HFSS微带线仿真

1、HFSS实例简单微带线的仿真（仅供参考不对之处欢迎指教）2002-10-10HFSS在高速PCB设计中的应用之一2HFSS实例简单微带线的仿真2002-10-100.5英寸长微带线HFSS分析题例） 建模1.1 首先在OPTION中设置所需的单位本例设为：MIL1.2 建立地线层1.3建立介质层（为了显示方便从此步骤开始模型尺寸略有变化）1.4建立导线（面）1.5建立第二个介质层1. 5 . 1建立带状线的第二个介质层1. 5 . 2建立微带线的第二个介质层1. 6建立物体的封闭空间1. 6. 1建立侧面 A1、A2 （方法同TRCE的建立相同）1. 6. 2建立端面P1、P21. 6 . 3

2、建立完成的图见1.12，点击文件菜单中的退出，确认保存后完成建模步骤。）定义材料4456667888892. 1三）在程序执行区域点击建立边界条件和定义源端口10按钮进入材料设置窗口3. 13. 2确定边界条件（导线Trce） 10确定边界条件（两个侧面）103. 3确定端口（源P1 P2） 103.3.1 设置端口 PORT （源）113.3.2 设置负载（Terminals 113.3.3 设置端口 POR2 （端）113.4查看边界、端口设置12四）设置解算参数13五）解算155.1浏览解15六）数据的后期处理166.1扩展模型的 S参数（DE- EMBEDMODEL S-PARAMET

3、ER如果需要的话）166.2 计算 TERMIANNALS- PARAMETERS（参数 D_2）176. 3求解端口阻抗参数176.4 输出 MAXWLSPICE 模型 18HFSS在高速PCB设计中的应用之一4七） MAXWEL模型的路分析197.1建立电路图207.2激励源的设置217.3运行217.4设置运行条件227.5打印图形227.6打印结果23HFSS在高速PCB设计中的应用之一50.5英寸长微带线HFSS分析题例本例题是一根微带线，长度0.5英寸；线宽 7mil ；线高 1.58mil; 介质FR4介质常数4.4;介质层高度4.33mil地线层高速1.38mil边界模型：10

4、00mil x 20mil x 7.29mil与L2相似但是，将线上方的空间定义为层（还是 100mil）U进入图形剪辑界面首先确定单位5.-J定义了任何一个物体后一定注意要给建立的对象起名字, 分。否则在后面的操作中，不太好区一）1.11.2建模首先在Option建立地线层中设置所需的单位本例设为：mil由于目前还不太清楚的原因，地线层不能建立，直接使用介质层的底面。但是作为建立平面的操作还是保留下来。所以实际第一步应从1.3建立介质层开始。? 设起始坐标：X= 0 Y= 0 Z= 0 ;选择主菜单中Line/Rectangle 项（由于地线宽 线 高，可以用面代替体），屏幕左边出现图1的画

5、面。然后点击Enter ,进入下级栏目。? 在这个栏目中需要的操作（图1.2 ）:首先需要确定物体建立的平面（选择 XY平面）;填入所建物体的（平面）尺寸：X 1000; Y 20选中Covered （默认选项）输入所建物体的名字Cu为所建物体选择颜色后，键入 En ter图1.2确定地线坐标参数Rectangle plane:XT YZ XZSize:Mane:CuCoIce：Enter键入Enter后在三个平面出现所建物体，图1.3是在XYZ面上且经过“着色”处理后 的图形：Z同1.2中的方法，注意Z轴的起始坐标依然是0,因为Cu做的是一个平面。由于介质是 一个“体”，所以在建立物体时，必

