手把手教你使用HFSS仿真高速差分过孔—上

        注：以下仿真流程只是粗略的过程，如果有不明白的地方，可以评论留言，我会经常浏览回复的，如有错误处，欢迎指出

  高速数字电路设计中，信号完整性是一个非常重要的问题。为了使信号保持良好的传输特性，PCB板上的互联线一般都采用均匀传输线，使互联线保持特性阻抗一致性，减少信号反射。然而PCB板上的互联线很多时候避免不了换层的问题，这时候就必须使用过孔。过孔会导致阻抗不连续，进而造成反射，出现信号完整性问题。

        当信号传输速率越高，信号前沿越短的时候，过孔引入的信号完整性问题越严重，需要对过孔进行优化，然而传统的2D仿真软件无法对高速过孔进行仿真，因此必须使用3D电磁仿真软件进行仿真，例如：HFSS。HFSS是一款3D电磁仿真软件，使用有限元分析法，利用麦克斯韦方程求解电磁问题，同样可以仿真信号完整性问题。

高速信号一般都采用差分线传输，因此这里以差分GSSG过孔（12层板）为例进行仿真。

HFSS仿真主要包括以下步骤：

a)        工程项目建立和仿真前软件设置

b)       3D模型的建立

c)        边界条件和端口激励设置

d）     仿真条件设置

e)        仿真结果后数据处理

一、工程项目建立和仿真前软件设置

a)        新建一个工程项目，然后插入设计

b)        模型单位设置（Modeler-units-mil）

c)        首先设置求解类型（HFSS-Solution Type），有三种求解类型：Modal，Terminal，Transient；Modal使用端口的入射和反射能量计算S参数，Terminal使用端口的电压电流计算S参数，Transient计算结构谐振频率；这里使用Terminal方式

d)        设置材料覆盖（HFSS-Design Settings-Enable material overide），当两种不同材料的结构相互重叠的时候，金属结构覆盖其他材料

二、3D模型的建立

a)        PCB板建立，使用Draw-BOX画出PCB板，材料设置为FR4，命名PCB

b)        地层建立，使用Draw-BOX画出地层，材料设置为copper，使用boolean-unite运算将多个接地层组合成一个整体，命名GND

c)        构建过孔（Draw-cylinder），过孔构建比较复杂，分多步，先构建过孔的钻孔，再构建过孔的焊盘，然后进行unite运算，过孔基本结构就建立好了

d)        将地层GND和两边的两个接地过孔unite一起，构成一个整体地

e)        传输线建立，使用Draw-line画出传输线，与过孔unite一起，将两个信号过孔unite一起

f)         空气盒建立，draw-box，材料air，命名air_box

g)        反焊盘设置，可以画出两个以过孔中心为中心的圆柱以及一个以原点为中心的长方体，在GND中减去这三部分

h）以上做的过孔是一个实心过孔，为了更加和实际过孔匹配，可以对过孔进行中间挖空处理，画出几个圆柱，然后运用减法运算，从VIA减去中间部分，然后在画出同样的圆柱，材料设置成air，与air_box unite加在一起

三、边界条件和端口激励设置

a)        选中air_box，设置为radiation边界

b)        端口激励设置，选择WAVE PORT端口激励，LUMPED PORT是集中餐口，无法仿真差分信号，WAVE PORT是波端口，在该面输入电场和磁场，可以仿真差分信号。WAVE PORT设置之前需要画出端口大小，使用Draw-rectangle，微带线的波端口宽度大约是差分线总宽度的6倍，高度是差分线宽度的5到8倍，波端口下边沿和参考面对齐；带状线上下边沿与两个参考面对齐，宽度是差分线宽度的6倍。将两个平面分别设置为WAVE PORT，悬着参考平面GND

c)        设置差分线，选中项目管理里面的Exciations，选中具体的激励，点击differentialpairs，add差分线

三、仿真条件设置

a)        Analysis-add solution type 设置求解特性

b)        点击Analysis-setup1-add frequencysweep 设置参数。

c)        点击HFSS-validation check 查看设置是否正确

四、仿真结果后数据处理

点击analysis-analyze all 开始仿真，具体想要观察的参数可以直接网上的设置，以下两个参数为仿真出来的差分线的回损和插损，具体的参数分析接下来的博文会继续讨论