【導(dǎo)讀】本文旨在工程描述一些電磁場(chǎng)求解器基本概念和市場(chǎng)主流PCB仿真EDA軟件，更為深入的學(xué)習(xí)可以參考計(jì)算電磁學(xué)相關(guān)資料。
商業(yè)化的射頻EDA軟件于上世紀(jì)90年代大量的涌現(xiàn)，EDA是計(jì)算電磁學(xué)和數(shù)學(xué)分析研究成果計(jì)算機(jī)化的產(chǎn)物，其集計(jì)算電磁學(xué)、數(shù)學(xué)分析、虛擬實(shí)驗(yàn)方法為一體，通過(guò)仿真的方法可以預(yù)期實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，得到直接直觀的數(shù)據(jù)。“興森科技-安捷倫聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室”經(jīng)常會(huì)接到客戶(hù)咨詢(xún)，如何選擇PCB電磁場(chǎng)仿真軟件的問(wèn)題。那么，在眾多電磁場(chǎng)EDA軟件中，我們?nèi)绾?ldquo;透過(guò)現(xiàn)象看本質(zhì)”，知道每種軟件的優(yōu)缺點(diǎn)呢?需要了解此問(wèn)題，首先得從最最基本的求解器維度說(shuō)起。
本文旨在工程描述一些電磁場(chǎng)求解器基本概念和市場(chǎng)主流PCB仿真EDA軟件，更為深入的學(xué)習(xí)可以參考計(jì)算電磁學(xué)相關(guān)資料。
電路算法
談到電磁場(chǎng)的算法，不要把場(chǎng)的算法和路的方法搞混，當(dāng)然也有場(chǎng)路結(jié)合的方法。電路算法主要針對(duì)線(xiàn)性無(wú)源集總元件和非線(xiàn)性有源器件組成的網(wǎng)絡(luò)，采用頻域SPICE和純瞬態(tài)電路方程方法進(jìn)行仿真。這類(lèi)仿真的特性是無(wú)需三維實(shí)體模型、線(xiàn)性和非線(xiàn)性器件時(shí)域或頻域模型(SPICE和IBIS等)、仿真速度快、電壓電流的時(shí)域信號(hào)和頻譜為初級(jí)求解量。電路仿真簡(jiǎn)稱(chēng)路仿真，主要用于端口間特性的仿真，就是說(shuō)當(dāng)端口內(nèi)的電磁場(chǎng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)外其他部分沒(méi)有影響或者影響可以忽略時(shí)，則可以采用路仿真;采用路仿真的必要條件是電路的物理尺寸遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)。換言之，當(dāng)電路板的尺寸可以和電路上最高頻率所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)相比擬時(shí)，則必須使用電磁場(chǎng)理論對(duì)該電路板進(jìn)行分析。舉例說(shuō)明，一塊PCB尺寸為10*10cm，工作的最高頻率是3GHz，3GHz對(duì)應(yīng)的真空波長(zhǎng)是10cm，此時(shí)PCB的尺寸也是10cm，則我們必須使用電磁場(chǎng)理論對(duì)此板進(jìn)行分析，否則誤差將很大，而無(wú)法接受。一般工程上，PCB的尺寸是工作波長(zhǎng)的1/10時(shí)，就需要采 用電磁場(chǎng)理論來(lái)分析了。對(duì)于上面的那塊板子，當(dāng)板上有300MHz的信號(hào)時(shí)，就需要場(chǎng)理論來(lái)析了。
電磁場(chǎng)求解器分類(lèi)
電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，對(duì)于不同的結(jié)構(gòu)和要求，可能會(huì)用到不同的電磁場(chǎng)求解器。電磁場(chǎng)求解器(Field Solver)以維度來(lái)分：2D、2.5D、3D;逼近類(lèi)型來(lái)分：靜態(tài)、準(zhǔn)靜態(tài)、TEM波和全波。
1、準(zhǔn)靜電磁算法
它需要三維結(jié)構(gòu)模型。所謂“準(zhǔn)靜”就是指系統(tǒng)一定支持靜電場(chǎng)和穩(wěn)恒電流存在，表現(xiàn)為靜電場(chǎng)和靜磁場(chǎng)的場(chǎng)型，更精確地講，磁通變化率或位移電流很小，故在麥克斯韋方程組中分別可以忽略B和D對(duì)時(shí)間的偏導(dǎo)項(xiàng)，對(duì)應(yīng)的麥克斯韋方程分別被稱(chēng)之為準(zhǔn)靜電和準(zhǔn)靜磁。由此推導(dǎo)出的算法就被稱(chēng)之為準(zhǔn)靜電算法和準(zhǔn)靜磁算法。這類(lèi)算法主要用于工頻或低頻電力系統(tǒng)或電機(jī)設(shè)備中的EMC仿真。如：變流器母線(xiàn)與機(jī)柜間分布參數(shù)的提取便可采用準(zhǔn)靜電磁算法完成。對(duì)于高壓絕緣裝置顯然可采用準(zhǔn)靜電近似，而大電流設(shè)備，如變流器、電機(jī)、變壓器等，采用準(zhǔn)靜磁算法是較可取的。