6、须有 Z轴增量。设置起始坐标：X= 0 丫= 0 Z= 0,选择主菜单中Solid/BOX项，或点击图标 ，出现图1.1,确定起始坐标后点击Enter ,屏幕左边出现图1.4的画 面（三维）。由于选定BOX自动出现X、丫、Z坐标选项填入所建物体的尺寸：X= 500; 丫= 100; Z= 4.00选中Covered （默认选项）注1输入所建物体的名字FR为所建物体选择颜色后，键入EnteHFSS在高速PCB设计中的应用之一8图1.5是完成两种物体设置后的放大图形（YZ轴上的立体图）图1.5HFSS在高速PCB设计中的应用之一9HFSS在高速PCB设计中的应用之一#就是（0，6.5，4.33 ）

7、,用这个特点可以随时观察坐标设置正确与Rectangle plane:XZSize; x； so Y： T否。（随计算机速度，画面出现的速度不同）导线建立在XY面Name:(r-_q | TraceColou:Covered不要忘了起名的尺寸：X= 1000; Y= 7;选定XY坐标选中Covered （默认选项） 输入所建物体的名字TraceEai为所建物体选择颜色后，键入En ter1.4建立导线（面）? 设置起始坐标：X= 0 ； 丫= 46.5 ; Z= 4 ；选择主菜单中Line/Rectangle 项，出现图1.1,确定起始坐标后点击Enter ,屏幕左边出现图1.6的画面。实际上

8、，每当进行坐标设置的时候，设置的点会以闪烁的形式出现在相 应的视图上，比如这个步骤，当设定起始点后，就出现右图，点的位置HFSS在高速PCB设计中的应用之一#HFSS在高速PCB设计中的应用之一#图1.6确定导线坐标参数从主菜单File中选择Exit，在出现的提示栏中点击 OK完成建模操作。HFSS在高速PCB设计中的应用之一#HFSS在高速PCB设计中的应用之一#1. 5建立第二个介质层注罚!如果是带状线该层介质同样为 FR4,且层厚根据实际需要确定。但是若为微带线, 则该介质材料应选为空气，并且它的层厚要大大大于第一个介质层！1. 5. 1建立带状线的第二个介质层建立该层的方法可以使用1.

9、3中的方法，也可以使用“复制”的方法，这样如果是仿真 多层PCB会更加节省时间，复制既可以纵向，也可以横向。?首先点击主菜单的Edit Select，在物体列表框中选定需要复制的目标图1.7拷贝方向点击主菜单的Edit Duplicate Along Line 相出现图1.7 该图为向量表示，X，丫，Z分别代表，在哪一个轴的万向进行复制，由于我们现在需要再做一个介质层，所以选择Z方向，高度仍然为4mil，是为了保证于第一个面重合。点击 Enter?后出现图1.8,询问建立几个拷贝，填入Total nuiobeE：2，点击Enter完成第二层介质的建立 1. 5. 2建立微带线的第二个介质层由于

10、前面提到的原因，空气介质层的厚度需要大大大于FR层的厚度，所以不能使用复制的方法，仍然使用建立FR层的方法：设置起始坐标：X= 0, 丫 = 0, Z= 4,选择主菜单中Solid/BOX项，或点击图标Enter box size：Color:图1.10微带线结构出现图1.1,确定起始坐标后点击Enter。由于选定BOX自动出现X、丫 Z坐标选项填入所建物体的尺寸： X 500; 丫= 100; Z= 196选中Covered （默认选项）输入所建物体的名字Air为所建物体选择颜色后，键入 En ter此时完成了微带线结构的建立（图1.11）图1.8拷贝数量图1.11微带结构模型1. 6建立物

11、体的封闭空间HFSS要求为研究对象建立封闭空间由于本对象的顶面和地面分别是性质相同的介质面，所以进行封闭时，这两个面可以不作。1.6.1建立侧面A1、A2（方法同Tree的建立相同）设置起始坐标:X= 0 ; Y=选择主菜单中Lin e/Recta ngle项，出现图对图1.11的物体，做四个面，侧面 A1、A2 ;断面P1、P2且将这两个面将来作为端口。1.1,确定起始坐标后点击Enter，屏幕左边出现图1.6的画面?输入面的端点坐标（注意：侧面是做在 XZ坐标面上的）X= 500 ; Z= 200?命名为A1，选择颜色后点击Enter ,贝U建立了在物体的左侧面?用复制的方法在丫轴上选取位

