HFSS中的TDR仿真那些事-从高速过孔位列说起

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本文摘要（由AI生成）：

文章主要讨论了HFSS信号完整性仿真中TDR仿真的相关问题。作者指出，很多人对软件的细节了解不够深入，导致仿真结果存在问题。HFSS提供了两种观察TDR的方法，一种是使用HFSS transient，另一种是使用driven terminal+插值法宽频扫描。作者建议在仿真前了解TDR测试原理，有助于理解仿真结果。在HFSS中，扫频范围会影响TDR，因为扫频范围必须包含足够多的频谱分量，才能形成想要的rise time。作者提供了计算截止频率fmax的公式，并介绍了验证手段。此外，作者还讨论了模型问题，指出当模型很小且使用wave port时，不能直接看TDR，最好使用deembedding。

近期看了一些HFSS信号完整性仿真的文章，发现很多人对软件的细节了解不够深入，要么使用各种小工具，要么仿真出来的曲线一看就是存在问题的。对于辅助小工具，如果对软件使用还不够纯属的时候，我是比较反对的，如果你对软件各方面都很了解，那么就无所谓了；至于仿真结果不对，还是help文件看的少，软件的用法不对，尽管你觉得是对的。

TDR仿真是高速应用经常要观察的一个指标，HFSS提供了两种观察TDR的方法，一种方法是使用HFSS transient，纯正的时域仿真求解器，不过我看很多人几乎没用过该功能，其实transient在layout前仿真还是很有用的，求解速度挺快，看TDR也很方便；另外一种就是大家常用的driven terminal+插值法宽频扫描，但是这是纯粹的频率求解，而TDR又是时域的结果，所以软件提供了IFFT这种算法，将频率求解得到的S参数转换为时域的TDR。

既然是从频域转换到时域，要么问题来了！！假如我仿真的信号速率是10Gbps，对应的每bit时间为100ps，那么信号的rise time大概为35ps，要形成一个rise time为35ps的step信号，在HFSS中扫频的范围该怎么设置？设置为多大才比较合适？很多人的问题就出现在这里。这里建议大家去了解下TDR的测试原理，有助于你理解仿真的结果。

为什么扫频范围会影响TDR呢，这跟时间分辨率也就是信号的rise time有关，rise time越小，信号包含的高频分量就多，因此在HFSS设置的扫频范围必须包含足够多的频谱分量，才能形成我们想要的rise time，在HFSS中，rise time=1/fmax，fmax为扫频的最大值，即截止频率，你可以通过这个公式来计算你的截止频率。

上述公式正确与否，在ANSYS electronics desktop里面有好几个验证手段，简单的就是在电路仿真circuit simulator里面分析不同rise time step信号的频谱，取一阶包络对应的频率分量，如下图：非常简单的一个电路模型，然后分析电压V1在不同上升沿时间下的频率。可以看到，当tr分别取100ps、35ps、15ps，仿真的最大频率fmax分别为9.89GHz、28.67GHz、66.63GHz，你可以通过上面的公式分别计算以下，两者的结果是很接近的。

另外一个手段就是借助于HFSS transient，根据这里面频谱的对应关系，来确定fmax的值，参考下面三图，直接mark处fmax即可，可以看到跟电路仿真的值也很接近。

上面说了要得到正确的rise time，应该怎么样计算fmax以及其验证手段，下面我们看过孔TDR分析的例子。

我是在HFSS 3d layout中建立的模型，其求解算法跟HFSS是一样的，因此不影响我们的结果分析。模型图片如下：典型的过孔模型，差分阻抗为82.53ohm，过孔阻抗未知。

当求解截止频率分别设置为10GHz、30GHz、75GHz是，对应的rise time大概为100ps、35ps、15ps，我们对比过孔在不同rise time的阻抗表现，因为模型很小，我们应用了wave port的deembedding，非常有用的一个技能。

从下图可以看到，当rise time=100ps时，整个通道阻抗差分阻抗差不多就是100ohm，过孔和差分线都表现为理想的传输线，寄生效应不明显；当rise time=35ps时，差分线仿真阻抗为82.06ohm，非常接近于polar si9000的计算值，这样证明了仿真各方面的设置是正确的，此时过孔的阻抗为97ohm；当rise time=15ps时，过孔阻抗为112ohm，这就说明在不同的rise time下，同样的结构，其阻抗特性截然不同，因此fmax的选择，将极大的影响你的仿真结果。

有人可能会想，我直接在HFSS TDR options窗口中更改rise time行不行呢？答案是不行的，如下两图：显然直接更改rise time和跟正确设置rise time得到的TDR相比，还是有很大差异的。

上面的仿真数据对比说明，一定要根据你分析信号的rise time选择合适的fmax，不然仿真出来的结果跟实际的会有很大出入，同时你基于此仿真结果优化结果也是无意义的，谨记。

这里再说一下模型的问题，因为当前模型中过孔的model很小，使用的又是wave port，已经犯了wave port设置的大忌讳，即wave port距离阻抗不连续结构不能太近，这会导致S参数计算精度不够，详细可以参考help文件。因此，你要么加长差分线的长度，要么使用wave port的deembedding功能来变相加长差分线，让wave port距离过孔有足够远的距离，不然的话直接看TDR是非常不准的，结果如下，不做deembedding看的TDR非常好，事实上差分线阻抗只有82.6ohm，完全不对，同时TDR曲线持续的时间很短，你也没法区分到底哪个时间点对应的TDR才是过孔的阻抗，做了deembedding就很好区分，肯定中间突起的就是过孔阻抗。