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: Animationsdurchlauf eines Phasensweeps über den Oberflächenstrom

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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.