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HFSS培训教程
HFSS培训教程
Ansoft高级培训班教材
PCB板立体布线射频特性的Ansoft
HFSS分析(I)-线间耦合苏涛谢拥军编著
西安电子科技大学Ansoft培训中心
第一章序言
第二章创建项目
第三章建立几何模型
第四章设定端口和边界
第五章解的产生
第六章在SchematicCapture中做电路分析Ansoft高级培训班教材第一章序言
随着现代电子信息科学向着小型化、集约化方向发展,很多的电子元器件集成在PCB
板上完成一项或几项特定的功能。
这些元器件之间的信号依靠PCB板上的微带连接线传递,
而且在实际结构中不可避免地会出现拐角等不连续性,这些导线之间的距离也比较接近。
大
量的科研实际中发现脉冲信号在经过这些传输线传递后会出现变形,这些形变有时会影响到
信息传递的准确性。
另外,由于线间距离较近,线间的相互耦合会引起不同线路间信息的干
扰,也会加大误码率。
因此,深入地研究PCB板上立体布线的这些效应对于实际科研具有
非常重要的意义。
AnsoftHFSS软件是一个很好的分析此类问题的软件。
我们知道,脉冲信号具有很宽的
频谱,正是其射频分量在微带线上传输时具有的分布参数效应会引起拐角反射、线间耦合等
情况的出现,从而影响了信号特性的变化。
我们可以利用AnsoftHFSS这一有限元方法分析
的工具研究PCB板上立体布线的这些射频特性,得出其宽带频谱内的频域特性的变化,从
而研究其引起的时域特性变化。
这一手册着重研究线间耦合的射频特性,耦合微带的结构如图所示,使用Ansoft
HFSS9.0建模分析。
-1-Ansoft高级培训班教材
第二章创建项目
1、打开AnsoftHFSS9,并在缺省工程中点击鼠标右键,加入一个HFSS设计项目,见
图1。
结果如图2,屏幕主要部分自左向右依次为工程管理区(ProjectManager)、对象列表
和3D绘图区(与对象列表一起通称为3DModelerwindow)。
2、解的类型。
在菜单中选择HFSS/SolutionType(图2),并在弹出窗口中选择Driven
Terminal(图3)。
共有三种类型选择,DrivenModal、DrivenTerminal和EigenMode,Diven
Modal与DrivenTerminal的区别在于S矩阵的表示形式不同,前者采用入射和反射能量的形
式,而后者采用电压和电流的形式。
该工程分析后,要作为器件导出结果到Spice中进一步
分析,所以采用DrivenTerminal的形式。
EigenMode表示本征模类型。
3、点击工具条上存盘按钮(图4),或在菜单中选择Save,第一次的时候将询问工程名
称,该工程名字为CoupledMicrostrip,存盘,创建工程完毕。
图1在工程中加入一个HFSS设计项目
图2HFSS解类型
-2-Ansoft高级培训班教材
图3选择DrivenTerminal类型
图4存储工程
-3-Ansoft高级培训班教材
第三章建立几何模型
1、改变工程默认单位。
建立不同的模型,可能需要采取不同的单位,虽然可以在模型
建立之后,改变模型单位而保持几何量数值不变,但在建立模型之初就确定默认单位,不失
一种良好的习惯。
在菜单中选取3DModeler/Unit,见图5和图6。
将单位改为mil。
图5工程单位改变
图63DModuler/Units窗口
2、加入介质基片core。
(1)选择Solids/Box。
一般有两种方法,一是在菜点中选Draw/Box,二是直接点击工具条
中Box图标,分别见图7和图8。
图7通过工具条加入一个Box
-4-Ansoft高级培训班教材
图8通过菜单加入一个Box
(2)输入Box的位置。
(1)完成后,鼠标在绘图区移动会选择不同的基点,为准确定为可
以在状态栏中直接输入Box的位置和大小。
注意:
不要在绘图区中点击鼠标,一点击鼠标
就意味着接受鼠标点的位置设定,在没有参考的情况下,在3D绘图区直接确定一个点是困
难的。
将鼠标移动到屏幕右下角的状态栏(图9),并在其X区域双击鼠标。
输入X,Y,Z
坐标(各项之间可以通过TAB键转换),为(5.0,-45.0,1.0),回车。
(3)输入Box的大小。
(2)完成后,状态栏变为图9所示,输入Box的尺寸大小,dx215.0,
dy165.0,dz11.0,回车。
见图10。
图9状态栏变为尺寸偏移输入图10输入大小-5-Ansoft高级培训班教材
(3)输入Box的名字。
(2)完成后,弹出窗口如图11所示。
将属性栏中的名字改为core,
材料为FR4_epoxy(此时默认是vaccum),在图12中点击材料的vaccum,弹出材料设定窗
口图13,选FR4_epoxy,设定后图12的窗口变为图14所示。
图11属性窗口
图12改名字和其他属性
-6-Ansoft高级培训班教材
图13材料设定窗口
图14设定材料后
(4)CTRL?
