高速电路板HFSS仿真手动网格设置

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使用过HFSS的朋友都知道，HFSS默认的自适应网格划分对大而均匀或是小而精细的结构均有较好的效果，但在高速互连传输线的仿真中，长直传输线同时具备了规模大，尺寸精细的特点，在网格划分时不容易做到精度和效率的兼顾，需要手动设置网格划分规则。这里给大家分析一下针对高速互连线的HFSS网格技巧。

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) ~' n' I& F0 V. `% u3 Y2 Z长直单端带状线的阻抗分析

9 W5 {3 l/ n; L1 d# H  Q6 m下图1为传输线的截面图，结构尺寸如下表1，介质材料类型为N4000-13SI，仿真用的材料Dk与Df参数分别为3.4与0.01（参考HFSS材料库）。


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. ]# Z) p! H8 W# v4 x0 Z# [' K. a: |采用PCB计算工具得到的上述1inch长走线的计算结果为47.84ohm，Designer里面的传输线计算工具的阻抗计算值为47.54ohm，这里我们取两者的平均值47.69ohm作为HFSS的设计参考阻抗值。
长直单端带状线的HFSS模型

HFSS中创建该长直传输线的仿真模型如下图

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该HFSS模型中，仿真端口均为Waveport，Mesh算法采用的是TAU/Tolerant，对网格尺寸的设计均采用软件默认设置，仿真的求解频率为15GHz，最大DeltaS为0.02，最小Converged Passes为2，采用2阶直接求解器，扫频范围为0.1~20GHz，扫频步长为10MHz。为了让传输线的损耗仿真结果更加精确，在仿真中设置了铜表面粗糙度，模型为Huray模型[4]，Nodule Radius为0.05um，Hall-Huray Surface Ratio为2。
HFSS默认网格剖分得到的仿真结果

下图3是采用HFSS默认网格剖分技术得到的该仿真模型的仿真结果和测试结果的对比（红色为仿真结果，蓝色为测试结果）：


5 ~6 H% y5 ~5 Y/ ~由上图可以看到，HFSS仿真得到的损耗结果的偏差比较大，约为10%。
HFSS中限制导体表面网格尺寸后得到的仿真结果

下图4是在HFSS中将该传输线导体的表面网格最大尺寸分别限制为5H、3H、2H、H、1/2H、1/3H、1/5H，并对这7组条件分别进行仿真，最终不同条件下S21插入损耗与相位的对比结果。随着网格限制尺寸的逐渐减小，传输线损耗也会逐渐减小，相位基本无变化。
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6 z( o- O" {0 o" s( ?: u$ E" \' uHFSS中限制介质内部网格尺寸后得到的仿真结果
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介质内部的固定区域（如图5蓝色区域，区域宽度为3H）的网格最大尺寸分别限制为5H、3H、2H、H、1/2H，对这5组条件分别进行仿真，最终不同条件下S21插入损耗与相位（如图6）的对比结果。当限定尺寸为1/3H和1/5H时，仿真规模超过了仿真服务器内存限制，没有得到有效的仿真结果。其中能够适用于工程实践的限制条件为H。

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HFSS中不同网格剖分限制所得到的仿真结果对比
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• 网格质量对比，不同情况下的模型网格剖分结果的对比：
  

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上图中，a为HFSS默认网格剖分的结果，b为基于导体表面网格划分限制，最大尺寸为1/2H；c为基于介质内部网格划分限制，限制区域宽度为3H，最大尺寸为H；由结果对比可知，b与c的网格分布与实际的电磁场分布更加匹配。
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• 损耗和相位结果对比：
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• 仿真的资源消耗情况对比：
  

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总结

通过研究HFSS中长直传输线仿真，我们可以知道，在高速传输通道仿真中应该优选下面两种网格划分方法：
1. 限制传输线导体表面的网格尺寸为不超过1/2介质厚度；
2.限制传输线导体周围介质中介质厚度区域范围内的网格尺寸不超过介质厚度。
这两种方法在传输线的损耗、相位、阻抗特性仿真中均能达到较高的精度，同时仿真效率较高，仿真工作量均小于1小时/英寸。
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, g7 \7 X8 Q1 L* Z( U( r. j: d8 r2. 本微信群由“兴森快捷-安捷伦射频高速联合实验室”射频负责人，《ADS2008/2011射频电路设计与仿真实例》《HFSS射频仿真设计实例大全》电子工业出版社，主编徐兴福建立。