在高频高速信号通过连接器和 PCB 传输时,信号衰减是一个显著的问题。这是因为随着信号频率的升高,传输线的寄生电阻、电感和电容等因素对信号的影响加剧。例如,在高速数字信号传输中,信号频率可能达到数GHz,此时传输线的趋肤效应会导致电阻增大,使信号幅度不断下降。对于长距离的 PCB 布线或者使用了多个连接器的链路,信号衰减可能会累积,最终导致接收端无法正确识别信号。从物理原理上讲,信号衰减主要是由于能量的损耗。在高频情况下,电场和磁场的变化更加剧烈,传输线中的介质材料会吸收部分电磁能量,同时金属导体中的电子运动也会产生焦耳热,消耗信号能量。如下图所示,当前有一段SMA接头和PCB传输线,传统的研究整个通道的SI性能的话比较简单繁琐,即分别仿真得到各自通道的性能,然后再做分析,缺点不言而喻;而本次将演示如何将SMA头和PCB的传输线进行连接,直接查看整个通道的性能。
1. 在 HFSS 3D Layout中打开一个具有预定义 3 层 PCB 的项目,通道走线在内层即中间层,并且周边做了地孔,细节如下所示:
2. 这一步则是要在在信号走线的两端添加两个 SMA 连接器,首先我们的SMA是已经封装好的3D组件,导入步骤如下:
3. 接着选中,SMA 连接器所在文件夹,其格式为.a3dcomp,
4. 为了将 SMA 连接器移动到跟踪的末尾,最好提前一步将视图切换好了(请在 Layout 功能区上选择 Orient -> Top),将鼠标悬停在信号迹线的末端,直到光标捕捉到迹线的末端(光标变为三角形),然后将连接器放在此位置,重复在信号线的另一端添加第二个连接器
5. 调整连接器的属性突出显示其中一个 SMA 并检查“属性”窗口,选择“Footprint”选项卡,并确保每个组件都放置在 L1 层上
6. 定义端口配置激励
选择其中一个连接器的端口,右键单击并选择端口 -> 创建端口
7. 添加 HFSS 解决方案设置
项目树中,右键单击 Analysis 并择 Add HFSS Solution Setup....-> Auto,设置频率扫描参数,扫描类型:插值法,扫频范围0 GHz开始2 GHz停止,步长:0.01 GHz
8. 仿真计算之前必须要验证和分析要验证项目,请单击功能区中的“Validate”图标,并选中“Analyze”选项卡
9. 查看结果
选择得到整个通道的插损和回损性能
最后,本次演示了如何在 HFSS 3D Layout中集成 3D 组件和 PCB的连接以及性能研究,简洁高效。ANSYS HFSS 3D Layout 作为连接器(MCAD)+PCB(ECAD) SI分析的最佳拍档不仅能够支持其他主要电子计算机辅助设计(ECAD)系统生成的各种布局格式,结合各类连接器(MCAD)模型使用 HFSS 求解器进行分析;而且还支持参数化分析与优化:可以对诸如走线宽度等几何参数进行轻松参数化设置,并利用集成在 HFSS 3D Layout 界面内的 Ansys Optimetrics 工具进行优化。这有助于设计师快速探索不同设计参数对电路性能的影响,从而找到最优的设计方案。
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