D,显示全部物体。
见图15。
-7-Ansoft高级培训班教材
图15完成输入介质基片core
3、输入分析空间air
同2中的方法,输入得到一个Box,基点坐标为(-45.0,-95.0,-70),偏移大小为(315.0,
265.0,153.0),名字为air,材料为vacuum。
并且将该物体透明度改为1,
以便观察其内的其
他物体,见图14所示。
绘图空间为图15。
图14空间设定air,透明度设定为1
-8-Ansoft高级培训班教材
图15绘图空间
4、输入接地板gnd
(1)由于以下的大部分物体是PEC材质,所以首先在工具栏中改默认材料为PEC。
见图
16。
图16该默认材料为PEC
(2)基点坐标(5.0,-45.0,6.0),大小(215.0,165.0,1.0),结果如图16。
图16模型空间
-9-Ansoft高级培训班教材
5、输入耦合空洞keepout
(1)将坐标原点移到(130.0,60.0,6.0)。
在工具条中,选择OffsetOrigin
建立相对坐标系
统(图17),此时Module窗口如图18,可见多了相对坐标系。
下面的输入要在相对坐标系
统中,图19。
图17建立局域坐标
图18Module窗口中相对坐标系统
图19选取相对坐标系统输入
-10-Ansoft高级培训班教材
(2)建立keepout。
Box基点(0.0,0.0,0.0),大小(14.0,56.5,1.0),注
意其在相对坐标系
中,物体名字为keepout,图20。
图20输入keepout
(3)旋转keepout。
选取keepout(目前已经选取),在工具条中点击Rotate,
弹出窗口如图
22,输入以Z轴在中心,旋转45度。
图21工具条中点击Rotate
图22Z轴为中心,旋转45度
-11-Ansoft高级培训班教材
图23模型空间
(4)gnd物体中减去keepout。
在Module窗口中选中两个物体gnd和
keepout,再在菜单中
选定,图24。
弹出窗口25,点击确定按钮。
图24gnd物体减去keepout-12-Ansoft高级培训班教材
图25substrate弹出窗口
图26模型空间
6、输入path_t1a
(1)在module窗口中将坐标系改会Global。
(2)在工具条中选择DrawLine(图27)
图27在工具条中选择DrawLine
(3)直接在状态栏中输入3个点的坐标分别为(5.0,-25.0,12.0)、(125.0,-25.0,12.0)和(125.0,
80.0,12.0),各个坐标间使用TAB键切换输入窗口,每点输入完后按Enter。
最后,在模型
显示空间中,点右键,在下拉菜单中选Done,见图28。
在属性窗口中,改名字和颜色。
完
-13-Ansoft高级培训班教材
成后模型显示空间见图29。
图28完成线输入
图29模型显示空间
7、输入path_t2a。
各点坐标(5.0,-15.0,12.0),(115.0,-15.0,12.0),
(115.0,90.0,12.0)。
8、入path_t3a。
各点坐标(5.0,-5.0,12.0),(105.0,-5.0,12.0),
(105.0,100.0,12.0)。
最
终结果如图30。
-14-Ansoft高级培训班教材
图30模型空间
9、输入trace1_1
(1)trace1_1是YZ面的矩形,先在工具栏中设定为YZ面,见图31。
图31设定为YZ面作图
(2)在工具条中点击Drawrectangle
图32工具栏中点击Drawrectangle(3)在状态栏中输入第一点(5.0,-25.0,12.0)图33输入矩形第一点坐标
(4)在状态栏中输入偏移dy和dz,分别为5.0和1.0。
-15-Ansoft高级培训班教材
图34输入矩形偏移dy和dz
(5)弹出矩形状态窗口如图35所示
图35矩形状态窗口
(6)改矩形的名字和颜色
图36改矩形名字和颜色
(7)放大矩形,模型空间如图37所示。
-16-Ansoft高级培训班教材
图37模型空间局部显示
10、复制trace1_1
(1)选定trace1_1