12、移向量100,建立第二个侧面A21. 6. 2建立端面P1、P2? 设置起始坐标：X= 500 ; 丫= 0 ; Z= 0 ;选择主菜单中Line/Rectangle 项，出现图1.1,确定起始坐标后点击Enter，屏幕左边出现图1.6的画面。?输入面的端点坐标（注意：端面是做在YZ坐标面上的）丫= 100 ; Z= 200?命名为P1，选择颜色后点击Enter ,则建立了在物体的前端面?用复制的方法在丫轴上选取位移向量500,建立后断面P21. 6. 3建立完成的图见1.12,点击文件菜单中的退出，确认保存后完成建模步骤。定义材料图1.12完成的建模（微带线）- 在HFSS中所有2D物体只被

13、定义为边界，只有3D物体具有材料属性。此例, 导线以及定义的封闭平面都是 2D物体，所以在材料列表中只有介质层 FR和空 气的材料需要定义。2. 1在程序执行区域点击Setup Materials.*按钮进入材料设置窗口? 首先在objiect 列表中选择FR? 在material列表中选定FR4_epoxy? 点击Assign按钮完成设置? 以同样的方法将Air材料定义为air，图2.1注意：每当为一个材料选定介质后，一定要点击Assign按钮确认3图2.1材料定义1完成后点此按钮是为了自定义材 料时候使用的厂L4-1一定粪用要点击从按钮确认,料选定材料点击退出,并确认存盘完寺成材料设置步骤

14、。）建立边界条件和定乂源端口在程序执行区域点击Setup Boundaries/Soucces. *.按钮后进入边界条件和源疋义界面。ABound已/Souixe M已rgelinineFileEditoordinatjes Model Window Help陶R EB冈 IWIRgl H H图3.1边界定义窗口菜单栏3. 1确定边界条件（导线Tree）a Object厂 Bounds选择 Edit/Select/By Name 命令:Ob j Ects? 选择类型：Objiect? 选择目标：Trce并按下Done （图3.2 ）AlAirFR PlPSTrace? 选择边界：选择Perfe

15、ct E ，输入名称Tree后（图3.3）, 点击Assign确认。3. 2确定边界条件（两个侧面）与3.1相同在Edit/Select/Object 中选择A1和A2两个面，将它们起名以后，在按钮PEifECt E的下拉列表中选定为“ Radiati on ”，见下图Sou匚c亡,r* BoundaryRadiation图3.4电场边界定义3. 3确定端口（源P1 P2 ）图3.5端口特性331设置端口 Portl （源）与3.1相同在Edit/Select/Object 中选择P1面，起名portl以后，点击“源”单选按a)b)c)d)e)设置名称为“ port1 ”定义为“源”属性类型选

16、择“ Wave Port ”选中“ Define Terminals选择“ View Termi nals（该下拉菜单中项是缝隙特性,天线用）钮，并将类型按钮选择为“ Wave Port”HFSS在高速PCB设计中的应用之一15HFSS在高速PCB设计中的应用之一#h)起始点:X= 500;Y= 50; Z= 0 向量(增量)：X= 0; Y= 0; Z= 4.0起始点，终点和做成的向量图，基层指向导线Enter vector:的线卡面介1IIf）由于只有一根导线负载数量选择1 3.3.2 设置负载（Terminals）g）在Edit Line 的下拉列表中选择Set图3.7负载向量定义3.3

17、.3 设置端口 Port2 (端)用同样的方法，在abc4面上定义端口 Port2 （名），并在此口上做负载向量，做这个向量 的时候，只是X坐标从500改到0,其余方法完全一样。3.4查看边界、端口设置在图3.1 边界定义窗口菜单栏中执行 ModeKBoundary Display命令BoundatyVisibleType:PortColorToggle Display图3.8检验边界设定注1:关于Covered选项在作图时的作用Covered这个选项非常重要,在使用Polyine（多义线）,Circle 以及Rectangle做物体的时候, 如果Covered是选中的，贝做出的物体或是封闭的

