HFSS差分对建模与仿真技巧

       差分信号对于信号完整性来说是非常重要的一个项目,很多通信协议使用了差分传输方式,例如USB,HDMI,还有LVDS.

       差分信号的优点是有目共睹的,主要是在共模抑制上面,因为差分对的物理结构是两条距离比较近的传输线,他们有共同的参考面,两条信号线传输相位相反幅值相等的信号,因此对于外界辐射的净电场几乎抵消,而且信号计算的是同一时间两条信号幅值的差值,那么对于相近的信号线来讲,收到干扰后产生的变化是相等的,因此差值也不会变化,这就提高了干扰的抑制能力.

      对于差分信号,以USB为例,我们设计所关注的信息有:

      差分阻抗

      这条线的S参数

      设计需要考虑结构参数有:

      线宽W

     走线厚度H

     介质层的厚度

     介质层的材料参数

     USB3.1,需要设计阻抗是85ohm,USB2.0的阻抗未90ohm

      本节我们将使用SI9000计算85ohm的差分阻抗,并用hfss进行建模分析,包括的内容有:

1.      SI9000的使用和PCB建模所涉及的参数

2.      HFSS对于PCB的建模步骤

3.      终端驱动模式的内涵

4.      终端模式下的端口设置

5.      差分对S参数的查看与分析

6.      差分对场参数的查看与分析

一.   SI900的使用和PCB建模所涉及的参数

1.1   SI9000的使用

SI9000是计算PCB阻抗以及其他参数的专用软件,界面比较友好,可以用于初期计算参数,我们直接用SI9000计算差分对的线宽,走线厚度,介质层的厚度,以及间距等参数

依照下图所示数据,在SI9000内,单位是mm,我们计算出差分阻抗未85.81ohm,关于微带线阻抗的计算原理,大家可以看射频电路设计第二章的传输线理论部分这里不分开讨论

当然对于PCB实际状况,还需要考虑阻焊的材料影响,这里我们暂时忽略阻焊材料的影响

   通过SI9000预先计算结构尺寸
 

二.   HFSS对于PCB的建模步骤

1.1:建模前的分析和变量创建

       需要创建的元素有PCB的大小和厚度, 从SI9000计算状况看,介质层厚度设置为 sub=0.1mm;pcb大小未5mmX15mm

介电常数: 4.2

线宽W=0.185mm

间距S=0.15mm

厚度T=0.03mm(这个是PCB走线厚度,一般1oz的铜为0.0336mm)

1.2:创建变量

   所需创建的变量
 

1.3:创建相应模型

        A:创建PCB模型:点击draw->box          

            注意:材料选择FR4,介电常数默认是4.4,所以我们需要修改介电常数未4.2

   修改创建的BOX属性
 

   修改大小和位置
 

          至此,PCB就建立完成了

      B:创建走线  

          在创建之间,我们把PCB放在以Y轴为分界线的两边

   X轴坐标等于-的一半X轴宽度
 

          draw->box

  然后复制trace_N

   复制结果
 

 选中trace_N,之间点击ctrl+C,然后点击ctrl+V

 修改trace_N1为trace_P,并修改坐标X轴为-0.075-0.185

   修改X轴坐标
 

   差分对建立完成
 

C:创建GND

 Draw-box

D:创建空气盒子

     设置辐射边界条件

         微带线为准TEM波,是一个开放场,如果不设置辐射边界条件而空气盒子又不够大,会因为     反 射信号的存在而影响结果的准确性

E:创建波端口面

 对于微带线电路，波端口的下边缘必须与参考地重合。假设微带线的线宽为w，介质层厚度为h，则波端口的高度一般设置为6～10h；当w≥h时，波端口的宽度一般设置为10w，当w < h时，波端口的宽度一般设置5w或者3～4h

 旋转视角为right,选择xz平面

   旋转视角
 

      然后 draw-rectangle,随便画一个矩形

    然后选中port,直接复制粘贴

   复制port
 

   修改port1的greate rectangle

   Y轴坐标改为15
 

一.   终端驱动模式

终端求解模式是以端口的电流电压为激励,使用的是传输线理论求解传输状况,一般求解多线工程,我们使用终端求解类型

   选择求解类型
 

四.   终端求解类型下的波端口和差分对分配

选中port

   选择参考层为GND
 

   选中differential pairs
 

   分配差分对
 

   点击new pair.点击apply

  用同样的方法把port1创建

设置求解

     求解设置频率为10Ghz,最大迭代次数为20误差为0.02

    扫频类型为fast, 频段为 1G-10G 0.02Ghz

    检查没问题开始运行仿真

五.   S参数的查看

   选择comm模式
 

点击mew report

对于共模形式来说,会在5.42G发生共振

       差模共振发生在3.1G和9.6G左右

      我们通过TDR能够查看整条线的阻抗变化

   TDR阻抗
 

         差模阻抗在82.5左右,比我们用si9000设计的少了2.5ohm,那是因为si9000未必会考虑走线的边缘效应

六.   查看场参数

      从这里可以设置电源的状况,我们先设置共模模式,共模模式两条线上面传输信号的幅值和相位相等,设置参数如下:

       这里设置格式为log,我们就可以看到共模的场图

   共模形式的场图
 

        模信号的场图是向外发散的,不会有相互耦合的状况,因为两个信号线的电位一样

        设置源参数如下:可以观测差模形式

   差模场图
 

     差模形式下,两根差分线之间会相互耦合,电场线也会收敛到另外一根导线上,因为两个信号线上的信号相位是相反的

   动态图
 

GIF

   可以看到随着相位变化的差模场图
 

  总结:

        差分信号建模的要素主要是:材料参数 GND 信号线的走线宽度,走线厚度,走线间距

        差分信号的仿真使用终端驱动模式

        差分信号的共模是两个差分信号的相位相等

        差分信号的差模是两个信号线的相位相反

        微带线仿真需要添加辐射边界条件

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