HFSS培训教材

HFSS培训教材 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。 Ansoft HFSS 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 Ansoft HFSS 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。 这一手册着重研究微带连接线不连续性的射频特性。 关于非连续性的研究 这本手册的后边部分描述将引导你如何使用软件去建立、求解和分析一个具有非连 续性的微带线。本例假设使用者已经学习过并理解指南中的“The Getting Started”的内 容。 备注：如果你对该内容不熟悉，请翻看指南中“Using the 3D Solid Modeler”部分。 当布线通过直流馈电和接地系统时，你将遇到信号完整性问题。下面的图解详细 的描述了你要创建和研究的无源器件。 谐振对信号在微带线上传输的影响。 非理想平板的工作特性 第二章创建项目 本章中你的目标是： √保存一个新项目。 √把一个新的HFSS设计加到已建的项目 √为项目选择一种求解方式 √设置设计使用的长度单位 时间：完成这章的内容总共大约要5分钟。 一.打开HFSS并保存一个新项目 1. 双击桌面上的HFSS9图标，这样就可以启动HFSS。启动后的程序工作环境如图： 图 2－1 HFSS 工作界面 1．打开File选项(alt+F),单击Save as。2．找到合适的目录，键入项目名hf_msvia。 图 2－2 保存 HFSS 项目 Ansoft 高级培训班教材 - 3 - 二.加入一个新的 HFSS 设计 1．在Project菜单，点击insert HFSS Design选项。( 或直接点击 图标。)一个新的工 程被加入到hf_msvia项目中，默认名为HFSSModeln。 图 2－3 加入新的 HFSS 设计 2． 为设计重命名。在项目树中选中 HFSSModel1,单击鼠标右键，再点击 Rename 项，将设 计重命名为 hf_msvia。 图 2－4 更改设计名 Ansoft 高级培训班教材 - 4 - 三.选择一种求解方式 1． 在 HFSS 菜单上，点击 Solution Type 选项. 2．选择源激励方式，在 Solution Type 对话框中选中 Driven Mode 项。 图 2－5 选择求解类型 图 2－6 选择源激励方式 四.设置设计使用的长度单位 1. 在 3D Modeler 菜单上，点击 Units 选项. 2. 选择长度单位，在 Set Model Units 对话框中选中 mm 项。 图 2－5 选择长度单位 图 2－6 选择 mm 作为长度单位 Ansoft 高级培训班教材 - 5 - 第三章构造模型 本章中你的目标是： √建立物理模型。 √设置模型材料参数 √设置边界条件和激励源 √设置求解条件 时间：完成这章的内容总共大约要25分钟。 一.建立物理模型 1． 画长方体。 在 Draw 菜单中，点击 Box 选项（或直接点击 图标）； 图 3－1 通过菜单加入一个 Box 2． 输入参数。 按下 Tab 键切换到参数设置区（在工作区的右下角），设置长方体的基坐标为 (x=-10mm,y=-20mm,z=-0.45mm); 按下Enter键后输入三边长度：x 方向40mm, y方向20mm, z 方向 0.9mm。注意：在设置时不要在绘图区中点击鼠标。 图 3－2 输入长方体的几何尺寸 小技巧： 按下alt键后，旋转鼠标，视图随之旋转； 按下 shift 键后，移动鼠标，视图随之平移； Ansoft 高级培训班教材 - 6 - 3． 设置长方体属性 如上设置完几何尺寸后，HFSS 系统会自动弹出长方体属性对话框。对话框的 Command 页里有我们刚才设置的几何尺寸，并且其数值可以自由更改。因此在我们也可以先随意用 鼠标建立一个长方体模型后，然后在其属性对话框输入其尺寸要求即可。 单击 Attribute 页，在 Attribute 页我们可以为长方体设置名称、材料、颜色、透明度等 参数。这里，我们把这个长方体命名为 PCB，将其透明度设为 0.8。材料在下文统一设置。 设置完毕后，同时按下 ctrl 和 D 键(ctrl+D)，将视图调整一下。 图3－3 设置长方体的各项属性 Ansoft 高级培训班教材 - 7 - 图3－4 绘出pcb板后的视窗 4． 重复以上步骤绘出 bot_gnd，top_gnd，trace1 等长方体。 参数如下： 名称: bot_gnd 坐标基点: X= -10.0mm, Y= -20.0mm, Z= -0.35mm 三边长度: X 方向:20.0mm, Y 方向:40.0mm, Z 方向:0.1mm 透明度：0.8 名称: top_gnd 坐标基点: X= -10.0mm, Y= -20.0mm, Z=0.25mm 三边长度: X 方向:20.0mm, Y 方向:40.0mm, Z 方向:0.1mm 透明度：0.8 名称: trace1 坐标基点: X= -0.5mm, Y= -20.0mm, Z=0.45mm 三边长度: X 方向:1.0mm, Y 方向:20.0mm, Z 方向:0.1mm 透明度：0.8 图3－5 绘出bot_gnd，top_gnd，trace1后的视窗 5． 画圆柱体。 