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Ansoft
高级培训班教材
PCB
板立体布线射频特性的
Ansoft
HFSS
分析（
I
）－线间耦合
苏涛
谢拥军
编著
西安电子科技大学
Ansoft
培训中心
目录
第一章
序言
第二章
创建项目
第三章
第四章
第五章
第六章
建立几何模型
设定端口和边界
解的产生
在
Schematic
Capture
中做电路分析
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第一章
序言
随着现代电子信息科学向着小型
化、集约化方向发展，很多的电子元器件集成在
PCB
板上完成
一项或几项特定的功能。
这些元器件之间的信号依靠
PCB
板上的微带连接线传递，
而且在实际结构中不可避免地会出现拐角等
不连续性，
这些导线之间的距离也比较接近。
大
量的科研实际中发现脉冲信号在经过这些传输线传递后会出现变形，
这些形变有
时会影响到
信息传递的准确性。
另外，
由于线间距离较近，
线间的相互耦合会引起不同线路间信息的干
扰，也会加大误码率。因此，深入地研究
PCB
板上立体布线的
这些效应对于实际科研具有
非常重要的意义。
Ansoft HFSS
软件是一个很好的分析此类问题的软件
。我们知道，脉冲信号具有很宽的
频谱，
正是其射频分量在微带
线上传输时具有的分布参数效应会引起拐角反射、
线间耦合等
情
况的出现，
从而影响了信号特性的变化。
我们可以利用
Ansoft HFSS
这一有限元方法分析
的
工具研究
PCB
板上立体布线的这些射频特性，得出其宽带频谱
内的频域特性的变化，从
而研究其引起的时域特性变化。
这一手册着重研究线间耦合的射频特性，耦合微带的结构如图所示，使用
Ansoft
HFSS9.0
建模分析。
- 1
-
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第二章
创建项目
1
、打开
Ansoft HFSS 9
，并在缺省工程中点击鼠标右键，加入一个
HFSS
设计项目，见
图
1
。结果
如图
2
，屏幕主要部分自左向右依次为工程管理区（
Project Manager
）
、对象列表<
/p>
和
3D
绘图区（与对象列表一起通称为<
/p>
3D Modeler
window
）
。
< br>2
、解的类型。在菜单中选择
HFSS/Solutio
n
Type
（图
2
< br>）
，并在弹出窗口中选择
Driven
Terminal
（图
3
）<
/p>
。共有三种类型选择，
Driven
Modal
、
Driven Terminal
和
EigenMode
，
Di
ven
Modal
与
Driven
Terminal
的区别在于
S
矩阵的
表示形式不同，
前者采用入射和反射能量的形
式，而后者采用电
压和电流的形式。该工程分析后，要作为器件导出结果到
Spice
中进一步
分析，所以采用
Driven Terminal
的形式。
EigenMode
表示本征
模类型。
3
、点击工具条上存盘按钮
（图
4
）
，或在菜单中选择
Save
，第一次的时候将询问工程名
称，该工程
名字为
CoupledMicrostrip
，存盘，创建工程
完毕。
图
1
在工程中加入一个
HFSS
设计项目
图
2
HFSS
解类型
- 2 -
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图
3
选择
Driven
Terminal
类型
图
4
存储工程
- 3
-
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第三章
建立几何模型
1
、改变工程默认单位。建立不同的模型，可能需要采取不同的单位，虽然可以在模型
建立之后，
改变模型单位而保持几何量数值不变，
但在建立模型
之初就确定默认单位，
不失
一种良好的习惯。在菜单中选取
3D Modeler/Unit
，见图
5
和图
6
。将单位改为
< br>mil
。
图
5
工程单位改变
图
6 3D
Moduler/Units
窗口
2
、加入介质基片
core
。
（
1
）选择
Solids/Box
。一般有两种方法，一是在菜点中选
Draw/Box
，二是直接点击工具条
中
Box
图标，分别见图
7
和图
8
。
图
7
通过工具条加入一个
Box
- 4
-
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图
8
通过菜单加入一个
Box
（
2
）输入
Box
的位置。
（
1
）完
成后，鼠标在绘图区移动会选择不同的基点，为准确定为可
以在状态栏中直接输入
Box
的位置和大小。注意：不要在绘图区中点击鼠标，一点击鼠标<
/p>
就意味着接受鼠标点的位置设定，在没有参考的情况下，在
3D<
/p>
绘图区直接确定一个点是困
难的。将鼠标移动到屏幕右下角的状态
栏（图
9
）
，并在其
< br>X
区域双击鼠标。输入
X
，
Y
，
Z
坐标（各项
之间可以通过
TAB
键转换）
，为（<
/p>
5.0
，
-45.0
，
1.0
）
，回车。
（
3
）
< br>输入
Box
的大小。
（
2
）
完成后，
状态栏变
为图
9
所示，
输入
Box
的尺寸大小，
dx=215.0,
dy=165.0, dz=11.0
，回车。见图
10
。
图
9
状态栏变为尺寸偏移输入
图
10
输入大小
- 5 -
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（
3
）输入
Box<
/p>
的名字。
（
2
）
完成后，弹出窗口如图
11
所示。将属性栏中的名字改为
core
，
材料为
F
R4_epoxy
（此时默认是
vaccum
< br>）
，在图
12
中点击材料的
vaccum
，弹出材料设定窗
口图
13
，选
FR4_epoxy
，设定后图
12
的窗口变为图
14
所示。
图
11
属性窗口
图
12
改名字和其他属性
- 6 -
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图
13
材料设定窗口
图
14
设定材料后
（
4
）
CTRL
—
D
，显示全部物体。见图
15
。<
/p>
- 7 -
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图
15
完成输入介质基片
core
3
、输入分析空间
air
同
2
中的方法，
输入得到
一个
Box
，
基点坐标为
（
-45.0, -95.0, -70
）
，
偏移大小为
（
315
.0,
265.0, 153.0
）
，名字为
air
，材料为
vacuum
。并且将该物体透明度改为
1
