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Praktikumsbericht
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Feldsimulation in Ansoft HFSS 13 am Beispiel des
Übersprechens von einer CLK-Line auf eine andere
Leiterbahn an einem IC
Für: Mikrowellentechnik (Modul 59108 | WS11/12)
Janis Köstermann
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Inhalt
Beschreibung der Simulation ...................................................................................................... 4!
Erstelltes Szenario .................................................................................................................... 4!
Ergebnisse ............................................................................................................................... 7!
Fazit.......................................................................................................................................12!
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Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1: Festlegen der Geometrie der Mikrostreifenleitungen .................................................... 5!
Abbildung 2: Gesamtaufbau der erstellten Simulation .................................................................... 6!
Abbildung 3: IC, Leitungen und Hilfsflächen.................................................................................. 7!
Abbildung 4: Seitliche Ansicht des E-Feldes über den Leiterbahnen .................................................. 8!
Abbildung 5: E-Feld in IC und Leitungen....................................................................................... 9!
Abbildung 6: H-Feld im Inneren des ICs ......................................................................................10!
Abbildung 7: Animationsdurchlauf eines Phasensweeps über den Oberflächenstrom ..........................11!
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Beschreibung der Simulation
Im vorliegenden Praktikum soll die Umsetzung einer Feldsimulation
experimentell geübt werden. Hierbei kommt die Software HFSS in Version 13
des Herstellers Ansonft zum Einsatz. Der Name HFSS geht ursprünglich auf
das Akronym aus „High Frequency Structural Simulator“ zurück.
Mithilfe des umfangreichen Programms kann zunächst die zu simulierende
Situation als 3D-Szenario angelegt werden. In einem CAD-Editor werden dazu
geometrische Objekte gezeichnet und mit entsprechenden Materialparametern
aus einer Datenbank belegt. Zusätzlich zu den Objekten selbst müssen die
elektrischen Randbedingungen festgelegt werden. Hierzu zählen etwa Erreger
(also Quellen bzw. Einspeisungen), Abschlüsse oder die Isolation des
Szenarios gegenüber der Umgebung.
Erstelltes Szenario
Mithilfe des Zeichenmoduls der Software wurde eine selbsterdachte
Simulationsumgebung angelegt. Es soll ein verschaltetes IC auf einer Platine
untersucht werden, bei dem zwei der Leitungen am IC angelegt werden. Eine
der Leitungen ist eine Clockline, also eine Mikrostreifenleitung, wie sie zu
einem Quarz bzw. einem Resonator führt und die ein hochfrequentes Signal –
hier mit 500MHz – führt. Die Einspeisung erfolgt mit einer Anpassung auf
50Ohm. Hierzu wurde im Vorfeld mithilfe des Programms AppCAD der Firma
Agilent die Geometrie der zu verwendenden Mikrostreifenleitungen ermittelt.
Die andere Leitung symbolisiert eine beliebige Leitung am IC, die am vom IC
abgewandten Ende mit 50Ohm abgeschlossen ist. Hier findet die gleiche
Leitungsgeometrie Anwendung.
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Abbildung 1: Festlegen der Geometrie der Mikrostreifenleitungen
Wie aus Abbildung 1 ersichtlich, können in AppCAD die relevanten Parameter
der Mikrostreifenleitung eingegeben werden um dann den
Leitungswellenwiderstand zu berechnen. Hierbei ist von sinnvollen
Startwerten auszugehen, um sich einem Wert nahe der Zielgröße zu nähern.
Mit dieser Methode konnte in wenigen Schritten ein Wert von 50,15Ohm
ermittelt werden, dessen Abweichung von den angestrebten 50Ohm marginal
ist. Die so gewonnen Werte für die Leitungsgeometrie können für die in HFSS
zu erstellenden Mikrostreifenleitungen zu Grunde gelegt werden.
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Abbildung 2: Gesamtaufbau der erstellten Simulation
Die Mikrostreifenleitungen sind in Abbildung 2 zu erkennen, sie wurden in der
im Umfeld der Veranstaltung "Mikrowellentechnik" für Metall verwendeten
Farbe Rot dargestellt. Der Anschaulichkeit halber ist die Leiterplatte in grün
und das IC in schwarz gehalten, obwohl für beide Elemente die
Materialparameter für FR4-Leiterplattenwerkstoff gewählt wurden. Da der
HFSS-Simulator nicht explizit festgelegte Bereiche automatisch als
metallischen Werkstoff annimmt, die erstellten Bauteile also gewissermaßen
in Metall einbettet, muss außerdem eine sogenannte Airbox angelegt werden.
