基于HFSS的高速传输线仿真网格划分研究.pdf

基于HFSS的高速传输线仿真网格划分研究∧NSYS安也亞太口e产图2传输线结构的HFSS仿真模型为了验证仿真精度,设计了与此结构相同测试PCB,得到该结构 linch单端带状线的TRI测试结果(实链路长度为4inch,校验线路基准长度2X为3inch)。仿真与测试的S2插入损耗与相位的对比结果如图3,红色曲线为仿真结果,蓝色区曲线为测试结果,其中损耗结果的偏差较大,约为10%sertion LossPhesP"rra山图3 linch传输线损耗与相位的仿真与测试结果对比TDR的仿貞与测试结果对比如图4,红色曲线为仿结果,蓝色曲线为测试结果,绿色虚线为设计参考值。由于PCB生产工艺只能保证阻抗偏差小于±10‰,因此以设计参考值作为阻抗彷貞的评定标准。由图可得,使用无控制自适应Mesh算法得到的阻抗结果偏差约为1~2Oh。inpedanceEITHENM1 D!mn0图4TDR阻抗特性的仿真与测试结果对比∧NSYS/但亞太白适应算法在相位仿真上结果较为准确,但在损耗与阻抗的仿真中,无限制的白适应算法的偏差较大,需要进一步控制网格划分方式,提高仿真精度3尺寸限制的网格划分HFSS中对网格划分有两种限制方式:1.导体表面网格限制,对与导体表面相连的网格最大尺寸或网格最大数量进行限制;2介质体内部网格限制,对导体周围介质内部划分的网格最大尺寸或网格最大数量进行限制。这两种方法均可以有效地提高传输线结构中电磁场迅速交化区域的网格密度,进而提升传输线结构的仿真精度。本文分别通过限制导体与绉缘体网格最大尺寸来实现对网格划分的精细化控制,为了评价不同限制尺寸对仿真精度、规模、效率等的影响,本文引入了与介质厚度相关的参数H(取值为8mil)作为网格控制的基准尺寸。3.1导体表面网格尺寸限制传输线导体的网格最大尺寸分别限制为5H、3H、2H、H、1/2H、1/3H、1/5H,对这7组条件分别进行仿真,最终不同条件下S21拒入损耗与相位(如图5)和TDR损耗曲线(如图6)的对比结果。随着內格限制尺寸旳逐渐减小,传输线损耗也会逐渐减小,相位基木尢变化,阻抗会逐步增大,但损耗与阻抗均会随着限制尺寸减小而逐渐收敛。当网格限制尺寸小于1/3I时仿真结果与收敛结果接近一致,精度提开不再明显。n。nLasIr A266图5导体表面网格尺寸限制下损耗和相位仿真结果对比ImpedanceCopter A是01H吧441围450 0055000图6导体表面网格尺寸限制下阻抗特性仿真结果对比∧NSYS/但亞太7组条件下仿真规模、误差精度、内存占用、仿真时间等工作量参数对比结果如表2。结合仿真精度对比结果,1虽然在精度上略低于1/3H,但仿真规模与时间相对较低,且精度能够满足工程应用的需求,可以作为工程实践中的参考设置之一。表2导体表面网格尺寸限制下仿真工作量对比尺寸限制值Maximum delta sSolved elementsMemory spaceSimulating timeLimitless00083832493MOh04m5lssH0.0181647780486MOh07m29s0.00522327997Oh07m3Is2H0.00552749603618MOh06m340.00541911.92GOh16m57s1/2H0.002689134006.03GOh59m3ls1/30.001797414450913.5G2h28m37s1/5H0.001144833728738G8h27m08s32介质内部网格尺寸限制介质内部的固定区域(如图7蓝色区域,区域宽度为3H)的网格最大尺寸分别限制为5H、3H、2H、H、1/2H,对这5组条件分别进行仿真,最终不同条件下S21插入损耗与相位(如图8)和TDR损耗曲线(如图9)的对比结果。当限定尺寸为1/3H和1/5H时,仿真规模超过了仿真服务器内存限制,没有得到有效的仿真结果。表3为5组条件下仿真工作量的对比结果其中能够适用于工程实践的限制条件为I图7介质内部网格尺寸限制区域PheseY: RH232图8介质内部网格尺寸限制下损耗和相位仿真结果对比∧NSY安也亞太口e产GMle nemes45QG300图9介质内部网格尺寸限制下阻抗特性仿真结果对比表3介质内部网格尺寸限制下仿真工作量对比尺寸限值Maximum delta sSolved elementsMemory SpaceSimulating timeLimitless00083832493MOh04m5IssH0.00753726017378MOh06m02s3H0.00282287431472MOh05m34s2H0.005042110657672MOh1orm4H0.0043048643845.35GOh5lmoss1/2H0.00175840956554.3G3h29m02s与导体表面网格尺寸限制相比,相同尺寸限制条件下介质内部限制的仿真工作量要远远大于导体表面闷格尺寸限。本文在此基础上,对限制区域进一步精简(如图10,区域宽度为传输线截面宽度〕,得到2H、∏、I2I条件下S21插入损耗与相位(如图11)和TD)R损耗曲线如图12)的对比结果。