12.1 HFSS差分信號分析設(shè)計概述

    在現(xiàn)今的高速數(shù)字電路設(shè)計中，差分信號（Differential Signal）的應(yīng)用越來越廣泛，電路中最關(guān)鍵的信號往往都要采用差分結(jié)構(gòu)設(shè)計。本章通過一個帶狀線差分對的分析設(shè)計實例，來講解 HFSS 在此類問題中的應(yīng)用。

     本章分析的帶狀線差分對如圖12.1 所示，帶狀線為0.5 盎司的敷銅線（即 PCB 板上蝕刻 的銅箔厚度 t = 0.7 mil），帶狀線寬度 W = 6 mil，帶狀線間的間距 S = 18 mil，介質(zhì)材料 為 FR4，介質(zhì)層的厚度 h = 26 mil，走線位于介質(zhì)層的中央；帶狀線的長度為 1000 mil， 流經(jīng)帶狀線差分對的高速數(shù)字信號的上升沿時間 tr = 330ps 。

    我們首先在 HFSS 中創(chuàng)建出這樣的帶狀線差分對模型，然后使用 HFSS 軟件分析給出差分對的 S 參數(shù)分析結(jié)果、差模阻抗和共模阻抗值以及在差模信號或者共模信號作用下的電場分布，最后通過 HFSS 的參數(shù)掃描分析功能分析給出差分線的差模阻抗、共模阻抗和帶狀線 線寬 W、線間距 S 之間的關(guān)系。

圖 12.1 帶狀線差分對示意圖

    說明： 在印刷電路板中習(xí)慣使用重量單位盎司（oz）來表示蝕刻銅箔的厚度，1 盎司是指重量為1 盎司的銅均勻平鋪在1 平方英尺的面積上所達(dá)到的厚度，這個厚 度約為 35mm，即 1.35 密耳，所以 0.5 盎司的銅箔厚度約為 0.7 密耳。

    12.1.1  HFSS 求解類型和建模簡述

    對于帶狀線差分結(jié)構(gòu)，因為是通過電壓/電流的線性疊加來分析結(jié)構(gòu)的傳輸特性，所以在 HFSS 中需要選擇終端驅(qū)動求解類型。關(guān)于端口激勵方式，因為集總端口之間相互獨(dú)立，仿真計算時不考慮線間耦合效應(yīng)，不能設(shè)置差分對，所以不適合此處差分問題的分析；而對于波端口激勵，多個帶狀線可以共享一個端口，仿真計算時會把線間耦合效應(yīng)也計算在內(nèi)，因此對于存在線 間耦合效應(yīng)的問題，使用波端口激勵更準(zhǔn)確。對于差分結(jié)構(gòu)，只能使用波端口激勵。

    我們知道，HFSS 仿真計算的時間、所占用的內(nèi)存與模型的大小是成正比的。本例中我們要分析的帶狀線差分對的實際長度是1000 密耳，由于該帶狀線差分對在長度方向上特性是一致的，所以為了節(jié)約計算時間，在建模時，我們可以只創(chuàng)建100 密耳長度的帶狀線差分對；然后通過波端口的端口平移（Deembed）功能，在后處理時給出實際 1000 密耳長度 帶狀線差分對的分析結(jié)果。

    在 HFSS 中創(chuàng)建的帶狀線差分對模型如圖 12.2 所示，帶狀線差分對模型長度為 100 密耳， 介質(zhì)層為 100 密耳200 密耳26 密耳的長方體模型，其材料屬性設(shè)為 FR4；差分信號線為 100 密耳6 密耳0.7 密耳的長方體模型，其材料屬性為銅（copper）；差分信號線位于介質(zhì)層的中央。

圖 12.2 HFSS 中的帶狀線差分對模型 

    對于帶狀線結(jié)構(gòu)的波端口激勵，端口尺寸可以根據(jù)經(jīng)驗值確定。通常，端口寬度為線寬的8～10 倍，但同時要小于1/2 個工作波長；端口在高度方向上與帶狀線的上下兩個參考地相接。本例中，創(chuàng)建與介質(zhì)層前后表面相同尺寸的矩形面作為波端口激勵表面。

     在 HFSS 中，與背景相接觸的表面會被默認(rèn)設(shè)置成理想導(dǎo)體邊界，因此，介質(zhì)層的四壁被自動設(shè)置為默認(rèn)的理想導(dǎo)體邊界。這樣，介質(zhì)層的上下表面可以直接作為帶狀線的參考地，而不需要做其他額外的設(shè)置。

    12.1.2 求解頻率和掃頻設(shè)置

    高速數(shù)字信號有著很寬的頻譜范圍，使用 HFSS 分析此類問題時，求解頻率由數(shù)字信號 的上升沿時間 tr和在上升沿的采樣點(diǎn)數(shù) N 來確定。通常，求解頻率 f = N*0.5/tr 。

    另外，使用HFSS 分析此類問題時，仿真分析結(jié)果通常還需要導(dǎo)出 SPICE 模型用于時域分析。因此需要使用掃頻分析，計算出從直流到求解頻率整個頻帶范圍內(nèi)的模型特性。對于這樣的寬頻問題，在HFSS 中一般需要選擇插值掃頻類型（Interpolating Sweep），掃頻頻率的下限為 0Hz，上限為求解頻率。我們知道，HFSS 主要用于高頻問題的仿真計算，對于低頻或者直流問題，HFSS 是無法直接計算的，所以在掃頻時需要選中 DC Extrapolating 選項，通過外插算法推導(dǎo)出模型的低頻特性。

    本例中，流經(jīng)分析對象的高速數(shù)字信號的上升沿時間 tr=330ps，為了保證分析結(jié)果的準(zhǔn) 確性，我們在信號的上升沿采樣5 個點(diǎn)，因此求解頻率需要設(shè)置為

這里，求解頻率取為 8GHz。

    12.1.3 HFSS 設(shè)計環(huán)境概述

     >> 求解類型：終端驅(qū)動求解

     >> 模型原型：長方體、矩形面 

     >> 模型操作：鏡像復(fù)制操作，平移復(fù)制操作

     >> 邊界條件：軟件默認(rèn)的理想導(dǎo)體邊界 

     >> 端口激勵：波端口激勵、差分對

     >> 求解頻率：8GHz 

     >> 掃頻設(shè)置：0～8GHz 插值掃頻

     >> 后處理：S參數(shù)、差模阻抗和共模阻抗、電場分布圖

     >> Optimetrics：參數(shù)掃描分析