Diese ist in der Darstellung weitestgehend transparent geschaltet, damit der
freie Bereich erkennbar ist, jedoch den Blick auf die wesentlichen Bestandteile
nicht einschränkt.
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Abbildung 3: IC, Leitungen und Hilfsflächen
Abbildung 3 zeigt das IC, die Leiterbahnen und zusätzliche Hilfsflächen. Die
drei schwarzen Flächen wurden eingefügt um Leitungsabschlüsse und die
Erregung mit einem Signal einbinden zu können. Die blauen Hilfsflächen
dienen als Projektionsfläche zur Anzeige einer Feldsimulation. Eine
dreidimensionale Simulation ist nicht in jedem Fall sehr anschaulich, so dass
mit Hilfsflächen die Feldstärken in einem beliebig wählbaren Schnitt angezeigt
werden sollen.
Ergebnisse
Im Folgenden wurde die HFSS-Simulation berechnet, so dass verschiedene
Feldbilder im dargstellten Szenario angezeigt werden konnten.
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Abbildung 4: Seitliche Ansicht des E-Feldes über den Leiterbahnen
Abbildung 4 zeigt die Anordnung in seitlicher Perspektive. In dieser Ansicht
ist die linke Leitung gespeist. Man erkennt am äußeren Ende die hohen
Feldstärken in unmittelbarer Nähe des speisenden Ports. Die restliche
Verteilung scheint relativ homogen in Längsrichtung und naturgemäß
ansteigend in größerer Nähe zur Leitung. Auf der rechten, passiven Leitung ist
das eingestreute Feld zu erkennen. Nah am IC liegt die Größenordnung des E-
Feldes etwa einen Faktor 10 tiefer, als auf der gespeisten Leitung. In Richtung
des abgewandten Endes fällt sie auf Beträge, die etwa zehntausend mal
kleiner sind. Allerdings ist die Feldstärke nicht stetig fallend sondern
wechselnd verteilt. Die Feldstärke hängt offenbar von der Phasenlage ab, was
in einer animierten Darstellung mit einem Phasensweep zu verifizieren ist.
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Abbildung 5: E-Feld in IC und Leitungen
Abbildung 5 zeigt ebenfalls das E-Feld, jedoch mit transparent geschaltetem
IC und ohne Hilfsflächen. Die Wellenausbreitung im Inneren des Bauteils ist
sehr gut zu erkennen.
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Abbildung 6: H-Feld im Inneren des ICs
Ein ähnliches Bild ergibt sich bei der Analyse der Ausbreitung des H-Feldes
wie in Abbildung 6 zu sehen ist.
Zur Auswertung und um ein schnelles, qualitatives und grob quantitatives Bild
von den auftretenden Effekten zu bekommen, erwiesen sich besonders
animierte Felddarstellungen mit einem Phasensweep (des erregenden Signals)
als geeignet. Hier soll nun eine der unzähligen möglichen Animationen in
wenigen Einzelschritten am Beispiel des Oberflächenstromes grob
veranschaulicht werden:
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Abbildung 7 zeigt zehn Einzelbilder des Phasensweeps. Die Auflösung der
Printdarstellung ist nur bedingt zur Darstellung geeignet, jedoch soll hier der
prinzipielle Informationsgewinn durch die Möglichkeit einer animierten
Darstellung von Simulationsergebnissen gezeigt werden. Es ist zu erkennen,
wie sich der Phasengang des eingespeisten Signals im Oberflächenstrom
sowohl auf der Speiseleitung, der CLK-Line, wie auch auf der passiven Leitung
ändert. Analoge Ergebnisse ergeben sich für die anderen Feldtypen.
Fazit
Im vorliegenden Praktikumsversuch konnte die Benutzung der
Simulationssoftware experimentell geübt werden. Vom zur Verfügung
stehenden, sehr großen Funktionsumfang konnten einige wesentliche Punkte
getestet werden. Die gewünschten Ergebnisse wurden durch die Software
schnell geliefert und in sehr anschaulicher Form dargstellt.
Bezogen auf den technischen Sachverhalt der übersprechenden
Mikrostreifenleitungen konnten die erwarteten Ergebnisse durch die
Simulation bestätigt werden. Eine Kopplung des CLK-Signals auf die
gegenüberliegende Leitung wurde errechnet und dargestellt. Vorraussetzung
für eine quantitativ erhebliche Leistung ist die richtige Geometrie der
Leitungen bezogen auf die Widerstandsabschlüsse. Ebenso sind unter den
gegebenen Randbedingungen relevante Störungen in erster Linie dann zu
erwarten, wenn eine Leitung durch ein hochohmiges Ende für die Einkopplung
empfänglich ist.