(2)在工具栏中点击按钮DuplicateAlongLine
图38工具栏中点击按钮DuplicateAlongLine
(3)在模型空间选择初始点,
图39选择初始点
(4)在模型空间选择第二点
-17-Ansoft高级培训班教材
图40选定移动矢量的第二点
(5)在弹出窗口中改复制数目为3,确定。
结果见图42。
图41改复制数目为3
图42复制后结果
(6)也可以在单击DuplicateAlongLine之后,在状态栏中输入矢量原点(0,0,0)和大小
(0,10,0),每组输入完后按Enter,同样设复制数目为3。
图42在状态栏中输入复制矢量
11、得到微带线
(1)选定path_t1a和trace1_1
-18-Ansoft高级培训班教材
图43选定path_t1a和trace1_1
(2)在菜单中选取Draw/Sweep/AlongPath
图44在菜单中选取Draw/Sweep/AlongPath-19-Ansoft高级培训班教材
(3)在弹出窗口图45中点击确定按钮。
图45Sweepalongpath窗口
(4)结果如图46所示。
图46模型空间
(5)同样的处理path_t2a和trace1_1_1,path_t3a和trace1_1_2,得到图47
图47设定微带线(有厚度)结束
-20-Ansoft高级培训班教材
12、设定trace2_1,基点坐标(220.0,75.0,1.0),平行与YZ平
面,dy5.0,dz-1.0
13、沿矢量(0,0,0)-0,10,0复制trace2_1得到trace2_1_1和
trace2_1_2
图48模型空间
14、绘制微带线
(1)选定trace2_1
(2)选择菜单Draw/Sweep/AlongVector(3)在图中选定初始点在trace2_1的右上角(或其他角),单击鼠标左键图49选择初始点
-21-Ansoft高级培训班教材
(4)在状态栏中输入偏移(-100,0,0)
(5)在弹出窗口中点击确定按钮。
结果如图51。
图50SweepAlongVector的弹出窗口
图51绘制微带线
15、同样的得到其他平行微带
(1)选择trace2_1_1,Draw/Sweep/AlongVector,偏移是(-110,0,0)
(2)选择trace2_1_2,Draw/Sweep/AlongVector,偏移是(-120,0,0)图52绘制微带线完成
-22-Ansoft高级培训班教材
16、绘制连接微带线的圆柱
(1)由于圆柱的轴为Z轴,选定绘制平面为XY面
图53选定绘制平面为XY面
(2)点击工具栏DrawCylinder按钮
图54绘制圆柱
(3)在状态栏中输入圆心坐标(122.5,77.5,1.0)图55在状态栏中输入圆心坐标
(4)在状态栏中输入半径和高度,由于圆柱轴心在Z轴,所以
dx1.25,dz11.0
图56在状态栏中输入圆心和高度
(5)在属性窗口中检查输入,并修改名字为via1和颜色。
结果如图58图57圆柱属性窗口
-23-Ansoft高级培训班教材
图58圆柱结果
注意:
在HFSS9.0中圆柱多了纯圆柱和楞柱之分,上面输入的是纯圆柱。
楞
柱的输入基本
相同,只是在弹出窗口中要确定楞柱的分段数量。
17、复制via1
(1)选择via1
(2)复制via1,沿矢量(0,0,0)-(-10,10,0),数量为3图59复制via1的结果-24-Ansoft高级培训班教材第四章设定端口和边界
1、绘制端口
(1)p1_1,rectangle,YZ面,第一点坐标(5.0,-25.0,12.0),偏移大小
dy5,dz-5
(2)p2_1,rectangle,YZ面,第一点坐标(220.0,75.0,1.0),偏移大小dy5,dz5
(3)复制p1_1和p2_1,矢量(0,0,0,)-(0,10,0),数量3
图60绘制端口
2、设定边界条件
(1)air立方体为PerfectH/Natural
图61设定PerfectH边界
-25-Ansoft高级培训班教材
图61设定PerfectH结果
(2)将p1_1_1改名为p1_2,p1_1_2改名为p1_3;p2_1_1改名为p2_2,p2_1_2改名为p2_3
