HFSS 3D LAYOUT 用户手册

2023年12月25日发(作者：)

用户手册

ANSYS CHINA

HFSS 3D LAYOUT

目录

手册说明........................................................................................................................................... 4

(一)

1.1

1.2

(二)

2.1

2.2

2.3

2.4

2.5

2.6

2.7

(三)

3.1

3.2

3.3

3.4

3.5

3.6

(四)

4.1

4.2

4.3

4.4

4.5

4.6

(五)

5.1

5.2

第一章HFSS 3D LAYOUT概述 .................................................................................. 4

什么是HFSS 3D LAYOUT ....................................................................................... 4

HFSS 3D LAYOUT与HFSS对比一览 ................................................................... 4

第二章HFSS 3D LAYOUT界面 .................................................................................. 6

整体布局 ....................................................................................................................... 6

Project Manager窗口 ............................................................................................ 7

Layout Edit窗口 ....................................................................................................... 8

Layers窗口 ................................................................................................................. 9

Components窗口 .................................................................................................. 10

Nets窗口 .................................................................................................................. 11

Properties 窗口 ...................................................................................................... 12

第三章HFSS 3D LAYOUT模型导入与修改 ............................................................ 14

PCB导入与切割 ........................................................................................................ 14

Layer Stack修改 ..................................................................................................... 15

过孔和焊盘的修改 ..................................................................................................... 16

建立新的Layout元素 ............................................................................................. 18

使用参数化变量 ......................................................................................................... 18

在HFSS 3D LAYOUT中使用S参数模型 ............................................................ 20

第四章HFSS 3D LAYOUT边界条件与端口 ............................................................ 23

空气盒子与辐射边界 ................................................................................................. 23

Layer Stack中的边界条件设置 ............................................................................. 24

HFSS 3D LAYOUT端口概述 ................................................................................. 25

Edge类型端口设置详解 .......................................................................................... 27

同轴类型端口设置详解 ............................................................................................. 32

Circuit端口设置 ....................................................................................................... 35

第五章HFSS 3D LAYOUT求解设置 ........................................................................ 37

Analysis Setup详解 .............................................................................................. 37

Mesh方法设置 ......................................................................................................... 42

5.3

(六)

6.1

6.2

6.3

6.4

6.5

(七)

HPC并行计算设置 ................................................................................................... 43

第六章HFSS 3D LAYOUT结果查看与后处理 ........................................................ 45

查看仿真状态 ............................................................................................................. 45

显示电磁场和网格 ..................................................................................................... 46

设置差分对 ................................................................................................................. 48

查看和导出S参数 .................................................................................................... 48

S参数质量检查 ......................................................................................................... 50

第七章HFSS 3D LAYOUT操作实例视频 ................................................................ 53

手册说明

本手册旨在为具备一定电磁场理论基础和HFSS使用经验的用户， 提供HFSS

3D LAYOUT的使用说明。一些非HFSS 3D LAYOUT独有的概念与技术细节（如Wave

Port，求解频率等），在本手册中未能尽述，需要阅读者额外查询HFSS和电磁场理论等相关书籍

本手册所使用的软件版本为R17.0，其它版本可能会与本手册中的描述略有不同。

(一) 第一章HFSS 3D LAYOUT概述

1.1 什么是HFSS 3D LAYOUT

HFSS 3D LAYOUT是ANSYS公司推出的专门用于PCB和封装的全波三维电磁场仿真工具，其计算过程完全基于业内领先的电磁仿真软件HFSS的有限元算法内核，同时全新提供了EDA风格操作界面和仿真设置流程，更加符合LAYOUT行业的操作习惯，能够显著提升PCB与封装仿真的设置和求解效率。

在HFSS 3D LAYOUT中，具备LAYOUT工具中的层（Layer），网络属性（NET）等概念。物体的分类不是按照材料属性划分，而是按照与LAYOUT工具一致的类型进行划分，这些类型包括过孔（Via），走线(Trace)，平面(Plane)和焊盘（Pad）等。使用者可以根据这些属性和分类不同，分门别类地进行显示/隐藏控制及操作修改。除此以外，由于PCB结构的规整性，HFSS 3D LAYOUT中端口（Port）的建立流程也极为简便，大部分时候用户只需在要建立端口的位置，选中相应结构的边缘，即可直接生成端口。

HFSS 3D LAYOUT中引入了一些新的针对LAYOUT的仿真设置，如Phi mesh，多个求解频率点（Solution frequency），走线横截面形状控制等，让用户可以更为自由地进行控制。对于只熟悉HFSS的老用户而言，还可以直接将HFSS 3D

LAYOUT仿真项目导出成普通的HFSS仿真项目，并在HFSS中进行仿真对比。

总而言之，HFSS 3D LAYOUT在确保仿真精度与HFSS一致的同时，很好地弥补了HFSS在PCB与封装仿真项目上操作便利性上的不足，能够为用户带来良好的仿真体验。

1.2

HFSS 3D LAYOUT与HFSS对比一览

HFSS 3D LAYOUT HFSS

核心算法

主要应用

网格形状

建模方式

网格划分方法

界面风格

参数化

电气信息

端口生成

求解类型

有限元

PCB与封装电磁仿真

四面体

导入Layout文件

针对PCB特点的Phi mesh

EDA风格

有限元

任意结构电磁仿真

四面体

导入或直接建模

通用方法

CAD风格

导入的PCB元素支持参数化 导入模型不支持参数化

保留

智能生成

Driven Terminal

不保留

手工绘制

Driven Terminal和Driven Modal

完备

不保留

通过边界条件有限支持

不可转换为HFSS 3D Layout项目

复杂

支持一个求解频率

支持插值，离散和快速三种

按形状和材料属性分类

较大

电磁场后处理功能 基本

器件信息 保留

是否支持RLC器件 支持

相互转换

边界条件设置

求解频率

扫频方式

物体分类

工程文件大小

可以转换为HFSS项目

简单

支持多个求解频率

支持插值和离散两种

按电气类型分类

紧凑

(二) 第二章HFSS 3D LAYOUT界面

2.1 整体布局

双击Windows桌面上的ANSYS Electronics Desktop图标（图2.1.1），打开Electronics Desktop界面。注意到此时，软件会默认新建一个空白的项目，然后在最上方菜单栏处，点击Project->Insert HFSS 3D Layout Design（图2.1.2），即可在当前项目中插入一个空白的HFSS 3D LAYOUT仿真设计