，以便观
察其内的其
他物体，见图
14
所示。绘
图空间为图
15
。
图
14
空
间设定
air
，透明度设定为
1
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图
15
绘图空间
4
、输入接地板
gnd
（
1
）由于以下的大部分物体是
PEC
材质，所以首先在工具栏中改默认材料为
PEC
。见图
16
。
图
16
该默认材料为
PEC
（
2
）基点坐标（
5.0, -45.0,
6.0
）
，大小（
215.0,
165.0, 1.0
）
，结果如图
1
6
。
图
16
模型空间
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5
、输入耦合空洞
keepout
（
1
）
将坐标原点移到（
130.0, 60.0, 6.0
）
。在工具条中，选择
Offset Orig
in
建立相对坐标系
统（图
17
）
，此时
Module
窗口如图
18
，可见多了相对坐标系。下面的输入要在相对坐
标系
统中，图
19
。
< br>
图
17
建立局域坐标
图
18
Module
窗口中相对坐标系统
图
19
选取相对坐标系统输入
- 10 -
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（
2
）建立
keep
out
。
Box
基点（
0.0, 0.0,
0.0
）
，大小（
14.0,
56.5, 1.0
）
，注意其在相对坐标系
< br>中，物体名字为
keepout
，图
20
。
图
20
输入
keepout
（
3
）旋转
keepout
。
选取
keepout
（目前已经选取）
，在工具条中点击
Rotate
，弹出窗口如图
22
，输入以
Z
轴在中心，旋
转
45
度。
图
21
工具条中点击
Rotate
图
22 Z
轴为中心，旋转
45
度
- 11 -
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图
23
模型空间
（
4
）
gnd
物体中减去
keepout
。在
Module
窗口中选中两个物体
gnd
和
ke
epout
，再在菜单中
选定，图
24
。弹出窗口
25
，点击确定按钮。
图
24
gnd
物体减去
keepout
-
12 -
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图
25
substrate
弹出窗口
图
26
模型空间
6
、输入
path_t1a
（
1
）在
module
窗口中将坐标系改会
Global
。<
/p>
（
2
）在工具
条中选择
Draw Line
（图
27
）
图
27
在工具条中选择
Draw Line
（
3
）
直接在状态栏中输入
3
个点的坐标分别为
（
5
.0, -25.0, 12.0
）
（
、
125.0, -25.0, 12.0
）
< br>和
（
125.0,
80.0,
12.0
）
，各个坐标间使用
TAB
键切换输入窗口，每点输入完后按
Ent
er
。最后，在模型
显示空间中，点右键，在下拉菜单中选
Done
，见图
28
。在属性窗口中，改名字和颜色。完
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成后模型显示空间见图
29
。
图
28
完成线输入
图
29
模型显示空间
7
、输入
path_t2a
。各点坐标（
5.0, -15.0, 12.0
）
，
< br>（
115.0, -15.0, 12.0
）
，
（
115.0, 90.0,
12.0
）
。
8
、入
path_t3a
。各点坐标
（
5.0, -5.0, 12.0
）
，
（
105.0, -5.0, 12.0
）
，
（
105.0,
100.0, 12.0
）
。最
终结果
如图
30
。
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图
30
模型空间
9
、输入
trace1_1
（
1
）
trace1_
1
是
YZ
面的矩形，先在工具栏中设定
为
YZ
面，见图
31
< br>。
图
31
设定为
YZ
面作图
（
2
）在工具条中点击
Draw rectangle
图
32
工具栏中点击
Draw rectangle
（
3
）在状态栏中输入第一点（
5.0, -25.0, 12.0
）
图
33
输入矩形第一点坐标
（
4
）在状态栏中输入偏移
dy
和
dz
，分别为
5.0
和
1.0
。
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Ansoft
高级培训班教材
图
34
输入矩形偏移
dy
和
dz
（
5
）弹出矩形状态窗口如图
35
所示
图
35
矩形状态窗口
（
6
）改矩形的名字和颜色
图
36
改矩形名字和颜色
（
7
）放大矩形，模型空间如图
37
所示。
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高级培训班教材
图
37
模型空间局部显示
10
、复制
trace1_1
（
1
）选定
trac
e1_1
（
2
）在工具栏中点击按钮
Duplicate Along Line
图
38
工具栏中点击按钮
Duplicate Along Line
（
3
）在模型空间选择初始点，
图
39
选择初始点
（
4
）在模型空间选择第二点
-
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图
40
选定移动矢量的第二点
（
5
）在弹出窗口中改复制数目为
3
，确定。结果见图
42
。
图
41
改复制数目为
3
图
42
复制后结果
（
6
）也可以在单击
Duplicate Along
Line
之后，在状态栏中输入矢量原点（
0, 0,
0
）和大小
（
0, 10, 0
）
，每组输入完后按
Enter
，同样设复制数目为
3
。
图
42
在状态栏中输入复制矢量
11
、得到微带线
< br>（
1
）选定
path_t1a<
/p>
和
trace1_1
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高级培训班教材
图
43
选定
path_t1a
和
trace1_1
2
）在菜单中选取
< br>Draw/Sweep/Along Path
图
44
在菜单中选取
Draw/Sweep/Along Path
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（
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