到不同频率下的场分布，具体操作为选中工程树中的ComplexMag_E1项，在工程树下方的Field Plot；Item工作区，将Freq项改为所测频率即可。本文随机取了一个频率点进行了测量3.2.7 S结果分析（1）信号通过通孔传输的S参数曲线图：图3-25 S参数曲线图通过上图我们可以看到在某些频点无法将信号顺利传输出去，信号在传输过程中被耦合掉的量近达20dB，可见通孔这种不连续性互连结构对信号完整性的影响相当严重。为此我们又建立了另一种模型来减少这种影响。详见3-3（2）在S参数曲线图中的某些频点，端口1的信号无法顺利传输到端口2，通过三维场分布我们可以直接看到Pcb板上的能量分布。为此我们取了0.95Hz时的场分布，如下图图3-26 0.95Hz时Complex_E场分布图3.3 多个接地通孔Pcb板模型3.3.1建模模型这个模型相比上一个模型的区别是在通孔的周围多了一周接地通孔，目的是信号有更顺畅的回流路径，模型图如行下3-27 多接地通孔PCB模型图3.3.2结果分析经仿真得出的S参数曲线图3-28 S参数曲线图同上图大致结果相同，信号同样无法将信号顺利的自一个端口传输到另一个端口，但是信号缺失量明显减少，信号被耦合的量基本上在10dB上下,信号完整性的问题有了明显好转。可见信号的回流路径也对信号完整性有一定的影响。下图为6.5Hz时的场分布，图3-29 6.5Hz时complex_E场分布图4 Fasthenry的使用4.1 Fasthenry概述FastHenry是由美国麻省理工学院“RLE Computational Prototyping Group”的J. White 等人于1994年开发的提取阻抗及电感参数的软件。这款软件可以在网上免费下载，其间经过数次版本升级，本文所使用的版本为1996年的3.0版本。Fasthenry是一款三维模拟电感提取的软件。其可以在准静磁场近似下，准确提取电阻和电感参数，即使所测对象的材料不同Fasthenry一样可以准确的提取，这是由于Fasthenry可以在输入文件中来设置电阻系数rho。当电路工作频率非常高时，互连线的电容和电感效应已无法区分，必须采用似稳场或全波形式适用很宽的频率范围，这时Fasthenry提取的是阻抗参数。其的测量结果是以阻抗的形式显示的，即Z=R+jL，通过此式我们便可以计算出某频率下的电感参数。Fasthenry的主要缺点在于：1.在计算大型尺寸的结构时候，所需执行的时间就比较长，即便此结构不是特别复杂；2.在计算频率过于太高时侯时计算不够准确了。但总体来讲Fasthenry还是一款比较受大家认可的在一定频率范围内准确度较高的权威电感提取软件。4.2 Fasthenry输入文件Fasthenry输入文件是将导体离散成片状。输入的文件指定每个导体为一系列直线段或在节点连接在一起的区段。每一部分都有一个有限的导电率和它的形状是一个矩形截面的一些宽度和高度的截面。一个节点仅仅是在三维.各段截面点然后可以分解成平行的薄片，每一个都将被假定为沿其统一长度进行当前截面。我们来通过一个实例来了解下Fasthenry的输入文件。以下是由四段近围成的一个方形的回路（见图4-1）电感计算的输入的文件。 图4-1 方形回路输入文件如下：*标题行，始终被忽略*所有输入不区分大小写*用星号开始一个注释行*设置所有线路名的长度单位毫米.Units MM *设为z = 0处的默认Z坐标，铜默认的导电性。* 注意，电导率单位为1 /（毫米*欧姆），而不是1 /（米*欧姆）*默认z = 0处西格玛= 5.8e4.Default z=0 sigma=5.8e4 * 下面是正方形的四个节点（默认z=0）N1 x=0 y=0N2 x=1 y=0N3 x=1 y=1N4 x=0 y=1N5 x=0 y=0.01* 连接节点组成区段E1 N1 N2 w=0.2 h=0.1E2 N2 N3 w=0.2 h=0.1E3 N3 N4 w=0.2 h=0.1E4 N4 N5 w=0.2 h=0.1* 定义网络端口.external N1 N5* 设定频率.freq fmin=1e4 fmax=1e8 ndec=1*所有输入文件结束.end 通过此例我们可以看到，单位mm定义了所有的坐标和长度为毫米。所有行定义节点用N开始此行，所有行定义的区段用E开始本行。如E1 N1 N2 w=0.2 h=0.1，此行定义区段 E1 从节点 N1连接到 N2图 即宽为0.2mm高为0.1mm的区段。如果 n n 阻抗矩阵，Z()，n 线问题被看作是描述一个的 n 端口网络参数。那么此行“.external N1 N5”定义了N1和N5作为一个工作端口，在上中，只有1个端口被指定，因此输出将是一个从此端口看进去的1*1的阻抗矩阵的值。“ .freq fmin=1e4 fmax=1e8 ndec=1”设定了Fasthenry所计算阻抗的频率范围段。其中的fmin和fmax是设定的最大和最小频率。而ndec代表每十倍频率中计算阻抗的次数。按本句描述的情况那么就需要在104、105、106、107和108hz处作计算。输入文件结束需用“.end”来结束。