高速传输线的设计及仿真流程

电路设计及仿真这方面，真的是非常佩服老外的智慧。老外从电路的绘制到电路仿真建立了一整套的设计流程，其相关的设计和仿真软件也是层出不穷，，极大的满足工程师的多样化需求，并提高设计的准确性。从ALTIUM DESIGNER 、CANDENCE到HFSS、ADS等软件都来自于老外的发明。当然目前中国公司也有一些PCB绘制的国产软件，但电路的仿真软件还没有国产化。电路的仿真不仅仅需要软件的编程大佬参与，其仿真软件背后的电路理论知识、电磁场知识需要更多的理论专家参与。这方面中国的专家队伍还有待提高（个人观点，不喜勿喷）。
高速电路中的传输线主要起信号传输的作用。其传输线性能的好坏会极大影响信号的质量及传输效率。目前我接触的这方面应用是将裸芯片贴到PCB上，进行一定的模块化封装，然后测试模块的高频特性。因此传输线主要就是应用在给芯片的高频输入、输出管脚提供电连接。传输线设计的基本要求就是高带宽、低插损。
目前涉及到的传输线模型就是微带线、共面波导等形式的单端传输线、差分传输线、单端转差分线几种。下文以一个共面波导的50Ω信号线作为例子讲解一下传输线的设计及仿真方法。流程如下

1.PCB core及PP材质的选型

高速PCB板其板材有一定的讲究。在成本相近的情况下，应该选择介电常数及正切损耗角小的PCB材料，因为这样，其信号线的损耗会相应的小，信号的带宽可以到很高。
经与PCB厂家联系，给我们推荐了一款core板材质为ROGERS 4350B的材料，其介电系数Er=3.5，耗散系数0.0037，最小厚度4mil；对应的pp材质为ROGERS 4450F,其介电系数Er=3.52，耗散系数0.0004，最小厚度4mil；

2.设计线宽

PCBC材质及叠层确定后，我们便设计传输线的线宽，叠层厚度。这里需要用到阻抗匹配神器si9000.我们选择共面波导模型计算线宽。根据此模型，si9000计算出传输线的线宽为7.827mil。如下：

3.画PCB

这里以ALTIUM DESIGNER 软件设计PCB,考虑更好的信号屏蔽效果，传输线两边的gnd区域打上屏蔽孔。如下：

本图片是一个简单的例子，pcb为2层板，因此不需要pp层。

4.将pcb导入HFSS仿真软件

pcb文件导入hfss，因为是AD软件画的PCB，我是将pcb转化为ODB++文件，然后转化为HFSS文件的，具体的转化方法会以博客形式详细阐述。

5.HFSS仿真

将pcb导入HFSS中后，通过一系列操作，添加port、添加材料属性等，进行建模，最终的模型为如图：

经过一段时间的仿真后，最终仿真的结果如下：
S11曲线：

S21曲线：

TDR曲线：

可以看出这段传输线的损耗较小，50G的带宽，其插入损耗为-0.35。通过观察TDR曲线，我们发现阻抗不匹配，实际阻抗为44.5欧姆，即线粗了，需要优化传输线宽度。（暂时认为是si9000软件和HFSS阻抗计算软件的差异造成的，我们需以HFSS为准，作为顶级的仿真软件HFSS，考虑了边界场等多种因素的影响）。

6.模型优化

我们将传输线宽度降一些，操作HFSS软件，因阻抗不匹配，我们呢需要优化线宽，以使阻抗匹配。经过多次优化，最终线宽为7.027mil时，阻抗匹配更好些。
S11曲线：

S21:

TDR:

优化后的三个曲线，效果都比si9000提供的线宽模型要好些。hfss的线宽比si9000的线宽会小0.8mil。
备注：
对于复杂的传输线模型，可能需要多次优化pcb图纸，并多次导入HFSS中进行仿真。