图10介质内部网格尺寸限制区域(精简后)∧NSYS安也亞太口e户Insertion Las图11介质内部网格尺寸限制下损耗和相位仿真结果对比(精简后)anGELiTie:TILL.∵,一02真图12介质内部网格尺寸限制下阻抗特性仿真结果对比(精简后表4为3组仿真工作量的对比结果,相同尺寸限制条件下,仿真规模约为未精简时的一半,但精度有所下降,其中能够适用于上程实践的限制条件为H表4介质内部网格尺寸限制下仿真工作量对比(精简后)尺小限制值maximum Delta sSolved elementsMemory spaceSimulating Time0.0083832Oh04n5ls000509699983Oh08m33sH0.0093295347862.56G0h47m52s1/2H0.005897717490418.2G8h28m56s4不同网格划分方法对比根据前文中不同限制条件下得到的结果,对儿种能够适用于工程实践的內格限方法进行对比分析,分别如下无限制,作为参照组;b)基于导体表面网格划分限制,最大尺寸为1/2H∧NSYS/但亞太c)基于介质内部网格划分限制,限制区域宽度为3H,最大尺寸为Hd)基于介质内部网格划分限制,限制区域宽度为传输线宽度,最大尺寸为Ie)测试结果,作为参考。自适应后的网格划分结果对比如图13,其中,b与c的网格分布与实际的电磁场分布更加匹配。b图13不同划分方法下自适应后的网格划分结果损耗与相位的仿真与测试结果对比如图14,TDR阻抗仿真结果对比如图15,表5为仿真匚作量对比结果。b与c的损耗仿真精度优于d:b、c、d的阻抗仿真精庋接近:仿真工作量d、c、b依次增加。综合考虑,b与ε在工程实践中能够兼顾精度和效率rgertion loss552c了r图14不同网格划分方法下损耗和相位仿真结果对比∧NSY安也亞太口e产inpedancecm▲51Er cuerased56e图15不同网格划分方法下阻抗特性仿真结果对比表5不同网格划分方法下仿真工作量对比尺」限带值aximum Delta SSolved elementsemory SpaceSimulating TimeLimitless0.00838327798493M0h04n5IsConductor⊥/2H0.0026891734006.03GOh59m3 IDieelectric 3HH0.0043048643845.35GOh51m05sDielectric W H0.0093295347860h47m52s5结束语针对HFSS在长直传输线仿真时遇到的精度与效率的问题,本文分别对导体表面的內格划分尺寸与导体周围介质内部网格划分尺寸进行限制,得到不同限制条件下的仿真结果。结合实测数据,对比不同方法的仿真精度与仿真效率,得到了能够应用于工程实碳的两种网格划分方法:1.限制传输线导体表面的网格尺寸为不超过1/2介质厚度;2限制传输线导体周围介质中介质厚度区域范围内的网格尺寸不超过介质厚度。这两种方法在传输线的损耗、相位、阻抗特性仿真中均能达到较高的精度,冋吋仿真效率较髙,仿真工作量均小于1小时/寸。参考文献[1 Nelco N4000-13/N4000-13 SIe Specification [R]. Park Electrochemical Corporation,http:/www.parkelectro.com[21 Stephen H. Hall, Howard L. Heck, Advanced Signal Integrity for High-Speed Digital Design Ml, A John WileySons Inc Publication. 2009. ISBN 978-0-470-19235-1[3 Howard w. Johnson, Martin Graham, High Speed Digital Design: A Handbook of Black Magic [Ml, PrenticeHall.1993,ISBN978-0133957242∧NSYS/但亞太14 Paul g Huray, Stephen Hall, Steven Pytel etc. Fundamentals of a 3-D"Snowball" Model for Surface RoughnessPower Losses, University of South Carolina Dept of Electrical Engineering 3A 18 Swearingen Engr. Bldg. ColumbiaSC29208,2007作者简介任雪玉男,2013年毕业于中国科学院计算技术研究所,现为曙光信息产业(北京)有限公司信号完整性工程师,主要从事高速PCB设计、信号完整性仿真与测试等工作。陈进男,2008年毕业于哈尔滨工程大学,现为曙光信息产业(北京)有限公司信号完整性实验室副主仼。主要负责曙光信号完整性团队,负责曙光髙速硬件系统的仿真、设计、测试工作。