在上例中，fasthenry所创建的每个实体的模块由于没有将实体离散成多个区段导致其不计算够准确，为了正确模型由于非均匀截面的表面和邻近效应必须比较准确的离散实体。准确的离散方法可以更方便的指定其中的区段，例如将E1定义为“E1 N1 N2 w=0.2 h=0.1 nhinc=5 nwinc=7”，表示区段E1将被离散成35部分，沿其高被分为5部分，沿其宽被分为7部分。4.3 Fasthenry输入文件语法在4.2中我们通过实例了解许多输入文件的基本要求。本节将会对输入文件的格式作更全面、详细的说明。本节将介绍所有可能的输入行。在下面的描述中，任何参数都在“ ”内有可选参数。如果输入行没有包括，那么实际参数值将使用程序默认或用户通过定义指令界定的。4.3.1 一些文件语法需要注意的细节输入文件需要注意的细节主要有：1.行处理顺序；2.大写转换为小写；3.“*”标记的行是解释语句；4.每行的语句必须少于1000字符，但可以用“ +”作为后续行第一个字符表示继续前一行。介入“*”是此版本允许的；5.文件的第一行是标题行可以忽略，为了以后的兼容性和文件连贯性建议这行用“*”开始；6.文件结束时必须用.end指令结束；7.对象的名称限制在80个字符以内。一般来说，输入文件的每行都会定义一些几何对象，如一个节点或元素，或者其会指定某些程序的参数，所有输入文件定义一个几何对象会用一个字母来定义其的类型，然后再输入最多80个字符的特定字母数字或字符串。例如，所有节点的定义都用一个字母N来开始，设定对象行除了设置参数行还要用“.”来开始此行。4.3.2 节点定义语法: Nstr x = x_val y = y_val z = z_val这节点定义叫做Nstr，其中str是一个任何字母数字字符串。为了定义解释节点定义这行的第一字符必须用N来开始。这个节点有其的坐标位置(x val; y val; z val)，每个坐标的单位已经通过单位指令定义过了。任何坐标在先前的指令中被确定那么其便可以被省略并且默认为先前的指定值。否则，会出错结束将被程序。4.3.3 区段定义语法：Estr node1 node2 w = value h = value sigma, rho = valuewx = value wy = value wz = valuenhinc = value nwinc = value rh = value rw = value这区段定义为Nstr，其中str是任何字母数字字符串。为了定义解释区段定义这行的第一字符必须用字母E来开始。这个区段将连接node1和node2，其中node1和node2必须在前面定义过。h和w分别是指区段的高和宽。无论是西格玛、电导率、还是电阻率都是被区段所指定。将区段离散成多部分，平行的薄面的数量由nhinc和nwnic参数所指定。nhinc是指在高度方向上所离散的数目，nwnic是指在宽度方向上所离散的书目，且两者必须是整数。默认的两个邻近部分的比率是2.0，然而这可以来改变rh和rw的的参数来指定高和宽方向上的比率。虽然自动将一个截面在表面深度划分成多个部分的技术也许是一个较好的方法，但是没有这种功能可用。为了指定横截面的方向，用wx、wy和wz表示任何向量来指定沿区段横截面的宽度方向。如这些被忽略，那么宽度向量就被默认为垂直x-y平面方向的长度。如若长度方向平行于z轴那么宽度方向默认为沿x轴。高和宽可以被省略在前面定义行中如果已经定义过他们的值。nhinc、nwinc、西格玛或也可以被省略，但如果在先前没有给定值，那么1,1和铜的电导率将被分别作为默认值。注意定义区段的节点必须在 “节点定义”中加以描述，其不能作为参考平面上的节点。为了连接参考平面，用户必须在参考平面上需要的位置创造一个新的节点并在“节点定义”中描述，然后将等效指令将参考平面上的点和新的节点等效。如下情况是不允许的：g1 x1 = 0 y1 = 0 z1 = 0+ x2 = 1000 y2 = 0 z2 = 0.+ n_gp (5,5,0)N1 x=5 y=5 z=10E1 N1 n_gp正确的方法 应为g1 x1 = 0 y1 = 0 z1 = 0+ x2 = 1000 y2 = 0 z2 = 0.+ n_gp (5,5,0)N1 x=5 y=5 z=10N2 x=5 y=5 z=0E1 N1 N2.equiv N2 n_gp4.3.4单位指令语法: .Units unit-name这指定的单位将被使用到所有后续坐标和的长度单位直到文件结束或另一个文件。单位需要规范，允许使用的单位有千米、米、厘米、毫米、微米、英寸。密尔用单位名称分被指定为km，m，cm，mm，um，in，mils。注意，这的单位指令将会影响到电导率和电阻率。4.3.5默认指令语法：.Default x = value y = value z = value w = valueh = value sigma, rho = valuenhinc = value nwinc = value rh = value rw = value这个指令为以后的定义对象指定默认值。某些默认值将被使用到文件的末尾或由另一个值代替。