在Draw菜单中，点击Cylinder选项（或直接点击 图标）； 图 3－6 通过菜单加入一个 Cylinder 6． 输入圆柱体参数。 按下 Tab 键切换到参数设置区（在工作区的右下角），圆柱体坐标基点圆心坐标: X= 0mm, Y= 0mm, Z=0.45mm;高:0.1mm,半径:0.5mm; 圆柱轴向为 z 轴. Ansoft 高级培训班教材 - 8 - 所以 dx:0.5mm, dy:0mm,dz:0.1mm 图 3－7 输入圆柱体的几何尺寸 7． 设置圆柱体属性 如上设置完几何尺寸后，HFSS 系统会自动弹出圆柱体属性对话框。对话框的 Command 页里有我们刚才设置的几何尺寸，并且其数值可以自由更改。因此在我们也可以先随意用 鼠标建立一个圆柱体模型后，然后在其属性对话框输入其尺寸要求即可。 单击 Attribute 页，在 Attribute 页我们可以为圆柱体设置名称、材料、颜色、透明度等 参数。这里，我们把这个圆柱体命名为 pad，将其透明度设为 0.8。材料在下文统一设置。 设置完毕后，同时按下 ctrl 和 D 键(ctrl+D)，将视图调整一下。 图3－8 设置圆柱体的各项属性 Ansoft 高级培训班教材 - 9 - 图3－9 绘出pad后的视窗 8.重复以上画圆柱体的步骤绘出keepout 参数如下： 名称: keepout 圆柱体坐标基点圆心坐标: X= 0mm, Y=0 mm, Z=－0.45mm; 高:0.9mm,半径:1mm; 圆柱轴向为 z 轴. 所以 dx:1.0mm, dy:0mm,dz:0.9mm 图 3－10 绘出 keepout 后的视窗 9.将 trace1 和 pad 组合起来； 先选中 trace1,再选中 pad; 注意：组合后保留第一个被选中的物体名称 在 3D Modeler 菜单上，进入 Boolean 子菜单，点击 Unite 选项. ( 或直接点击 图标。) 图 3－11 通过菜单进行组合操作 Ansoft 高级培训班教材 - 10 - 图 3－12 trace1 和 pad 组合后的视窗 10．画长方形 在Draw菜单中，点击Rectangle选项（或直接点击 图标）； 图3－13 通过菜单加入一个Rectangle 11.设置长方形属性。 先随意画一个长方形，HFSS 系统会自动弹出长方形属性对话框,将轴线改为 y 向后点 击确定 图 3－14 改变一个长方形的轴线 Ansoft 高级培训班教材 - 11 - 注意：因为本长方形轴线为 y 轴，而 HFSS 系统默认为 z 轴；如按以前的方法设置将 dy 设 为 0;会出现如下错误。为了方便起见，按以上操作设置长方形属性。 图 3－15 将 dy 设为 0 系统提示的错误信息 12．在操作历史树中,点击 Rectangle1 前+号将其展开；选中 CreatRect 单击鼠标右键，点击 Properties 项（或直接在 command 窗口修改）。 图 3－16 从操作历史树选中 CreatRect 图 3－17 在 command 窗口的属性表 13．在长方形属性对话框中设置其各项属性。 基点坐标: X= -0.5mm, Y= -20.0,mm Z= 0.35mm X 方向边长: 1.0mm, Z 方向边长: 0.1mm, Ansoft 高级培训班教材 - 12 - 图3－18 设置长方形属性的各项属性 14. 在操作历史树中,选中Rectangle1 在attribute窗口把此长方形命名为port1,将其透明度设为0.8 图3－18 设置长方形名称和透明度 图 3－19 绘出 port1 后的视窗 15．复制 trace1, port1； 在操作历史树中利用 ctrl 键同时选中 trace1,port1，单击鼠标右键；进入 edit 选项，再进入 duplicate 子选项，选择 around Axis。（或直接点击 图标） Ansoft 高级培训班教材 - 13 - 图 3－20 从操作历史树选中 duplicate 操作，around Axis 方式 此时出现轴向选择对话框，我们将轴线设为x轴，旋转角度180deg；我们只需复制一份，连 同原来的共2份，所以total设为2. 图 3－21 轴向选择对话框设置 复制的物体被自动命名为 port1_1, trace1_1;我们将其分别命名为 port2,trace2。 图 3－22 trace1，port1 被复制后的视窗 16．重复画圆柱体的步骤，绘出 via，keepout 等圆柱体； 参数如下： Ansoft 高级培训班教材 - 14 - 名称: via 坐标基点: X= 0.0mm, Y= 0.0mm, Z= -0.45mm 轴向：z 轴 半径：0.5mm;高度：0.9mm 透明度：0.8 名称: keepout 坐标基点: X= 0.0mm, Y= 0.0mm, Z= -0.45mm 轴向：z 轴 半径：1.0mm;高度：0.9mm 透明度：0.8 图3－23 绘出via，keepout后的视窗 17.从top_gnd, bot_gnd中挖去 keepout。 在操作历史树中利用 ctrl 键同时选中 top_gnd, bot_gnd；在 3D Modeler 菜单上，点击 Boolean 选项,再选择 Subtract 项。（或直接点击 图标） 此时出现 subtract 对话框，利用->,<-操作；将被裁减的 top_gnd, bot_gnd 移至左侧， 把 keepout 移到右侧。点击 OK 返回。