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

目录

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Schematic Capture中做电路分析

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。

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。

第二章创建项目

1、打开Ansoft HFSS 9，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（Project Manager）、对象列表和3D绘图区（与对象列表一起通称为3D Modeler window）。

2、解的类型。在菜单中选择HFSS/Solution Type（图2），并在弹出窗口中选择Driven Terminal（图3）。共有三种类型选择，Driven Modal、Driven Terminal和EigenMode，Diven Modal与Driven Terminal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Driven Terminal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2 HFSS解类型

图3 选择Driven Terminal类型

图4 存储工程

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3D Modeler/Unit，见图5和图6。将单位改为mil。

图5 工程单位改变

图6 3D Moduler/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

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，dx=215.0, dy=165.0, dz=11.0，回车。见图10。

图9 状态栏变为尺寸偏移输入

图10 输入大小

（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

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。

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

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

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Offset Origin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18 Module窗口中相对坐标系统

图19 选取相对坐标系统输入

（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22 Z轴为中心，旋转45度

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24 gnd物体减去keepout

图25 substrate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Draw Line（图27）

图27 在工具条中选择Draw Line

（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

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。

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Draw rectangle

图32 工具栏中点击Draw rectangle

（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。

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。

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Duplicate Along Line

图38 工具栏中点击按钮Duplicate Along Line （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