18、四边形，园盘都以面的形式出现.相反，如 果Covered没有选中，则用上述方法做出的物体均为“壳 Shell ”，没有实际的面，就是说 是有“型”没有“状”的一个东西。用3D画图主菜单中Surface/Connect命令可以将几个没 有圭寸闭的用Polyine （Circl ，Rectangle ）做的形状进行 Connect （连接），但是如果是选用 了 Covered项做的物体就不能使用 Connect命令了。这里还要说明的是，Connect可以连接Un Covered的东西，一旦对一个Un Covered的 东西进行了 Covered，这个东西就变成了平面。一旦对两个以上且不在一个平面的

19、东西进行Covered，将出现“曲面”；还要说明的的是：用3D画图主菜单中Solid/Unit 命令，它是只能对体进行联合，对面以及面和体都不能进行联合。下图是几个例子:I图中A, D是使用Un Covered 命令做的矩形和园，在3D渲染时 仍然没有颜色。图中B，C使用Covered做的 矩形和园，在3D渲染时有颜色。图中E是用A以向量扫描方 式做的拄面（注意这里已经是面了， 有颜色），而F则是用Cylinder 做的圆柱体。图中G是不在一个平面的两个用Un Covered做的shell ，使用Surface/Co nn ect命令可将其组成异型表面。在这里还要说明，只有3D物体才有“材料”

20、属性，Shell，面都没有这个属性注2:材料设置中的Solve In side 中Yes和No的含义当你设置材料时，在 Object中有式：Yes和Nq如果对某个材料的设置显示两种了 Yes，就表明，HFSS将在物体内部建立网格并通过网格求解。默认的，材料的电导率小于 106 /米时，HFSS各自动设为Yes。注3:关于边界条件的设置的一点提示定义边界时最好从外到内，从大到小的顺序来定义它们的性质。要后设置被其它物体包 围（环绕）对象的性质。有限导体边界用来描述非理想导体。四）设置解算参数在程序执行区域点击jll.lt.L jli. 按钮后进入设置解算参数设置界面。在这里一些参数如频率，扫描（

21、是/否）数量，均可安要求自行设置。扫描是必要的，除非你只需要 某一个参数，没有进行后续分析的操作。解算参数设置z 注意起始频率的值不能太小，这是求解本征模的起始频率，因为Minimum Frequency用于使某些矩阵正常化，如果频率太低，求解器会终止解一个近似的奇异矩阵，这样就会影响计算的精度。一般来说，当输入的最小 频率比建议的或缺省的最小频率值的1%、时 会出现这种情况。注3z 保留选项Adaptive。这表明An soft HFSS重复迭代求解这个问题，改善存在大误差的网 格区域。使用以下的适应解的标准：z 在Requested Passes输入10。这样，仿真器产生问题的10个连续解

22、，在产生下个解之 前先改善网格。z 在Tet. Refinement 输入20。这决定了每次迭代后四面体数目的增加百分比z 在Maximum Delta Frequency输入0.02。这一收敛标准基于这次迭代到下次迭代的每个 模式的计算频率的变化。对于这个问题，每一个网格计算10个谐振频率，网格改善，就要再计算改善网格的10个频率。对于每个模式，要计算出网格改善前后频差。这些频差 中最大的就是 Delta Frequency，如果这个频差比 Maximum Delta Frequency小，该问题 就收敛了。Maximum Delta例如，在一个两个模式的问题中，模式2在两次迭代中的频差大于

