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Home > ANSYS HFSS 教學 > 軟板彎折對SI的影響

 

本文始於2022年底，以2023R1 HFSS 3D Layout (3DL)，研究軟板彎折對SI的影響，並比較HFSS 3D與HFSS 3DL求解結果是否一致。

  1. 前言

  2. 不同曲率半徑U型內彎折 (訊號線包在裡面)

    2.1 曲率半徑0/r/3r/5r (r=0.8mm為軟板厚度)

    2.2 TDR

    2.3 S-parameter

    2.4 EMI

  3. 不同曲率半徑U型外翻折 (訊號線裸露在外面)

    3.1 曲率半徑0/r/3r/5r (r=0.8mm為軟板厚度)

    3.2 TDR

    3.3 S-parameter

    3.4 EMI

  4. 問題與討論

    4.1 為何2.2與3.2中，TDR一開始波形會振盪(ringing)?

    4.2 以HFSS 3D與HFSS 3D Layout解軟板題目會有差別嗎?

  1. 前言

    2. 曲率半徑越大的彎折，理應彎折處對SI (TDR)越不會有影響才是。

    就算考慮U行彎折後的兩平行面間的耦合，也是曲率半徑越大的彎折，由於U型彎折後兩平行面間的距離越遠，越不受彎折後結構間電容性耦合的影響。我們以HFSS 3D Layout的軟板彎折功能，來驗證模擬結果是否如我們所預期。

  2. 不同曲率半徑U型內彎折 (訊號線包在裡面)

    3. 2.1 曲率半徑0/r/3r/5r (r=0.8mm為軟板厚度)

    曲率半徑0 (沒彎折) / 0.8mm / 2.4mm / 4mm

    2.2 TDR

    曲率半徑0.8mm時，軟板彎折處的特性阻抗明顯下降(99->75ohm)；曲率半徑2.4mm時，軟板彎折處的特性阻抗受到的影響就小很多(99->97ohm)，而曲率半徑4mm時，軟板彎折處的特性阻抗幾乎不受影響(98->97ohm)。

    上圖TDR的波形為何一開始會抖動? 參考 4.1

    此例想得到以上正確結果，只能以2023R1解。

    解這題須2022R2中的beta功能"Parasolid Geometry Kernel"，其可從[Tools] \ [Options] \ [General Options] \ [Beta Options]打開，該功能在2022R2若沒啟動，本文彎折軟板解出的S參數是錯的(open)，但尷尬的是，該功能在2022R2啟動後，解同一彎折軟板會遇到網格失敗，而改以2023R1(默認已套用"Parasolid Geometry Kernel")解則完全正常。

    2.3 S-parameter

    曲率半徑0.8mm的彎折，對傳輸線loss明顯有影響(變差)。

    2.4 EMI

    想正確得到上圖的EMI結果，air box需設大一些。這點很重要，一般人要不就只需看SI但air box設太大(可能導致網格質量不佳影響到訊號線的S參數準度，且求解較耗時)，要不就要看EMI時air box設得不夠大(可能導致輻射計算失真)。

    本文的S參數與TDR的求解結果，設air box左右延伸15%，上下延伸100%即可，但若想看EMI，建議左右延伸50~100%，上下延伸300~600%。此例以看EMI的較大air box設定下，得到的S參數與TDR跟air box設較小時得到的結果幾乎是一樣的。但反之若以只看SI的較小air box設定下得到的EMI (RE)值，會偏高約15~20dB。

  3. 不同曲率半徑U型外翻折 (訊號線裸露在外面)

    3.1 曲率半徑0/r/3r/5r (r=0.8mm為軟板厚度)

    4. 曲率半徑0 (沒彎折) / 0.8mm / 2.4mm / 4mm

    3.2 TDR

    即使是曲率半徑0.8mm的軟板彎折處，特性阻抗也幾乎不受影響(99 vs. 98 ohm)。

    3.3 S-parameter

    即使是曲率半徑0.8mm的軟板彎折，傳輸線loss也幾乎不受影響。

    軟板彎折對SI的影響主要來自於彎折後引入的結構間電容性耦合。外翻式的彎折，可以排除因彎折而引入的額外寄生電容性。

    3.4 EMI

    原以為外翻彎折的EMI (RE)會比內彎折嚴重，但從模擬結果來看並沒有較差，這該如何理解?

  4. 問題與討論

    4.1 為何2.2與3.2中，TDR一開始波形會振盪(ringing)?

    Ans：本文範例中的S參數萃取頻寬只有0~25GHz，把頻寬拉高(0~45GHz)就可以改善TDR波形上看到的振盪。

    4.2 以HFSS 3D與HFSS 3D Layout解軟板題目會有差別嗎?

    Ans：不應有差別

    下圖右邊的HFSS 3D模型產生方式，是從下圖左邊HFSS 3DL內的[Layout]\[Export]\[Parasolid]，以輸入.sm3附檔名的方式輸出.x_b/.x_t，然後再從HFSS 3D內匯入該.x_b/.x_t，再重新設材料, port, air box與solution setup完成。

    2023R2從3DL輸出HFSS 3D模型有一更好方法(材料與port都有)：[Setup]按右鍵\ [Export]\ [HFSS Model]

    此例彎折軟板的模擬結果符合預期(HFSS與3DL模擬結果TDR相同)，但沒彎折的軟板以HFSS 3D解的TDR明顯較高，就算增加網格(add mesh seed for air box)，緊縮收斂條件為SDD11 0.1%，還是偏高。

    下圖淺綠色虛線是用默認的收斂設定(delta-S 0.02兩次)，淺綠色實線則是增加網格，緊縮收斂條的結果(雖有改善，但差異極有限)。

    這問題的根因不是網格品質或是HFSS求解設定，而是此例沒彎折的情況，透過3DL以Parasolid輸出的幾何結構，在與金屬層同高度的介質填充層會消失，導致傳輸線看到的C降低，而特性阻抗Zo升高。

    這是Parasolid geometry kernel輸出幾何物件遺失的問題，已在2023R2修正。

    以2023R2透過[Setup]按右鍵\ [Export]\ [HFSS Model]，或從[Layout]\[Export]\[Parasolid]重新生成HFSS 3D模型求解，都可得到正確的結果。