图2.1.1

HFSS 3D LAYOUT的整体界面如图2.1.3所示，主要窗口包括项目管理窗口（Project Manager）, 属性窗口（Properties）,叠层显示控制窗口（Layers）,器件管理窗口（Components）,网络显示窗口（Nets）,消息窗口（Message Manger），仿真进展窗口（Progress）和各项快捷方式按钮。其中，Message Manger窗口主要用来反馈仿真过程中的各种信息，如一些警告或者错误提示等.Progress窗口主要显示当前仿真所处的进度位置，如网格划分阶段或者扫频阶段等。其他几个窗口的具体内容会在后面详述。

用户可以拖拽各个窗口，将其放置在不同的位置。也可以点击菜单栏中的View,然后在下拉菜单中的各项窗口名称前打勾（图2.1.4），从而控制某项窗口的显示与否。如果用户不小心将HFSS 3D LAYOUT的窗体布局搞得过于混乱，那图2.1.2 插入新的HFSS 3D LAYOUT仿真设计

么还可以通过菜单栏中View->Window Layouts->Default来恢复默认窗口布局。

图2.1.3 HFSS 3D LAYOUT中主要窗口名称

图2.1.4 控制各项窗口的显示/隐藏

2.2 Project Manager窗口

Project Manager窗口的功能是对各类仿真项目进行设置和管理。在R17版本中，ANSYS Electronic Desktop集成了HFSS，Q3D，HFSS 3D LAYOUT，Designer，2D Extractor, Maxwell，RMxprt和Simplorer等电磁场与电路模块，全面覆盖了从高频到低频，功率到信号，器件到系统等不同层次的仿真需求。对于HFSS

3D LAYOUT仿真项目，其在Project Manager中的树状图如图2.2.1所示。

图2.2.1 HFSS 3D LAYOUT的树状结构图

树状结构中各主要项作用如下

Circuit Elements: HFSS 3D LAYOUT支持RLC器件和S参数器件，Circuit

Element是对这些器件的管理。

Boundaries: 空气盒子与辐射边界设置

Excitations:端口与激励相关属性的设置

Analysis:设置仿真选项与扫频

Optimetrics:参数优化与扫描

Results:各种仿真结果显示，如S参数

Field Overlays:求解域内部的电磁场与网格显示

Far Fields:近场和远场显示

2.3 Layout Edit窗口

Layout Edit窗口（图2.3.1）显示整个PCB的形状，默认是自上而下的视角，用户通过这个界面可以完成视角的变化和物体的选中

图2.3.1 Layout Edit窗口

旋转视角：按住Alt键和鼠标左键，然后移动鼠标。

平移视角：按住Shift键和鼠标左键，然后移动鼠标。

放大/缩小视角：按住Alt，Shift和鼠标左键，然后移动鼠标。

恢复默认视角：点击右键菜单View->Reset Orientation

放大叠层显示厚度：右键菜单View->Stretch Z

显示模式：有三种显示模式，default, sketch和solid.可以通过鼠标右键菜单View->Display mode进行设置。其中sketch模式下，PCB上的各元素将只显示轮廓边缘，default下PCB各个元素将显示实体，但是实体之间会有透视效果。Solid模式下PCB各个元素将显示实体，且实体之间无透视

选择物体：鼠标左键点击物体本身。

选择Edge：先在右键菜单中选择Select Edge，然后鼠标左键点击要选中的Edge。

框选：按住鼠标左键，拖动鼠标画出矩形框，框内物体都会被选中

循环选择：当出现多个物体重叠在一起时，比如器件与焊盘，会难以选中位于下方的物体。此时可以先选中其中一个物体，然后按字母键B，即可对重叠在一起的物体进行循环选择，直到选中要选中的物体为止。

放弃所有选中物体：同时按Ctrl，Shift和字母键A

2.4 Layers窗口

Layer窗口的第一个作用是控制不同层上各元素的显示/隐藏。在图2.4.1的红色方框内，共有6个图标，分别用来控制相应层不同元素的显示/隐藏。按从左到右顺序依次是所有元素，Plane，走线，焊盘，过孔和器件，用户可以进行相应的勾选，以便更好的查看PCB。

Layer窗口的第二个作用是设置哪一层为active状态。当需要新建立元素时，新建立的元素将会被默认放置在active的层上。修改active的层只需点击图2.4.2中红色方框内的相应圆点即可

图2.4.1通过Layers窗口显示/隐藏PCB元素

图2.4.2修改层的Active状态

2.5 Components窗口

HFSS 3D LAYOUT在导入PCB时会同时导入器件信息。Components窗口的主要作用是修改器件的属性，包括修改器件本身的类型和设置RLC器件的模型。

如果要修改器件本身的类型，可以在Components窗口中选中相应器件，然后在右键菜单Type中进行修改

在HFSS 3D LAYOUT中，可以直接考虑RLC器件的效应，使得对电源网络阻抗或有串联电容的高速链路的仿真变得非常容易。以电容器件建模为例，在Components窗口中选中一种电容，在右键菜单中选择Model，进入如图2.5.2所示的菜单。可以看到，HFSS 3D LAYOUT中提供给了三种建模方法，分别是RLC

network，S parameter model和Library。

RLC network：这种方法是默认方法，用户可以为电容设置一阶RLC模型，其中RLC之间的关系可以设定为串联或者并联。

S parameter:

为电容指定一个S参数模型，请注意该S参数需要是在串联图2.5.1修改器件类型

模式下测量得到的两端口S参数文件，并且其数据频率范围需要完全覆盖仿真的扫频范围。有时候，由于PCB切割的原因，某些电容器件可能只有一个引脚，这种电容不要赋予S参数模型，否则会报管脚数目不匹配的错误。

Library:从HFSS 3D LAYOUT自带的电容库中选择一种电容，同样需要注意的仿真扫频范围不要超过库模型本身的数据频率范围。

从仿真的准确性角度而言，应该尽量选择S参数模型或者Library模型。

图2.5.2 电容器件建模

2.6 Nets窗口

Nets窗口的主要作用是控制不同网络的显示/隐藏。只需先选中网络，然后在右键菜单中进行选择即可（图2.6.1）

图2.6.1 Net的显示与隐藏

2.7 Properties 窗口

HFSS 3D LAYOUT中对物体的修改基本上都是基于属性设置来完成的，因此Properties窗口在HFSS 3D LAYOUT中是非常重要的。任意选中一个物体，在Properties窗口中都会出现该物体独有的各种属性。以走线为例，其属性窗口如图2.7.1所示,包括了走线的宽度（LineWidth）,所在层（PlancementLayer）,拐角类型（BendType），终端类型(CapType)，总的线长（TotalLength）和各关键点坐标（Pt0,Pt1,Pt2）。其中一些参数是允许用户修改（如走线宽度），另外一些参数是软件自动计算得到的（如总的线长）。用户在Value中填入的信息除了数值外，也可以填入变量。通过对这些变量的参数化扫描和优化，能够帮助用户找到最佳设计尺寸。

有些物体，比如Port，其属性窗口可能包括多个页面（图2.7.2）,每个页面可以查看或设置不同类型的信息。

总而言之，HFSS 3D LAYOUT的建模理念和HFSS有很大不同，用户不需要自由地绘制各种图形。因此当用户希望对某PCB元素进行修改的时候，请务必先查看属性窗口中是否有提供相应的方法。

图2.7.1 走线的属性窗口

图2.7.2 包含3个页面的Port属性窗口

(三) 第三章HFSS 3D LAYOUT模型导入与修改

3.1 PCB导入与切割

以导入Allegro版图文件为例，点击菜单File->Import->Cadence

APD/Allegro/Sip, 选中一个.brd文件，点击确定，稍等便可便会弹出如图3.1.1所示界面。在这个界面中用户可以选择要导入的网络，如果要导入那没有网络属性的金属，请选择Import Dummy Net。在这个界面中，有Setup ports选项，请不用勾选。

当PCB导入成功之后，出于提供仿真效率的需要，一般需要对PCB进行切割。点击菜单Layout->Cutout Subdesign，进入图3.1.2所示菜单。在这个菜单中，用户可以选择要被保留的网络。一般来说，要保留的信号网络建议仅勾选Include，而要保留的电源地网络建议还要勾选Clip at extents。然后点击Auto

Generate Extent按钮进入图3.1.3所示界面，来自动生成切割边界（Extent）.用户可以通过调整界面中的Expansion和Corner style来控制extent的大小和拐角形状。Extent的生成规则是，extent会将仅勾选了include了网络全部包含在内。在图3.1.3界面点击OK后，会在Layout Edit界面上生成extent的形状供查看并返回上一层界面。如果extent的大小没有问题，那么再点击OK，软件即会开始切割PCB并将切割后的PCB单独生成一个HFSS 3D LAYOUT Design.

切割的时候,extent内的所有被勾选了include的网络会被保留。这样最终切割效果就是信号网络（仅勾选了include）会全部保留，电源地网络（还勾选了Clip

at extents）则仅保留extent内的。

图3.1.1 选择导入网络

图3.1.2 选择切割后保留的网络

图3.1.3 选择切割后保留的网络

3.2 Layer Stack修改

点击菜单Layout->Layers，可以进入叠层修改菜单（图3.2.1）。主要需要修改的是各层的材料和厚度。金属层有一项额外的属性Dielectric Fill，其含义是指定该层上没有金属的地方是何种介质。如果将来需要多次用到同样的叠层配置，可以通过图3.2.1界面中的菜单Stackup->Import XML/Export XML来复用

叠层设置。

图3.2.1 叠层设置

3.3 过孔和焊盘的修改

过孔和焊盘的修改主要通过Padstack设置来完成。选中任意焊盘或者过孔，在Properties窗口中点击Padstack Definition属性，然后选择要修改的Padstack，进入图3.3.1所示的菜单。

在图3.3.1的菜单中，用户可以修改的包括各层焊盘的形状尺寸，反焊盘的形状尺寸。可以修改过孔的形状，材料和实心率。能够定义焊盘上的需要生成solder ball及其形状。

通过Padstack的Properties窗口，用户还可以设置背钻（Backdrill）的起始位置，如图3.3.2所示。

图3.3.1 Padstack设置

图3.3.2 过孔的Backdrill设置

3.4 建立新的Layout元素

在HFSS 3D LAYOUT中可以新建LAYOUT元素一般通过Draw->Primitive和Draw-Via来完成（图3.4.1）其中Line用于走线， Via用于新建过孔,其他几项用于新建各种形状的平面。新建立的元素会被放置在Active的层上。

图3.4.1 新建立各种LAYOUT元素

3.5 使用参数化变量

HFSS 3D LAYOUT同样支持参数化，即用变量来表示属性的值。一般来说，如果该属性是数值，那么即可使用变量。如图3.5.1为例，将走线宽度改为变量width。

图3.5.1 将走线宽度改为变量width

当在图3.5.1中的Linewidth一栏输入变量width，便会弹出图3.5.2所示对话框，在该对话框中可以设定变量的单位和默认值

设置变量最大的作用在于可以使用优化功能，在Project Manager窗口中，右键点击Optimetrics， 然后选择Add->Parametric，新建一个参数扫描分析。在弹出的图3.5.3所示对话框，定义变量width的扫描范围和步进大小

图3.5.2 设定变量width的单位和默认值

图3.5.3 设定变量width的参数扫描范围和步进大小

3.6 在HFSS 3D LAYOUT中使用S参数模型

如果仿真的链路中包含多端口无源器件，那么HFSS 3D LAYOUT允许用户使用S参数模型（也称为N-Port model）直接进行建模，并在做电磁仿真时考虑其效应。这项功能避免了过去对无源器件建模必须在器件管脚处建立Port,然后在电路工具中再考虑器件S参数模型的繁琐。

首先在Project Manager中的Circuit Elements右键菜单中选择Add

Nport Model，然后再弹出窗口（图3.6.1）中选择S参数文件并定义模型名称。

在图3.6.1中点击OK后，便可看到S参数文件以一个Nport Model器件的形式(图3.6.2)出现在HFSS 3D LAYOUT中

图3.6.1 通过Create new按钮新建一个Nport Model

Port1Port3Port2Port1Port2Port3Port4

图3.6.2 通过Create new按钮新建一个Nport Model

下面要做的是将该Nport Model的各个端口与PCB上相应位置连接起来。这里需要注意的是，Nport Model的端口只能和PCB上的Edge进行连接。为了完成这个目的，需要如下操作：

 在PCB上任意空白处单击右键，在右键菜单中选择Unselect All,确保没有选中任何物体。

 在右键菜单中选择Select模式，点击Nport Model的一个端口。如果在属性窗口中看到的第一项属性是Type，并且值为Port Instance（图3.6.3），表示选择成功，此时还可以在LAYOUT EDITOR界面中看到该端口是高亮显示的。但是有时候，会发现选中的并不是端口，而是整个Nport Model器件，此时会看到该器件本身为高亮显示，并且属性窗口中的第一项是CoSimulator。如果出现这种情况，请按快捷键B，便可进行循环选择，直到选中该端口为止

图3.6.3 选中Nport Model的一个端口后,属性窗口中的内容

图3.6.4 选中Nport Model本身后,属性窗口中的内容

 然后在右键菜单中选择Select Edges模式，并按住Ctrl不放（这样才

可以保持Nport Model端口本身始终处于选中状态），在PCB界面上点击要连接的Edge。

 点击菜单中Draw->Connection（快捷键Ctrl+W），完成该端口和Edge的连接。在LAYOUT EDITOR界面上可以看到连接效果如图3.6.5所示。

图3.6.3 完成端口和PCB的连接

(四) 第四章HFSS 3D LAYOUT边界条件与端口

4.1 空气盒子与辐射边界

在HFSS 3D LAYOUT中，空气盒子及其上的辐射边界默认便是存在的，不用专门添加。默认情况下，空气盒子是不显示的，用户可以通过点击菜单栏Layout->Draw HFSS Air Box，来在Layout EIDT窗口中显示空气盒子的具体形状和大小。图4.1.1展示了隐藏/显示空气盒子的情况下，HFSS 3D LAYOUT中的显示效果。

用户如果要修改空气盒子的设置，可以点击菜单栏HFSS 3D Layout->HFSS

，会弹出图4.1.2所示的界面。该界面中的各项主要设置意义如下：



Use radiation boundary:是否在空气盒子表面使用辐射边界。如果选否，那么空气盒子表面是PEC。



Type: 空气盒子的形状类型，Bounding Box表示长方体，Conformal表示与PCB形状一致。



Dielectric下的 Horizontal：表示PCB上的介质层向外的扩展因子。当这个值为无单位的数字时，表示的是按比例扩展。比例基准为原始PCB尺寸在X，Y这2个方向上较大那个值。当这个值为带单位的数字时，表示的是扩展的绝对长度。另外，扩展的形状受前述参数Type控制。



Airbox下的Horizontal：控制空气盒子的表面在X，Y方向离PCB有多远。当这个值为无单位的数字时，表示的是按比例设置距离。比例基准为介质层扩展后的PCB尺寸在X，Y这2个方向上较大那个值。当这个值为带单位的数字时，表示的是绝对长度。



Vertical Positive和Negative:分别控制空气盒子的上下表面离PCB有多远。当值为无单位的数字时，表示的是按比例设置距离。比例基准为介质层扩展后的PCB尺寸在X，Y这2个方向上较大那个值。当这个值为带单位的数字时，表示的是绝对长度。如果Sync选项被选中，那么Negative无需填写，将等于Positive的值

图4.1.1 左图为空气盒子为隐藏状态，右图则显示了空气盒子

图4.1.2 空气盒子设置

4.2 Layer Stack中的边界条件设置

在Layout Stack中对边界条件的设置都位于Analysis区域（图4.2.1）,包括Etch, Rough和Solver三部分.对每一个金属层，都可以分别指定这三项设置。其具体意义如下

图4.2.1 Layer Stack中的边界条件设置（红色方框内）



Etch:控制本层的走线横截面形状。



Rough:设置本层的金属表面粗糙度。



Solver:控制HFSS 3D LAYOUT在低频时对本层金属的处理方法。推荐使用DC

thickness并设置为Effective，可以在只使用面网格的情况下准确计算金属的低频损耗（图4.2.2）

图4.2.2 Solver中的DC thickness设置

4.3 HFSS 3D LAYOUT端口概述

HFSS 3D LAYOUT中，端口类型按照外形划分，主要可以分为三种，分别是Edge类型端口，同轴类型端口和Circuit端口。其中Edge类型端口主要用于走线，矩形焊盘位置的端口设置。同轴类型端口主要用于Solder ball和圆形焊盘等位置的端口设置。Circuit端口主要用于与集总器件或者S参数模型进行连接。

在端口的建立方法上，HFSS 3D LAYOUT和HFSS有很大区别。HFSS中一般要求用户自己绘制端口的形状，然后定义为Wave Port或者Lumped Port，因此在PCB这种仿真项目中建立端口的时候，用户必须计算叠层之间的距离以保证端口

的边缘正好和PCB的上下叠层对齐，导致操作比较繁琐。在HFSS 3D LAYOUT中，用户不再需要绘制端口面的形状，而是基于选择和设置的方法，完成端口建立，能够节约很多操作。

当一个Port建立好之后，点击此Port，在属性窗口中会有EM Design页（图4.3.1），该页中的信息是Port的各项电磁属性，用户可以根据需要对Port的类型，大小，参考面等进行调整，是HFSS 3D LAYOUT中对端口进行设置的主要页面。（该页中的属性内容会根据Port类型的不同而不同，如尺寸这项参数不会出现所有Port类型中）

HFSS 3D LAYOUT中的Edge类端口和同轴类端口是按照外形划分的，但是从本质上来讲，他们都属于HFSS中的Wave Port或者Lumped Port。因此，对于追求仿真精度的用户，必须首先对HFSS中的这两种端口有足够了解，然后在HFSS

3D LAYOUT中设置端口的时候也要时刻考虑到在具体场景下，到底是哪种端口更合适。

如果用户要修改端口类型，那么可以点击在图4.3.1中的HFSS Type参数，根据Port具体位置的不同，可能会出现Gap，Wave或者Circuit等选项。其中Gap就是Lumped Port, Wave表示Wave Port， Circuit则表示Circuit端口。修改之后，用户应该可以看到端口的外形会发生变化（图4.3.2）。可以看出来Wave的端口会大不少。另外一个需要注意的时候，由于HFSS有限元内核要求Wave Port在位于求解区域内部时，必须在背面覆盖一层PEC以确保传播方向正确。因此HFSS 3D LAYOUT会自动在内部的Wave端口背面覆盖一层PEC，用户可以在EM Design属性页中修改该PEC的厚度。

图4.3.1 Port各项参数的修改

图4.3.2 端口外形变化，左图为Gap,右图为Wave

4.4 Edge类型端口设置详解

Edge类型端口是指端口生成过程要求用户必须指定相应的Edge的端口，常用场景包括， 1）走线边缘添加端口；2）矩形焊盘添加端口；3）同层Edge之间添加端口。

 在走线边缘添加端口

本过程适用于走线是微带线或者带状线等，可以在正上方或正下方找到相应参考平面的情况。

首先在Layers显示控制窗口中，将其它层都隐藏掉，只显示该走线所在的层。然后在LAYOUT EDIT窗口空白处，单击鼠标右键，再弹出菜单中，选择Select

Edges（图4.4.1）。

图4.4.1 只选中Edge模式

点击单根走线末端的边缘，被选中的边缘一般会高亮显示，然后在右键菜单中选择Port->Create，软件就会根据该边缘的宽度，以及到上方或者下方参考层的距离，建立起相应端口。此时建立起来的端口类型默认是Gap.此时查看该端口的属性页（图4.4.3）,里面包括如下主要信息：

 Reference参数提供了本端口的参考平面的信息。在图4.4.3中值为GND_1_L2:GND:rect_6，由两个冒号分隔为三部分，第一部分表示的信息是参考平面位于哪一层，第二部分表示该参考平面的NET名，第三部分表示该参考平面本身的名字。

 Impedance: 指该Gap（Lumped Port）端口的端口预设阻抗。

 Renormalize: 表示仿真结束后把S参数归一化到多少欧姆。

 Orientation：端口的方向，有水平或者垂直两种可能。

对于Gap端口而言，我们只需重点关注软件找的参考平面是否是我们想要的，软件本身默认是找上方和下方中最近的面。如果不是，用户可以修改Reference参数的值。

图4.4.2 建立端口

如果要将该Gap端口改为Wave Port，那么用户只需要属性窗口将HFSS Type改为Wave即可。修改之后，可以发现属性窗口本身的内容也会发生变化。（图4.4.4），在底部增加了三项可调参数：

 Horizontal Extent Factor:端口水平尺寸扩展因子，当为无单位数时为按比例拓展。填入的是带长度单位的数字时，表示按此长度拓展。

 Vertical Extent Factor:端口垂直尺寸扩展因子，当为无单位数时为按比例拓展。填入的是带长度单位的数字时，表示按此长度拓展。如果是带状线，那么无此选项，因为带状线的Wave Port高度是确定的。

图4.4.3 Gap端口属性

 PEC Launch Width: 设置贴在Wave Port背面的PEC的厚度。

图4.4.4 Wave端口属性

当2条走线间距较小时，如果在两条走线上分别设置Wave Port，那么会导致这2个端口发生交叠，因此正确的做法是只设置一个包括两条走线的Wave端口。为了完成这个操作，用户需要先分别在2条走线边缘建立起Gap端口，然后Layout EDIT界面上同时选中这2个端口，在右键菜单中选择Port->Couple Edge

Ports，软件便会建立起一个包含2个Terminal的Wave端口了。

如果遇到走线的边缘不是平的，而是圆形的情况，那么为了方便地选中Edge，

图4.4.5 建立包括2个Terminal的Wave端口

可以先选中走线本身，然后在属性菜单中将走线参数StartCapType改为由Round改为Flat即可（图4.4.6）。

图4.4.6 改变走线边缘的形状

 在矩形焊盘上添加端口

在矩形焊盘上添加Edge端口的方法与在走线上添加类似，只需选中焊盘的某条Edge，然后在右键菜单中点击Port->Create即可添加出垂直的端口。有时候，由于器件的outline会于焊盘的边缘重合，会导致难以选中Edge。此时可以在Layer显示控制窗口中，将器件（Components）的显示关闭(图4.4.7)，便可从容选中Edge了。

图4.4.7 隐藏器件以选中焊盘的Edge

在矩形焊盘上添加端口时容易犯的错误操作是，直接选中焊盘本身，然后在右键菜单中点击Port->Create。这样建立出来的端口，是一个水平同轴端口，视觉上看起来是一个圆形（图4.4.8）。由于此端口的外边缘没有接触到任何参考导体（仍然接触的是焊盘本身），所以是不正确的。正确建立水平同轴类端口的场景和方法，会在后面介绍。

图4.4.8 矩形焊盘上错误的端口

 在同层两个Edge之间添加端口

如果在HFSS 3D LAYOUT无法在被选中Edge的上下层找到合适的参考平面，那么端口就会无法生成。此时如果在同层有合适参考网络，那么可以考虑基于在同层基于Edge来生成水平端口。这种方法要求用户先选中两条Edge，然后在右键菜单中点击Port->Create，软件会根据这两条Edge来生成一个水平的Lumped端口（图4.4.9）。用户需要检查以确保端口面上都是均匀介质。

HFSS 3D LAYOUT的Lumped端口技术可以支持非规则的端口形状，因此即使被选中的两条Edge没有对齐或者平行，软件也可以生成端口并正常求解。图4.4.10展示了一个非规则的端口例子。

图4.4.9 基于同层的两条Edge建立端口

图4.4.10 非规则的同层端口

4.5 同轴类型端口设置详解

同轴类型的端口主要用于批量设置器件引脚的端口，如BGA器件等，也可以用户在过孔处设置端口。由于器件一般包含较多引脚，因此如果每个端口都需要单独设置，工作量较大。因此对于多引脚的器件，其设置端口的基本思路是:通过在器件上方或者下方生成PEC平面，各引脚通过生成solder ball与PEC平面相连。然后在信号引脚的solder ball上建立同轴端口，参考为PEC面。其他参考信号引脚（如GND）的solder ball保持与PEC连接，这样所有的参考信号引脚都通过PEC面短路了起来，形成一个良好的参考面。基于这样的思路，HFSS 3D

LAYOUT中提供了一种方法，能够快速设置器件引脚的同轴端口：

首先查看设置端口的器件类型是否为IC，如果不是IC，最好修改为IC。这一步可以在Components窗口中完成（图4.5.1）。

图4.5.1 修改器件类型为IC

然后选中该器件，在属性菜单中点击Model Info，会弹出如图4.5.2的菜单。菜单可以设置的包括三部分

 Die Properties：请选择Flip chip，然后可以修改Orientation来决定该器件引脚上要生成的solder ball的方向。Chip down是指向上生长，一般用于该器件位于PCB的Top层时。如果器件类型没有被设为IC的话，此选项可能不存在，会导致无法控制solder ball的方向。

 Solder Ball Properties: 用于设置要生成的solder ball的形状，尺寸和材料。

 Port Properties：设置连接所有solder ball的PEC面的尺寸和位置。使用默认参数的话，是指PEC面的尺寸和XY方向的位置和器件的Outline重合，Z方向坐标是位于solder ball的另外一端。

图4.5.2 Model Info菜单

图4.5.3展示了经过Model Info设置后的器件的外形，可以看到各个管脚都生成了solder ball，同时参考的PEC面也生成了。需要特别注意的是,到目前为止所有的solder ball都是和PEC相连的，因此我们必须首先将所有的不需要建立端口的非参考网络的solder ball删除，以免和PEC短路。然后在需要建立端口的solder ball上建立同轴类型端口，该端口会将solder ball和PEC隔开。一旦完成这两步之后，剩下与PEC相连的solder ball就都是属于参考网络的。批量删除solder ball和批量基于solder ball建立端口的方法是类似的，用户可以通过Layers显示控制窗口和Nets窗口进行显示/隐藏控制，使得

Layout Edit界面上只剩下要被操作的那些solder ball，然后框选中所有这些solder ball，执行Delete或者右键菜单Port->Create建立起同轴端口。另外还有一种批量建立同轴端口的方法。在Components菜单中，选中要批量建立端口的器件，在右键菜单里选择Create Ports on Component,然后在弹出的界面中（图4.5.4）选择要建立端口的网络名。如果之前已经通过Model info生成了solder ball和PEC平面，那么HFSS 3D LAYOUT就会在被选中网络的solder

ball上生成同轴端口。

图4.5.3 设置了Model info的器件视图

图4.5.4 在器件上批量生成端口

这种同轴端口，在端口属性中的HFSS Type里的值为Gap(coax),Reference的值一般为空,但这并不是说这个端口没有参考。仔细观察的话，可以看到，这种同轴端口是在Solder ball和PEC面之间挖出了一个圆环，内圆就是solder

ball，外圆则和PEC面接触。这种端口实际上也是一种Lumped Port,其信号导体为solder ball，参考导体外圆所接触的PEC。

如果在建立同轴端口之前，Solder ball或者Via与同层的参考导体之间就有一定的间隔的话，如反焊盘等。那么请务必注意，此时直接建立出来的同轴端口的外圆环往往无法接触到真正的参考导体。用户必须在同轴焊盘的属性中修改Extent Factor属性（比如从0改为1），改变同轴端口的半径大小，使得同轴端口外圆环能够解除到真正的参考导体（图4.5.5）。修改之后的端口前后对比如图4.5.6所示

图4.5.4 修改同轴端口的大小

图4.5.6 左图过孔处的红色端口过小，未接触到参考导体(外圈绿色区域)。

右图的红色端口大小合适

4.6 Circuit端口设置

Circuit端口的设置很简单，主要有2种方法。第一种方法是用户可以任意选中2条Edge，然后点击右键菜单Port->Create Circuit Ports，即可在这两个Edge之间建立起一个Circuit端口。另外一种方法更加灵活，用户先点击右

键菜单Port->Create Circuit Ports，然后在要设置端口的地方点击2个点，其中第一个点为端口的Positive端，第二个点为Negative端，然后在弹出的菜单（图4.6.1）中选择Positive端和Negative端的层即可。

Circuit Port是通过在Positive端和Negative端加电流来作为激励的，因此并不需要求解端口的电磁场。用户需要确保Circuit Port大小满足电小尺寸要求，并考虑该电流激励的位置是否合理。对于HFSS 3D LAYOUT软件而言，Circuit Port虽然足够灵活，但是并非第一选择，用户应该优先使用Edge端口和同轴端口。

图4.5.1 设置Circuit Port正负端的所在层

(五) 第五章HFSS 3D LAYOUT求解设置

5.1 Analysis Setup详解

在Project Manager窗口中的HFSS 3D LAYOUT项目中，右击Analysis，选择Add HFSS Solution Setup,便会弹出如图5.1.1所示菜单。该菜单包括了HFSS

3D LAYOUT最主要的仿真设置，一共分为七个页面。大部分情况下，用户只需要修改General页面中的选项即可，其他页面都可以使用默认参数。

 General页面：设置求解频率(Solution Frequency)，网格最大迭代次数（默认是10）和收敛判据（默认0.02）。在下方有一个Save field选项，默认是未勾选。如果仿真结束后需要查看求解频率的场，请勾选。如果只需查看求解频率处的辐射场，那么请勾选Save Radiation Field Only，能够节约保存电磁场所占用的磁盘空间，但是就不能查看空气盒子内的场了。

HFSS 3D LAYOUT允许用户同时设置多个求解频率，这在宽带仿真或者多频率器件的仿真中尤为有用。点击图5.1.1中红框内的Advanced按钮，切换到界面（图5.1.2）。在这个界面中，用户除了可以指定若干个求解频率之外，还可以通过预先定义的Output Variable来自定义每个求解频率的收敛条件。软件最终生成的网格能够在所有求解频率上都满足收敛条件。

图5.1.1 Analysis Setup中的General页面

图5.1.2 设置多个求解频率

 Options页面: 设置初始化网格尺寸与波长的关系（Initial Mesh Option），默认是三分之二波长,除此之外，初始化网格尺寸还和仿真物体的结构细节有关系；可以设置每次网格加密时增加的网格百分比（Maximum Refinement

Per Pass）；可以设置最小网格加密次数（Minimum Number of Passes）和最小连续收敛次数(Minimum Converged Passes)

图5.1.3 Analysis Setup中的Options页面

 Advanced页面（图5.1.4）：Form Polygon unions Before meshing,该选项会在生成网格前先把各个Plane尽可能组合成一个；Use polygon defeature:简化平面上一些不必要的细节；Mesh as a 3D via中的Number of sides决定圆形过孔在做网格的时候会被处理成会怎样的正多边形。

图5.1.4 Analysis Setup中的Advanced页面

 Advanced Meshing页面（图5.1.5）：主要设置划分网格时对曲线的逼近精度等。

图5.1.5 Analysis Setup中的Advanced Meshing页面

 Solver页面（图5.1.6）：Port Options可以设置Wave端口的求解精度;Modelling Options设置何时将金属层当做Sheet处理；Order of Basis可以设置有限元插值基函数的阶数；Enable Iterative Solver决定是否使用迭代法求解有限元矩阵，不勾选则是使用直接法（Direct Solver）

图5.1.6 Analysis Setup中的Solver页面

 DC R页面（图5.1.7）：如果在扫频时，选择了使用Q3D求解DC，那么本页面就决定Q3D求解时的设置，包括最大网格加密次数，最小网格加密次数，

最小连续收敛次数，收敛误差判据和每次网格加密百分比

 Defaults页面(图5.1.8)：可以将用户在其他页面的设置保存为默认设置

图5.1.7 Analysis Setup中的DC R页面

图5.1.8 Analysis Setup中的Defaults页面

当用户设置完Analysis Setup界面，点击确定按钮后，软件会继续弹出扫频设置界面（图5.1.9），用户可以设置扫频的起始频率，终止频率，采样点数和频率间隔方式等；Sweep Type支持Interpolating和Discrete两种扫频方式，如果只需得到S参数，那么请选Interpolating以节约时间；选项Use Q3D to

solve DC point选项可以后台调用Q3D仿真DC的解，但是建议不勾选，HFSS 3D

LAYOUT本身的技术已经可以很准确地得到低频和直流时的S参数了。

Analysis Setup设置完毕后，可以通过该Setup右键菜单中的Export项（图5.1.10），将HFSS 3D LAYOUT仿真项目输出为普通的HFSS仿真项目,端口和边界条件都会被保留。

图5.1.9 Frequency Sweep设置

图5.1.10 输出HFSS仿真项目

5.2 Mesh方法设置

HFSS 3D LAYOUT中除了包含HFSS传统的Mesh方法之外，还提供了一种全新的Phi mesh技术。Phi mesh技术利用了绝大部分PCB和封装结构上都是分层均匀的特点，在保持网格数量相当的前提下，极大地缩短了初始化网格的生成时间。如果仿真项目中包括一些非均匀的三维物体，如bondwire等，那么HFSS 3D

LAYOUT将会使用HFSS传统的Mesh方法生成初始化网格。用户可以通过菜单HFSS

3D LAYOUT->Design Setting中的HFSS Meshing Method页面选择优先使用的网格划分技术（图5.2.1）。另外，由于无需生成CAD类型的结构数据，因此对于复杂的版图结构，无论在使用哪种网格划分方法，在HFSS 3D LAYOUT中的初始化网格生成的成功率都会高于HFSS。

图5.2.1 Mesh方法设置

5.3 HPC并行计算设置

点击菜单Tools->Options->HPC and analysis options,进入HPC并行计算设置界面（图5.3.1），其中已有一个默认的HPC配置，叫做“Local”。确保Design类型为HFSS 3D Layout Design,然后点击Add按钮，添加一个新的HPC配置

图5.3.1 HPC设置界面1

添加新的HPC配置的界面如图5.3.2所示，用户可以在Machine Detail中选择一种指定计算机的方式，如本机，IP地址，计算机名等，然后通过Add Machine

to List按钮将该计算机添加到可以用于并行计算的计算机列表中，然后可以指定该计算机上所能使用CPU核数和内存百分数。由于在仿真前，用户无法确定本次仿真单个频点所需消耗的内存大小，因此强烈建议用户勾选Use Automatic

Settings选项，这样就无需指定Tasks数目。软件会根据计算Solution

Frequency时占用的内存大小和计算机上所允许使用的总内存大小，自动确定每次扫频时候的Task数目，在确保内存不溢出的前提下，尽量同时仿真更多的频率点。设置完毕后，点击OK按钮，完成新增一个HPC配置。

在仿真开始前，用户应该选择本次仿真所使用的HPC配置，这可以通过快捷工具栏中的Analysis Option的下拉菜单来完成（图5.3.3）

图5.3.2新增/修改HPC配置界面

图5.3.3 选择本次仿真使用的HPC配置

(六) 第六章HFSS 3D LAYOUT结果查看与后处理

6.1 查看仿真状态

仿真结束后，仿真状态可以通过Profile和Convergence进行查看。右键点击项目Analysis下的Setup，选择Profile或Convergence（图6.1.1），便可弹出相应页面（图6.1.2和图6.2.3）。其中Profile页面主要包含仿真每一步所消耗的时间，内存，网格数目等信息，Convergence页面主要提供求解频率点处的收敛状况。

图6.1.1 查看仿真状态

图6.1.2 Profile页面

图6.1.3 Convergence页面

6.2 显示电磁场和网格

在HFSS 3D LAYOUT中,可以通过Project Manager窗口下的Field Overlays和Far Fields来显示电磁场和网格。如果仿真完毕后发现相应的电磁场显示项目是灰色的，那么请检查仿真设置中是否有勾选Save field。

Field Overlays用于显示求解域内物体上的场。首先选中要查看的物体，然后点击Field Overlay->Plot Fields,然后选择要查看的场的类型，然后在弹出的菜单中确认层和网络（图6.2.1），点击确定即可在该物体上显示电磁场。

图6.2.1 设置电磁场显示的层和网络

Far Fields包括两部分功能，分别是显示远场和显示近场。点击Far

Fields->Add Far Field Display,软件将会在界面上显示出PCB的三维辐射方向图（图6.2.2）。近场显示则点击Far Fields->Add Near Field Display,在弹出菜单（图6.2.3）中设置好要显示近场的平面位置，点击确定，即可在该平面上显示近场。

图6.2.2 三维远场方向图

如果要查看某物体的网格，需要先选中该物体，然后点击Field

Overlays->Plot Mesh，即可把网格划分情况显示出来（图6.2.4）。

图6.2.3 近场显示平面设置

图6.2.4 某物体上的网格

6.3 设置差分对

点击Project Manager中的Excitations->Differential Pairs，进入差分对设置菜单（图6.3.1）。可以通过点击New pair来新增一个差分对，也可以通过Remove selected来删除选中的差分对。每个差分对可以单独设置差模和共模的参考阻抗。一旦设置好之后，在结果查看时，便可以查看差分S参数了。HFSS

3D LAYOUT支持混合S参数，可以只将部分端口设置为差分对。

图6.3.1 设置差分对

6.4

在查看和导出S参数

Project Manager窗口中点击Results>Create Standard

Report->Rectangular Report,即可弹出结果查看界面（图6.4.1）

首先，用户需要在Solution中选择要查看S参数所对应的Setup，Domain需要选择为Sweep。如果是查看单端S参数，那么Show这一项应设为Terminals，

如果要查看差分S参数，应设为Differential pairs。

图6.4.1 Rectangular Report设置界面

然后在Category中选择S Parameter，在右边的框中选中要查看哪些S参数，点击New Report，即可生成S参数结果（图6.4.2）。

图6.4.2 生成的S参数曲线

仿真得到的S参数可以直接导出或者转换为SPICE电路再导出。右键点击Project Manager窗口中Analysis下的相应Setup，在弹出的右键菜单中点击Matrix Data，进入图6.4.3所示界面。点击按钮Export Matrix Data，可以直接将S参数以Touchstone格式直接导出。如果要转换为SPICE电路导出，请点击Equivalent Circuit Export按钮，软件会先做等效电路转换，再输出为指定格式的SPICE电路。等效电路的转换所需时间视S参数本身的复杂度而定。如果转换失败，用户可以适当调节转换参数和精度来提高成功率。