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This article was released on 2013, and revised on 2017 with R18 HFSS. It is intended to introduce how to use HFSS lump port, lumped RLC, PML outer boundary, and plot different results as S₁₁, Z₁₁, Smith chart, 3D far field, EMI, TDR, etc.

本文始於2013，並於2017修訂部分內容。旨在學習Lump port、Lumped RLC、PML (Perfectly Matched Layer理想吸波材)的使用，看3D far field radiation場型，與看TDR時的模擬頻寬對結果的影響(4.9, 5.5)。

1. Get Started

2. Create 3D Model and Lump Port Excitation

3. Analysis Setup

4. Create Reports

   4.1 Solution Data

   4.2 S-Parameter (S₁₁)

   4.3 Z-Parameter (Z₁₁)

   4.4 Smith Chart

   4.5 3D Polar Far Field

   4.6 Current Return Path

   4.7 Emission Test Report

   4.8 Field Overlay

   4.9 TDR

5. 問題與討論

   5.1 此例如果改成wave port，該怎麼做? 結果是否相同?

   5.2 Step 2.5若把air box，從PML改成Radiation boundary，有何差別?

   5.3 Segmented plane對TDR貢獻的效應是凸還是凹? 為何穩態沒有回到50 ohm?

   5.4 如果把傳輸線下方的地分割槽補起來，3D far field radiation、current return path、 TDR有何不同?

   5.5 如果HFSS內直接看TDR，跟Designer內看TDR的結果不同，是什麼原因?

   5.6 在step2.4中，air box的大小取1/4波長(for PML)或1/10波長(for radiation)，其波長是以何頻率點計算?

1. Get Started 

Please refer to Stripline Differential Pair step1, but select [Modeler Units] as "cm".

2. Create 3D Model 

目標是模擬線寬W=3mm、線長13.6cm的microstrip line，跨過6mm寬、4cm長的橫切segment，此時的3D輻射場狀態與特性阻抗(TDR)。為了模擬加速，此例忽略傳輸線的實際厚度，僅以PerfectE的boundary condition來表示trace。

2.1 假設各位讀者對於3D modeler都已經夠熟悉，在建模的步驟上僅重點提示

Ground plane與trace都是畫sheet，然後用[HFSS] \ [Boundaries] \ [Assign] \ [PerfectE]，指定其邊界條件

2.2 傳輸線的一端，畫一小塊sheet，re-name as "source"，指定Excitation為lump port

[HFSS] \ [Excitations] \ [Assign] \ [Lumped Port]

2.3 傳輸線的另一端，畫一小塊sheet，re-name as "resistor"，指定boundary為lumped RLC的47 ohm resistor，並指定電流方向

[HFSS] \ [Boundaries] \ [Assign] \ [Lumped RLC]

電流方向在指定reference plane與source電壓正負(Edit Source)時就已經決定，所以這裡R上的的電流積分線方向， 只是決定積分路徑，就算是反過來也不會影響模擬結果。

2.4 設Free space (air box)

Free space的大小，其實官方有建議：此例for PML我們取2GHz的l/10約1.5cm

PML (Perfectly Matched Layer)比起radiation boundary能吸收較大角度的輻射波，所以如果是做輻射較強的設計分析(如天線)，建議用PML

2.5 設PML (Perfectly Match Layer)

Select the air box first, then

[HFSS] \ [Boundaries] \ [PML Setup Wizard]

PML的厚度若要可調，請在此步驟中，把[Uniform Layer Thickness]設變數即可

     Uniform Layer Thickness取多少，可以按[Use Default Formula]得到建議值

Minimum Radiation Distance要取多少，可以按[Use Default Formula]得到建議值

2.6 Radiation Setup

Edit \ Select \ Faces

Edit \Select \ By Name, select all faces of "air"

[HFSS] \ [Radiation] \ [Insert Far Field Setup] \ [Infinite Sphere]

必須先有radiation boundary或PML，才有辦法建立Radiation Setup，這指的是3D far field plot會以怎樣的角度觀察場

若Theta改成只設0~180 deg，3D polar plot看來沒變化，那只是tool沒更新，請重畫一次3D polar plot即可

3. Analysis Setup 

3.1 Add Solution Setup

[Enable Iterative Solver]意指當[Order of Basis Functions]選擇[Zeroth Order]以外的選項時，幫你判斷是否可以用next lower-order來做。建議選[Mixed Order]，加 [Enable Iterative Solver]，在多數的情況會 節省記憶體與加快模擬速度

[Enable Use of Solver Domains]是分散式處理(DDM)才用的

3.2 Add Frequency Sweep

當Frequency Sweep從0Hz開始，且Sweep Type不是選[Discrete]時，就會出現[DC Extrapolation]可以外插出低頻的S參數特性

3.3 Run Analysis

HFSS \ Validation Check

HFSS \ Analyze All

4. Create Reports

4.1 Solution Data 

[HFSS] \ [Results] \ [Solution Data]

4.2 S-parameter (S₁₁) 

[HFSS] \ [Results] \ [Create Terminal Solution Data Report] \ [Rectangular Plot]

4.3 Z-parameter (Z₁₁) 

[HFSS] \ [Results] \ [Create Terminal Solution Data Report] \ [Rectangular Plot]

如果我們選mag來看Z₁₁，則結果如下：mag=(re^2+im^2)^0.5

4.4 Smith Chart 

[HFSS] \ [Results] \ [Create Terminal Solution Data Report] \ [Smith Chart]

4.5 3D Polar Far Field 

[HFSS] \ [Results] \ [Create Far Fields Report] \ [3D Polar Plot]

4.6 Current Return Path 

Select the ground plane and trace both first.

