【無線射頻仿真】-手動(dòng)設(shè)置HFSS的網(wǎng)格劃分規(guī)則以提升高速傳輸線仿真精度

1/1手動(dòng)設(shè)置HFSS的網(wǎng)格劃分規(guī)則以提升高速傳輸線仿真精度概述：

在傳統(tǒng)的高速鏈路SI仿真中，使用3D電磁場仿真工具仿真?zhèn)鬏斁€往往會(huì)產(chǎn)生規(guī)模大、效率低、精度差等問題，因此除了過孔、連接器等關(guān)鍵不連續(xù)結(jié)構(gòu)外，剩余的長傳輸線部分通常會(huì)使用2D的仿真器代替，該仿真結(jié)果在10GHz以下一般可以滿意精度要求。但隨著鏈路的傳輸速率越來越高，特殊是當(dāng)鏈路速率達(dá)到14Gbps甚至25Gbps時(shí)，傳輸線的截面結(jié)構(gòu)、彎曲方式等對鏈路阻抗的影響變得不行忽視，需要對傳輸線結(jié)構(gòu)進(jìn)行3D電磁場仿真來提取足夠精準(zhǔn)的無源仿真模型。

HFSS默認(rèn)的自適應(yīng)網(wǎng)格劃分對大而勻稱或是小而精細(xì)的結(jié)構(gòu)均有較好的效果，但長直傳輸線同時(shí)具備了規(guī)模大，尺寸精細(xì)的特點(diǎn)，在網(wǎng)格劃分時(shí)不簡單做到精度和效率的兼顧，需要手動(dòng)設(shè)置網(wǎng)格劃分規(guī)章。

下面，對HFSS使用不同的網(wǎng)格劃分規(guī)章時(shí)的應(yīng)用進(jìn)行分析。

1.無限制自適應(yīng)網(wǎng)格劃分

使用HFSS建立1inch長的帶狀線仿真模型，如圖1，仿真端口均為WavePort；Mesh算法為TAU/Tolerant，對網(wǎng)格尺寸無限制；仿真解析頻率為15GHz，最大DeltaS為0.02，最小ConvergedPasses為2；仿真求解器為2階直接求解器，仿真頻率為0.1~20GHz，線性步長為10MHz；其他設(shè)置參數(shù)為HFSS默認(rèn)。為了讓傳輸線的損耗仿真結(jié)果更加精確，在仿真中設(shè)置了銅表面粗糙度，模型為Huray模型[4]，NoduleRadius為0.05um，Hall-HuraySurfaceRatio為2。（該設(shè)置為下文中全部仿真的默認(rèn)設(shè)置）

圖1傳輸線結(jié)構(gòu)的HFSS仿真模型

仿真與測試的S21插入損耗與相位的對比結(jié)果如圖2，紅色曲線為仿真結(jié)果，藍(lán)色區(qū)曲線為測試結(jié)果，其中損耗結(jié)果的偏差較大，約為10%。

圖21inch傳輸線損耗與相位的仿真與測試結(jié)果

TDR的仿真與測試結(jié)果對比如圖3，紅色曲線為仿真結(jié)果，藍(lán)色曲線為測試結(jié)果，綠色虛線為設(shè)計(jì)參考值。由于PCB生產(chǎn)工藝只能保證阻抗偏差小于10%，因此以設(shè)計(jì)參考值作為阻抗仿真的評定標(biāo)準(zhǔn)。由圖可得，使用無掌握自適應(yīng)Mesh算法得到的阻抗結(jié)果偏差約為1~2Ohm。

圖3TDR阻抗特性的仿真與測試結(jié)果

自適應(yīng)算法在相位仿真上結(jié)果較為精確?????，但在損耗與阻抗的仿真中，無限制的自適應(yīng)算法的偏差較大，需要進(jìn)一步掌握網(wǎng)格劃分方式，提高仿真精度。

2.導(dǎo)體表面網(wǎng)格尺寸限制的網(wǎng)格劃分

對與導(dǎo)體表面相連的網(wǎng)格最大尺寸或網(wǎng)格最大數(shù)量進(jìn)行限制，傳輸線導(dǎo)體的網(wǎng)格最大尺寸分別限制為5H、3H、2H、H、1/2H、1/3H、1/5H，對這7組條件分別進(jìn)行仿真，最終不同條件下S21插入損耗與相位（如圖4）和TDR損耗曲線（如圖5）的對比結(jié)果。隨著網(wǎng)格限制尺寸的漸漸減小，傳輸線損耗也會(huì)漸漸減小，相位基本無變化，阻抗會(huì)逐步增大，但損耗與阻抗均會(huì)隨著限制尺寸減小而漸漸收斂。當(dāng)網(wǎng)格限制尺寸小于1/3H時(shí)，仿真結(jié)果與收斂結(jié)果接近全都，精度提升不再明顯。