23、Maximum DeltaFrequency，该问题就不收敛，即使模式1在两次迭代中的频差小于Freque ncy。保留其他参数为默认值。选择Tv旺 Twf iMntT 訓* *rpr.二中Setup fox Full fplceaEeeoe ValeiMcfr：LIMA S-aluTlUIU：21加典49n： AUSave Fields eMl Badejflcue te&cf-1Maxr上门屮山切、TijyMesh txoQof flr f：匸wk#和冲Field Accuracy:Tetcabedia! 17图4.1解算参数设置五）解算按下 Solve 按钮进行解算后得到s_i参数（根据

24、单频还是扫描有提示）5.1矩阵显示解收敛情况（步骤）解算过程简介HFSS在高速PCB设计中的应用之一20点击“ 2”按钮，在随后的界面中按下“ Con verge nee Display ”按钮（图5.1），并在 下拉菜单中选择“ Plot matrix Parameters ”项。出现窗口“ Con verge nee Plot Setup ”。（图5.2)fiConveegence DisplayTablePlot T etrahedraPlot Max Delta SPlat Magnitude MarginPlot Phase MarginPlot Matrix Parameters

25、*图5.1显示收敛图5.2选择打印参数在该窗口中选择，一般选择矩阵的（XI, Y1）和（XI, 丫2）,因为其余两项是与其对应相等的。此外此图选择的是列的印端口阻抗（图 5.3）HFSS在高速PCB设计中的应用之一#图5.3列印的端口阻抗图六）数据的后期处理6.1扩展模型的S参数（De-embed Model打开数据阵列处理器（图6.1）,选择Maters如果需要的话）a后出现图6.2数据处理器窗口图6.1数据后处理菜单HFSS在高速PCB设计中的应用之一21HFSS在高速PCB设计中的应用之一#图6.2数据处理器窗口*在Slusions列表栏中选中S_1项（一般为最后一项，也就是求解后的第一

26、个数据）“选中S_1项后，在Compute菜单栏选择De-embed （扩展）注4-在端口列表中选择port1-选择 Out from objiect 项-Dista nee basis 选择 Value- 点击“ Set DistaneeS 10. 5-8 GHn Interpolating ：5iD 1 S 1 De embeddedHFSS在高速PCB设计中的应用之一22HFSS在高速PCB设计中的应用之一#4 点击OK在出现的提示框中选择“ Yes”扩展后的结果标记为 D_1,图形见6.46.2 计算 Termiannal S-parameters （参数 D_2）Compute Vi

27、ew Help Rjenormallizeu 耳,Qe-embedrB.Combine SweepsY Matrix,2 Matrix.2:Adaptive P3S 5Adaptive Pa.3s 6Pass 71Pass 8 - 5-8 GHe iTiterp営 1 D e eml） e d de d图6.3负载数据处理PortDistanceDe-enbedding diraction:C Into Object* Out from Objec匸Distance basis:a Value Vector lengthValue:|200milsVectoc：Set Dist-ance通过6

28、.1反编译模型S参数操作后从S_1数据 得到了 D_1数据，选择它。, 选择 Terminal Matrices 命令点击OK计算结果为D_2出现在Slutions列表框中D 2 D 丄 Deembedded, TerminalS_1 :解算以后首先得到D_1 :扩展后得到D_2 :从 D_1 求解 Terminal Matrices得到，同时得到计算阻抗图6.4进行反编译S参数时设定向量6. 3求解端口阻抗参数选中图6.5中port1: T1和port2:T1，在下面的Set Impede nee栏中输入参考阻抗值（图6.4），然后点OK就求出了D_3 （端口的阻抗参数）同时列出了选择频率点

29、的阻抗矩阵Port: TerminalPealportliTl50,00port3:T150.00pottl：Tlpoct2:Tl(45.72073, O.OOOe+OOD)(O.OODe+ODD, 0.000&+000(O-OOOe+OOO, O.OOOe+QOO)(50.64175, 2.618C-024)portl:Tlport2:Tl图6.6微带线阻抗计算Reference Impedance:Real:SOOhmsSet Inpedan匚e图6.5设置参考阻抗6.4 输出 maxwll Spice 模型再次在图6.3中选择D_2,然后在File菜单中选择Export，再选择maxwl

