12.1 HFSS差分信号分析设计概述-HFSS电磁仿真设计应用详解

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12.1 HFSS差分信号分析设计概述

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在现今的高速数字电路设计中，差分信号（Differential Signal）的应用越来越广泛，电路中最关键的信号往往都要采用差分结构设计。本章通过一个带状线差分对的分析设计实例，来讲解 HFSS 在此类问题中的应用。

本章分析的带状线差分对如图12.1 所示，带状线为0.5 盎司的敷铜线（即 PCB 板上蚀刻的铜箔厚度 t = 0.7 mil），带状线宽度 W = 6 mil，带状线间的间距 S = 18 mil，介质材料为 FR4，介质层的厚度 h = 26 mil，走线位于介质层的中央；带状线的长度为 1000 mil，流经带状线差分对的高速数字信号的上升沿时间 tr = 330ps 。

我们首先在 HFSS 中创建出这样的带状线差分对模型，然后使用 HFSS 软件分析给出差分对的 S 参数分析结果、差模阻抗和共模阻抗值以及在差模信号或者共模信号作用下的电场分布，最后通过 HFSS 的参数扫描分析功能分析给出差分线的差模阻抗、共模阻抗和带状线线宽 W、线间距 S 之间的关系。

图 12.1 带状线差分对示意图

说明： 在印刷电路板中习惯使用重量单位盎司（oz）来表示蚀刻铜箔的厚度，1 盎司是指重量为1 盎司的铜均匀平铺在1 平方英尺的面积上所达到的厚度，这个厚度约为 35mm，即 1.35 密耳，所以 0.5 盎司的铜箔厚度约为 0.7 密耳。

12.1.1 HFSS 求解类型和建模简述

对于带状线差分结构，因为是通过电压/电流的线性叠加来分析结构的传输特性，所以在 HFSS 中需要选择终端驱动求解类型。关于端口激励方式，因为集总端口之间相互独立，仿真计算时不考虑线间耦合效应，不能设置差分对，所以不适合此处差分问题的分析；而对于波端口激励，多个带状线可以共享一个端口，仿真计算时会把线间耦合效应也计算在内，因此对于存在线间耦合效应的问题，使用波端口激励更准确。对于差分结构，只能使用波端口激励。

我们知道，HFSS 仿真计算的时间、所占用的内存与模型的大小是成正比的。本例中我们要分析的带状线差分对的实际长度是1000 密耳，由于该带状线差分对在长度方向上特性是一致的，所以为了节约计算时间，在建模时，我们可以只创建100 密耳长度的带状线差分对；然后通过波端口的端口平移（Deembed）功能，在后处理时给出实际 1000 密耳长度带状线差分对的分析结果。

在 HFSS 中创建的带状线差分对模型如图 12.2 所示，带状线差分对模型长度为 100 密耳，介质层为 100 密耳200 密耳26 密耳的长方体模型，其材料属性设为 FR4；差分信号线为 100 密耳6 密耳0.7 密耳的长方体模型，其材料属性为铜（copper）；差分信号线位于介质层的中央。

图 12.2 HFSS 中的带状线差分对模型

对于带状线结构的波端口激励，端口尺寸可以根据经验值确定。通常，端口宽度为线宽的8～10 倍，但同时要小于1/2 个工作波长；端口在高度方向上与带状线的上下两个参考地相接。本例中，创建与介质层前后表面相同尺寸的矩形面作为波端口激励表面。

在 HFSS 中，与背景相接触的表面会被默认设置成理想导体边界，因此，介质层的四壁被自动设置为默认的理想导体边界。这样，介质层的上下表面可以直接作为带状线的参考地，而不需要做其他额外的设置。

12.1.2 求解频率和扫频设置

高速数字信号有着很宽的频谱范围，使用 HFSS 分析此类问题时，求解频率由数字信号的上升沿时间 tr和在上升沿的采样点数 N 来确定。通常，求解频率 f = N*0.5/tr 。

另外，使用HFSS 分析此类问题时，仿真分析结果通常还需要导出 SPICE 模型用于时域分析。因此需要使用扫频分析，计算出从直流到求解频率整个频带范围内的模型特性。对于这样的宽频问题，在HFSS 中一般需要选择插值扫频类型（Interpolating Sweep），扫频频率的下限为 0Hz，上限为求解频率。我们知道，HFSS 主要用于高频问题的仿真计算，对于低频或者直流问题，HFSS 是无法直接计算的，所以在扫频时需要选中 DC Extrapolating 选项，通过外插算法推导出模型的低频特性。

本例中，流经分析对象的高速数字信号的上升沿时间 tr=330ps，为了保证分析结果的准确性，我们在信号的上升沿采样5 个点，因此求解频率需要设置为