圖4導(dǎo)體表面網(wǎng)格尺寸限制下?lián)p耗和相位仿真結(jié)果

圖5導(dǎo)體表面網(wǎng)格尺寸限制下阻抗特性仿真結(jié)果

7組條件下仿真規(guī)模、誤差精度、內(nèi)存占用、仿真時(shí)間等工作量參數(shù)對比結(jié)果如下表。結(jié)合仿真精度對比結(jié)果，1/2H雖然在精度上略低于1/3H，但仿真規(guī)模與時(shí)間相對較低，且精度能夠滿意工程應(yīng)用的需求，可以作為工程實(shí)踐中的參考設(shè)置之一。

3.介質(zhì)內(nèi)部網(wǎng)格尺寸限制

對導(dǎo)體四周介質(zhì)內(nèi)部劃分的網(wǎng)格最大尺寸或網(wǎng)格最大數(shù)量進(jìn)行限制，介質(zhì)內(nèi)部的固定區(qū)域（如圖6藍(lán)色區(qū)域，區(qū)域?qū)挾葹?H）的網(wǎng)格最大尺寸分別限制為5H、3H、2H、H、1/2H，對這5組條件分別進(jìn)行仿真，最終不同條件下S21插入損耗與相位（如圖7）和TDR損耗曲線（如圖8）的對比結(jié)果。當(dāng)限定尺寸為1/3H和1/5H時(shí)，仿真規(guī)模超過了仿真服務(wù)器內(nèi)存限制，沒有得到有效的仿真結(jié)果。下表為5組條件下仿真工作量的對比結(jié)果。其中能夠適用于工程實(shí)踐的限制條件為H。

圖6介質(zhì)內(nèi)部網(wǎng)格尺寸限制區(qū)域模型

圖7介質(zhì)內(nèi)部網(wǎng)格尺寸限制下?lián)p耗和相位仿真結(jié)果

圖8介質(zhì)內(nèi)部網(wǎng)格尺寸限制下阻抗特性仿真結(jié)果

與導(dǎo)體表面網(wǎng)格尺寸限制相比，相同尺寸限制條件下介質(zhì)內(nèi)部限制的仿真工作量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于導(dǎo)體表面網(wǎng)格尺寸限制。

基于上面的分析，對限制區(qū)域進(jìn)一步精簡（如圖9，區(qū)域?qū)挾葹閭鬏斁€截面寬度），得到2H、H、1/2H條件下S21插入損耗與相位（如圖10）和TDR損耗曲線（如圖11）的對比結(jié)果。

圖9介質(zhì)內(nèi)部網(wǎng)格尺寸限制區(qū)域（精簡后）

圖10介質(zhì)內(nèi)部網(wǎng)格尺寸限制下?lián)p耗和相位仿真結(jié)果（精簡后）

圖11介質(zhì)內(nèi)部網(wǎng)格尺寸限制下阻抗特性仿真結(jié)果（精簡后）

4.分析總結(jié)

依據(jù)前文中不同限制條件下得到的結(jié)果，對幾種能夠適用于工程實(shí)踐的網(wǎng)格限制方法進(jìn)行對比分析，分別如下：

a)無限制，作為參照組；

b)基于導(dǎo)體表面網(wǎng)格劃分限制，最大尺寸為1/2H；

c)基于介質(zhì)內(nèi)部網(wǎng)格劃分限制，限制區(qū)域?qū)挾葹?H，最大尺寸為H；

d)基于介質(zhì)內(nèi)部網(wǎng)格劃分限制，限制區(qū)域?qū)挾葹閭鬏斁€寬度，最大尺寸為H；

e)測試結(jié)果，作為參考。

自適應(yīng)后的網(wǎng)格劃分結(jié)果對比如圖12，其中，b與c的網(wǎng)格分布與實(shí)際的電磁場分布更加匹配。

圖12不同劃分方法下自適應(yīng)后的網(wǎng)格劃分結(jié)果

損耗與相位的仿真與測試結(jié)果對比如圖13，TDR阻抗仿真結(jié)果對比如圖14，表為仿真工作量對比結(jié)果。b與c的損耗仿真精度優(yōu)于d；b、c、d的阻抗仿真精度接近；仿真工作量d、c、b依次增加。綜合考慮，b與c在工程實(shí)踐中能夠兼顧精度和效率。

圖13不同網(wǎng)格劃分方法下?lián)p耗和相位仿真結(jié)果

圖14不同網(wǎng)格劃分方法下阻抗特性仿真結(jié)果

5.HFSS手動(dòng)網(wǎng)格剖分建議：