Master's Thesis

Printed circuit board investigations in ANSYS SIwave

Final Thesis 14.22 MB

Author of thesis: Ing. Šimon Buchta

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: prof. Dr. Ing. Zbyněk Raida

Reviewer: prof. Ing. Zbyněk Škvor, CSc.

Abstract:

This thesis presents an investigative study of the Ansys SIwave simulation tool, focusing on the analysis of printed circuit board (PCB) models provided by the NXP company. The first part of the thesis focuses on working with a simple PCB in Ansys SIwave. A detailed simulation workflow is proposed, and several PCB structures are analyzed with respect to the evaluation of scattering parameters (S-parameters). The second part of the thesis extends the study to commercially used PCBs. The performed analysis targets high frequency (RF) structures implemented on the PCBs, particularly matching circuits (MC) and antenna related structures. Additionally, an optimization methodology for critical PCB regions in terms of crosstalk is proposed, combining the capabilities of SIwave and HFSS.To verify the accuracy of the results and enable comparison, the same structures are analyzed using Ansys HFSS and Ansys Circuit Design, while selected PCB structures are also validated through S-parameter measurements. The resulting S-parameters are evaluated and compared across the simulation tools. Observed differences are discussed and summarized in order to describe the behavior, accuracy, and applicability of Ansys SIwave for signal integrity analysis.

Keywords:

Printed circuit board (PCB), S-parameters, Ansys SIwave, matching circuit (MC), Ansys HFSS, crosstalk

Date of defence

09.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaBznamka

Grading

B

Process of defence

Student prezentuje výsledky a řešení své diplomové práce. Následně odpovídá na dotazy oponenta. prof. Kratochvíl: Kde probíhalo měření? Student odpovídá dr. Král: V zadání je definováno dát doporučení pro návrháře plošných spojů, bylo to řešeno? Student odpovídá, že bylo řešeno primárně srovnání simulací V práci je uveden přeslech -180 dB, tato hodnota není reálně možná? Student vysvětluje doc. Drexler: Otázka k měření S-parametrů a provedení kalibrace. Student připouští možnou chybu a popisuje jeho řešení

Language of thesis

English

Faculty

Department

Study programme

Electronics and Communication Technologies (MPC-EKT)

Composition of Committee

prof. Ing. Tomáš Kratochvíl, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. Petr Kadlec, Ph.D. (místopředseda)
Ing. Jan Král, Ph.D. (člen)
mjr. Ing. Markéta Vršecká, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Petr Drexler, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Jitka Dluhá, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
prof. Dr. Ing. Zbyněk Raida

Diplomová práce Šimona Buchty byla zaměřena na komplexní elektromagnetickou analýzu desek plošných spojů v softwarových nástrojích ANSYS. Analýza měla zahrnovat import desek z dat poskytnutých výrobci, analýzu importovaných struktur, analýzu zjednodušených struktur a vzájemná porovnání. Výsledky analýz měly být validovány vhodnými experimenty. Vše mělo být aplikováno na vývojové desky firmy NXP Semiconductors. Vybrány byly desky pro aplikační podporu Bluetooth čipů KW45-LOC a KW45-EVK.

Šimon zadání zcela splnil. Importy a analýzy realizoval v programech HFSS a SIwave. Využil struktury importované i vlastní struktury přibližné. K ověření výsledků analýz navrhl a realizoval adekvátní experimenty; simulace a měření vykazovaly vysokou míry konzistence. Vše je podrobně a srozumitelně prezentováno v anglicky psané práci.

Práce vznikla ve spolupráci s firmou NXP Semiconductors (firma Šimonovi poskytla analyzované desky a další potřebnou podporu). Výsledky své práce Šimon prezentoval na studentské soutěžní konferenci STUDENT EEICT 2026.

Šimon na diplomovém projektu intenzivně pracoval celých 12 měsíců. Pracoval samostatně, a pravidelně konzultoval pouze stěžejní problémy. S Šimonovou prací jsem maximálně spokojený, a hodnotím ji jako výbornou. Points proposed by supervisor: 100

Grade proposed by supervisor: A

Práce předložená diplomantem Šimonem Buchtou má 82 stran, po odečtení seznamů a obsahu je zhruba šedesátistránková, což považuji za přiměřený rozsah. Práce dokládá to, že diplomant pronikl hluboko do použití několika náročných programových balíků a zároveň si osvojil problematiku elektromagnetických vazeb mezi jednotlivými částmi vícevrstvých plošných spojů. Množství práce, které musel k dosažení prezentovaných výsledků vynaložit je nadstandardní.

Práce je po grafické stránce provedena precizně. Čtivosti práce by prospělo, kdyby autor uvedl více podrobností, např. v kapitole 2.6.3 se věnuje simulaci přizpůsobovacího obvodu různými metodami, neuvádí však informaci o tom, jakou impedanci přizpůsobuje (pravděpodobně k 50, což také neuvádí). Podobně na straně 55 je v tabulce uvedena hodnota indukčnosti L3 jako 0. Je velmi nepravděpodobné, že by bylo možno označená místa na plošném spoji (obr. 3.12) propojit bezindukčně.

V práci bych rovněž přivítal zvláštní kapitolu, ve které by autor uvedl metodická doporučení pro návrháře plošných spojů.

I přes uvedené nedostatky práci po zhodnocení jejích přínosů doporučuji k obhajobě a hodnotím stupněm „B“ s tím, že skvělým výkonem u obhajoby se diplomant může dobrat i k celkovému hodnocení „A“. Topics for thesis defence:
  1. Jak byla v simulacích uvažována indukčnost L3 (str. 55)?
  2. Na straně 22 v prvém odstavci kapitoly 1.2.5 uvádíte, že v blízké oblasti antény nedochází k žádnému toku energie (cituji “ no net time-average power flow occurs“). V dalším odstavci pak uvádíte, že ve vzdáleném poli se síří vlna TEM. Prosím, vysvětlete, jak se energie dostane skrz blízkou zónu?
  3. Můžete stručně shrnout svá metodická doporučení pro návrháře plošných spojů?
Points proposed by reviewer: 85

Grade proposed by reviewer: B

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová