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Frequency Dependent Material

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通常在建立新的材料(assign new material)时,填写的都是固定的介电常数Dk和介质损耗Df,比方PCB板厂提供的板材信息是FR4 Dk=4.2、Df=0.018,直接填入这两个数值即可。但较专业的板厂会告诉你Dk=4.2、Df=0.018@1GHz, 这种表示方法很明显已经说明了Dk跟Df是随频率变化的,板厂提供的数据只是基于1GHz所量到的特性,那么在仿真时该如何设定这种材料属性随频率变化的情况呢?


如果分析的是窄带问题,按照固定的Dk和Df进行仿真,对仿真结果并不会有什么影响,即使DK和Df跟频率相关,也可忽略;如果是SI或者EMC宽频问题仿真,仍然按照按照固定的Dk和Df进行仿真,这会引起数值模拟上所谓“因果性”问题。


由于PCB厂家经常提供的是单个频点的Dk和Df值,如何由单个频点推及到整个频带,正确建立介质材料的频响模型,HFSS中有两种方法,不过使用的都是D-S material model,help说明如下:

In other cases, especially when the permittivity and loss tangent are known at only one or two frequencies, the broad band Djordjevic - Sarkar (D-S) material model can be used.

D-S material model是一种满足因果性的介质材料模型,字面上是指材料的复介电常数的实部和虚部要满足因果性,实际上说的是系统的输出响应时间不可能比输入信号时间早,HFSS跟时域相关的只有TDR,如果TDR曲线在t=0之前还有取值,必然是出现了因果性问题,需要慎重对待,如下图所示:



模型建立方法:


1、手动建立D-S material model


在add new material 时,点击set freqquency dependency,选择D-S model input。

在弹窗中输入测试频点频率,测试频点的Dk和Df,high-frequency corner至少要是测试频点的10倍大,不然软件报错,建议保持默认值即可。DC介质电导率设置为0,或者设置其直流相对介电常数。

The value of the High-frequency Corner (GHz) should be at least 10 times higher than the Fre-quency. If not, an error message is issued.

按ok后,再看其Dk和Df,不再是一个固定值,而是一个跟频率相关的函数了

Dk(Freq)=3.74076+0.0255671*ln((2.53303e+022+Freq*Freq)/(4.95658e+009+Freq*Freq));

Df(Freq)=1e-012+2.84472e-012*Freq*(atan(Freq/70403)-atan(Freq/1.59155e+011))

如此便建立一个跟频率相关的D-S material model,如下二图粉色曲线,Dk和Df已经是随频率变化的数值了。


2、Automatically use causal materials


在HFSS design setting中使用Automatically use causal materials,具有同样效果,help解释如下:

This option applies frequency dependent lossy materials for the solver and post processor. The materials are not modified in the design. Instead, the Djordjevic-Sarkar model is applied before the material is passed to the solver or used for post processing.



请注意以下几种特殊情况,Automatically use causal materials将失效。


  •  If the solution type is eigenmode

  •  If the material permittivity or loss tangent is anisotropic

  •  If the material permittivity or loss tangent is spatially dependent

  •  If the material permittivity or loss tangent is frequency dependent

  • If the material itself is not a lossy dielectric




问题:HFSS中跟频率相关的介质模型有好几种,为何选择D-S material model?

别的不知道,如果是分析SI问题,D-S material model最合适,因为:

This model was developed for low-loss dielectric materials (particularly FR-4) commonly used in printed circuit boards and packages.




来源:光芯高频实验室
HFSSElectric材料
著作权归作者所有,欢迎分享,未经许可,不得转载
首次发布时间:2025-08-09
最近编辑:11小时前
萧隐君
硕士 | 高级射频工程... 大隐隐于市
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