(3)设定p1_1,如图62-65,TerminalLine起点(53.0,-22.5,7),矢量(0,0,5)
图62设定p1_1为LumpedPort
-26-Ansoft高级培训班教材
图63设定port1
图64设定port1的TerminalLine线
图65TerminalLine设定完成
-27-Ansoft高级培训班教材
(4)port2,object:
p1_2,5.0,-12.5,7.0,矢量(0,0,5);port3,object:
p1_3,5.0,-2.5,7.0,矢量(0,0,5);port4,object:
p2_1,220.0,77.5,6.0,
矢量(0,0,-5);port5,object:
p2_2,220.0,87.5,6.0,矢量(0,0,
-5);port6,object:
p2_3,220.0,97.5,6.0,矢量(0,0,-5);
(5)设定结果见图66
图66端口设定结果
-28-Ansoft高级培训班教材
第五章解的产生
1、设定解
(1)在ProjectManager的Analysis上右击鼠标,选择AddSolutionSetup,
如图67所示
图67在projectmanager中设定解
(2)点频8.02GHz,最大迭带次数5,最大误差0.04图68点频设定
-29-Ansoft高级培训班教材
(3)在点频基础上设定Sweep
图69设定Sweep解
(4)设定Sweep:
Interpolating,0.02GHz~8.02GHz,800步图70设定Sweep解
-30-Ansoft高级培训班教材
(5)运行解:
在Anlysis/Setup1上点击鼠标右键图71运行解
2、查看结果
(1)在projectmanager里Results上点击鼠标右键
图72查看结果
-31-Ansoft高级培训班教材
(2)在弹出窗口图73上点击确定
图73CreateReport窗口
(3)在弹出Traces窗口里,选择Stport1:
port1到Stport1:
port6,Function中选dB,单击
AddTrace按钮将此6条曲线加入上面的窗口,单击Done按钮结束,就可以看到图75的结
果。
图74选择曲线
-32-Ansoft高级培训班教材
图75曲线显示结果
3、导出等效电路
(1)在Projectmanager的Ananlysis/Setup1上单击右键,在其下拉菜单中选择MatrixData,
见图76
图76查看结果的MatrixData
(2)在弹出窗口图77中选择EquivalentCircuitExport
-33-Ansoft高级培训班教材
图77SolutionData弹出窗口
(3)在EquivalentCircuitExportOptions中选择FullWaveSpice
Export(缺省即是),修改导
出的文件名(此处保持缺省值),单击OK按钮。
图78导出全波分析Spice
-34-Ansoft高级培训班教材
第六章在SchematicCapture中做电路分析
1、建立Spice工程
Ansoft的Spice工具在SchematicCapture中,HFSS9与SchematicCaptureVersion5.5在
一起。
类似过去版本的方法,点击wellControlPanel/Projects/New,此时选择建立名字
为CMC的SchemeticCaptureVersion5.5的工程,工程界面如图79图79SchemetricCapture工程界面
2、导入HFSS全波分析Spice结果
(1)在菜单中选择Add/Full-waveN-portSubckt…。
在弹出窗口图81中点击Edit按钮,在
接下来的窗口中点击Import按钮,选择刚才HFSS导出的文件,并完成在Schemetic绘图区
域拖出一个N端口器件,如图83所示,共有6个端口,并且有6个对应的参考地。
-35-Ansoft高级培训班教材
图80导入HFSS全波分析组件
图81导入X1
-36-
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