[HFSS] \ [Fields] \ [Plot Fields] \ [J] \ [Mag_Jsurf]

可以看出電流在傳輸線上，經過不連續的地後，明顯衰減

4.7 Emission Test Report 

如果要得到far field，在step3.2的add frequency sweep必須選[Discrete]，才可選[Save Fields (All Frequencies)]

這是因為[Interpolating]為了求解速度，sweep frequency求解過程中，並沒有存場

[HFSS] \ [Results] \ [Create Far Fields Report] \ [Rectangular Plot] (這是看radiation plot)

[HFSS] \ [Results] \ [Create Emission Test Report] \ [Rectangular Plot]

代表一個1V的AC訊號(可從Edit Source指定)，從source打出0 Hz掃到2.5GHz時，1M遠場量到的dBuV。此例對於一個0.8GHz以上的訊號，即有很強的遠場輻射

4.8 Field Overlay 

Edit \ Select \ By Name (board)

HFSS \ Fields \ Plot Fields \ E \ Mag_E

Edit \ Select \ By Name (ground and trace)

HFSS \ Fields \ Plot Fields \ Other \ Vector_Jsurf  (電流分佈A/m)

Edit \ Select \ By Name (ground)

HFSS \ Fields \ Plot Fields \ Other \ Vector_RealPoynting  (能量分佈W/m^2)

4.9 TDR 

[HFSS] \ [Results] \ [Create Terminal Solution Data Report] \ [Rectangular Plot]

本題一開始的求解頻寬只到2.5G，如果要看TDR必須將求解頻寬最少延伸到25GHz。refer to 5.5

5. 問題與討論

5.1 此例如果改成wave port，該怎麼做? 結果是否相同? 

Ans：取一個適當大小的sheet當wave port，且此例的wave port因為是internal wave port，所以外側要加一個[pec]導體。

檢查S₁₁的模擬結果，與step4.2的模擬結果相比， 幾乎相同

檢查TDR的模擬結果，與step4.9的模擬結果相比，幾乎相同

5.2 Step 2.5若把air box，從PML改成Radiation boundary，有何差別? 

Ans：改成Radiation boundary的同時，也將air box擴張到離object 3cm。場型與step4.5幾乎相同，最大強度則略小(7.28->6.78e+02 mV)

5.3 Segmented plane對TDR貢獻的效應是凸還是凹? 為何穩態沒有回到50 ohm? 

Ans：因為不連續的return path增加了loop inductance，所以從step4.9的TDR結果可以看出凸起的(寄生電感)效應很大；又本例的傳輸線是以47 ohm終端，所以TDR的穩態值回到47 ohm。

5.4 如果把傳輸線下方的地分割槽補起來，3D far field radiation、current return path、 TDR有何不同? 

Ans：S₁₁在-15dB以下，比step4.2明顯改善，且可看出 週期性諧振頻點(與線長有關)

3D far field radiation輻射強度約少一個scale

可以看出電流在傳輸線上傳遞，沒有明顯衰減

TDR看出此例的傳輸線特性阻抗大約是40 ohm

Emission Test Report：對於一個2.3GHz以上的訊號，才有 較強的遠場輻射，與step4.7相比，1G~2.3GHz輻射強度降低約20dBuV

5.5 如果HFSS內直接看TDR，跟Designer內看TDR的結果不同，是什麼原因? 

Ans：這是使用者常問的問題，主要原因在於不知道HFSS與Designer計算TDR採用的技術不同，如果是用HFSS直接看TDR，那model extraction的有效頻寬要是原本的3~4倍。

舉例來說，若取Tr of Rising edge =20ps透過Designer觀察TDR，那Designer所使用的SNP model(S-parameter model)萃取時取0.5/Tr=25GHz的頻寬即可得到理想的結果。但如果同樣的題目想直接在HFSS內看TDR，由於HFSS並不是像Designer直接打step function透過暫態分析得到TDR，而是透過IFFT(反快速傅立葉轉換)得到TDR，所以此時的取樣頻點要夠多結果才會正確，一般建議在Tr的時間寬度內至少有3~4個取樣頻點，整個掃頻的頻寬取75~100G，如下圖所示。

為了節省模擬時間， 一般建議透過Designer看TDR。

在Designer內看TDR時，待測物模型的萃取頻寬只要大於0.5/Tr，結果會是幾乎一樣的。也就是只要模型的頻寬夠，固定Tr下看到的TDR是相同的。但在HFSS內看TDR時，待測物模型的萃取頻寬取0.5/Tr與4*0.5/Tr，即使Tr固定，一些例子會發現結果有明顯差異。

以下是HFSS HELP內的相關說明

5.6 在step2.4中，air box的大小取1/4波長(for PML)或1/10波長(for radiation)，其波長是以何頻率點計算? 

Ans：請注意這1/10波長(for radiation)的"波長"，指的並不是掃頻最高頻點所換算的波長，而是求解題目中，會引起輻射的結構自振頻率(容易產生輻射的頻點)。

一般的PCB設計，由於傳輸線下方都緊鄰著參考平面，所以PCB或傳輸線本身並不是一個很好的輻射天線，此時air box大小對HFSS求解影響很小。但如果是patch antenna、沒有參考平面的單獨電感"線圈"，或下方有slot的傳輸線，其結構本身是一個輻射天線，此時air box的大小就會對求解結果有很明顯的影響。

這就是為什麼大多數SI的應用，air box size沒特別講究，也很少出事，但antenna的應用，air box size設不夠大就很容易出事。