30、l Spice 格式设置菜单，进行设置。确定后，再弹出图6.9 mMil Spice的参数设置框起名后进行输出。默认格式为* （建模时的名称）.spc，此时弹出图6.8的保存文件位置的：得太高（象图4.1中那样设为0.5GHz）,弓单出下面一个提示框：注意：如果在进行解算参数设置时的扫描起始频率设在进行 Export maxwll SpiceExport 时，首The sweep you selected tD export has a minimum frequen匚y that Is too high to provide suffi匚imnt detail in the exported

31、 data. The suggested remedy is to frst re-solve the sweep with a minimum frequency of no greater than 0,31666667 GHz,Do you want to pro匚Rud with the export as requested?图6.7关于最低频率设置得提示在这个提示中，告诉你了应该的最低频率的设置：0.3167GHz由于设置是0.5GHz,所以HFSS将进行自动插值（一般到零）。但是尤其重要的是如果出现这种情况，一定要校验插入I i*rrr_、 i 1*一*110 rsim*的低频点

32、数据的有效性，这一点非常重要，否则在进行路仿真实会出现，输出幅度大于输入 幅度的现象。这一点在下面会进行详细的说明。实际上一般如果设置扫描的起始频率低一些 如：.1GHz,就不会出现这种现象。HFSS在高速PCB设计中的应用之一241Export matrix data in Maxwell Spice RDirectories：e： _maxwellu5erdoc1 pitExport filename doclTspcK.pcbound3 ewecparam hfss ma怎 matxdata matxdam matxplotCaneI a e: APP2章 INetworHFSS自动在项

33、目子目录下建立了若干子目录，可以将不同阶段的数据 存入相应的子目录中，以免文件太多 造成混乱图6.8的保存文件位置的设置菜单HFSS在高速PCB设计中的应用之一25图6.9 maxwll Spice 的参数设置框在图6.9中当前的光标处于0GHz频处，可以看到在箭头所指处的实部数据大于 1,这就 是上面所讲的“校正低频数据的正确性” 问题，必须将它们修改成1,否则就会在进行路仿 真时出现输出大于输入的情况。修改的步骤：? 首先选中要修改的插入频率（本例为 0GHZ? 在对应矩阵大于1的实部数据处点击，该数据出现修改框，同时这个数据出现在上面 Magnitude栏（黄色标记处）? 在Magnit

34、ude栏将这个数字改为1，然后点击Modify按钮? 对两个端口实部大于1的数据进行同样处理? 对所有频率点做同样处理后，点击 0K完成修改七）Maxwell模型的路分析7. 1建立电路图退出HFSS的建模操作，起名后建立新的 Schematic Capture项目（在HFSS建项的下拉 菜单中选择 schematic Capture version 5 ），进入 Schematic Capture 界面。?在Add主菜单栏中选择：命令。弹出选择框：HFSS在高速PCB设计中的应用之一26HFSS在高速PCB设计中的应用之一#图7.1 导入maxwll模型窗口? 点击Edit ，出现子电路定义

35、窗口，选择 Mpo|选项? 出现文件定位窗口Spice parts rile:H.spcport1_0.spc port1_1 .spc port1_2.$pc port1_3.spc port1_4.spc p 口 rt2_0.spc pcrt2_1 .$pcList Files of Ijjpe： |K spce: Jma乂射亡肌皿討114 pjt匚arc创|& e: _maKwell userft I4.pjt口 bound3 Q execparam rJDrives:| 曰 e APP2Network.Directories;图7.2 maxwll子模型定位窗口? 选定前面Export出来的.SPC文件，点击Done?点击0K按钮，并移动鼠标将模块置于图版之上?建立路的拓扑图（电源、电阻、地线、测试探针）,建立完整的拓扑图在放置元件的同时需给各个部件定义属性（数值，源类型等）建立的电