2、全波電磁算法
簡(jiǎn)單地講就是求解麥克斯韋方程完整形式的算法。全波算法又分時(shí)域和頻域算法。有限差分法(FD)、有限積分法(FI)、傳輸線(xiàn)矩陣法(TLM)、有限元法(FEM)、邊界元法(BEM)、矩量法(MoM)和多層快速多極子法(MLFMM)均屬于全波算法。所有的全波算法均需要對(duì)仿真區(qū)域進(jìn)行體網(wǎng)格或面網(wǎng)格分割。前三種方法(FD、FI和TLM法)主要是時(shí)域顯式算法，且稀疏矩陣，仿真時(shí)間與內(nèi)存均正比于網(wǎng)格數(shù)一次方;后四種方法(FEM、BEM、MoM和 MLFMM)均為頻域隱式算法。FEM也為稀疏矩陣，仿真時(shí)間和內(nèi)存正比于網(wǎng)格數(shù)的平方;而B(niǎo)EM和MoM由于是密集矩陣，所以時(shí)間與內(nèi)存正比是網(wǎng)格數(shù)的三次方。FD、FI、TLM和FEM適用于任意結(jié)構(gòu)任意介質(zhì)，BEM和MoM適用于任意結(jié)構(gòu)但須均勻非旋介質(zhì)分布，而MLFMM則主要適用于金屬凸結(jié)構(gòu)，盡管MLFMM具有超線(xiàn)性的網(wǎng)格收斂性，即大家熟知的NlogN計(jì)算量。
全波算法又稱(chēng)低頻或精確算法，它是求解電磁兼容問(wèn)題的精確方法。對(duì)于給定的計(jì)算機(jī)硬件資源，此類(lèi)方法所能仿真的電尺寸有其上限。一般來(lái)說(shuō)，在沒(méi)有任何限制條件下，即任意結(jié)構(gòu)任意材料下，TLM和FI能夠仿真的電尺寸最大，其次是FD，再者為FEM，最后是MoM和BEM。若對(duì)于金屬凸結(jié)構(gòu)而言，MLFMM則是能夠仿真電尺寸最大的全波算法。
時(shí)域算法的固有優(yōu)勢(shì)在于它非常適用于超寬帶仿真。電磁兼容本身就是一個(gè)超寬帶問(wèn)題，如國(guó)軍標(biāo)GJB151A RE102涉及頻段為10kHz直至40GHz六個(gè)量級(jí)的極寬頻帶。另外，對(duì)于瞬態(tài)電磁效應(yīng)的仿真，如強(qiáng)電磁脈沖照射下線(xiàn)纜線(xiàn)束上所感應(yīng)起來(lái)的瞬態(tài)沖擊電壓的仿真，采用時(shí)域算法是自然、高效、準(zhǔn)確的。
3、2D求解器
2D求解器是最簡(jiǎn)單和效率最高的，只適合簡(jiǎn)單應(yīng)用。例如，2D靜態(tài)求解器可以提取片上互連線(xiàn)橫截面的電容參數(shù)。2D準(zhǔn)靜態(tài)求解器可以提取均勻多導(dǎo)體傳輸線(xiàn)橫截面上單位長(zhǎng)度低頻RLGC參數(shù)。2D全波求解器可以提取均勻多導(dǎo)體傳輸線(xiàn)橫截面上的全頻RLGC參數(shù)。典型的2D全波計(jì)算方法有：2D邊界元法、2D有限差分法、2D有限元法。
4、2.5D求解器
2.5D的概念是20世紀(jì)80年代Rautio在美國(guó)雪城大學(xué)攻讀博士期間提出的，當(dāng)時(shí)他在Roger教授手下做GE電子實(shí)驗(yàn)室支助下做平面MOM算法的研究。在那個(gè)年代，人們只有2D電流(XY方向)和3D電磁場(chǎng)的概念。GE電子實(shí)驗(yàn)室的人比較關(guān)注電流，稱(chēng)其為2D，而Roger教授關(guān)注是電磁場(chǎng)，并稱(chēng)之為3D的。Rautio和這兩個(gè)團(tuán)隊(duì)都有合作，當(dāng)時(shí)，他正在讀一本關(guān)于分形理論的書(shū)，書(shū)里清晰定義了分維度的概念，于是，Rautio得到啟發(fā)，提出2.5D的概念，這也是分形維度理論第一次被用到電磁場(chǎng)領(lǐng)域。
“2.5D solver”的意思是，這個(gè)solver使用的是全波公式，公式中包含多層介質(zhì)中的6個(gè)電磁場(chǎng)分量(XYZ方向電場(chǎng)E和XYZ方磁場(chǎng)H)，以及2個(gè)傳導(dǎo)電流分量(如X和Y方向)。其利用多層介質(zhì)的全波格林函數(shù)，采用矩量法的步驟，將一個(gè)3D問(wèn)題縮減為金屬表面問(wèn)題。這樣就不需要對(duì)整個(gè)三維空間劃分網(wǎng)格，只需要在金屬表面劃分網(wǎng)格即可。此外，2.5D意味著傳輸線(xiàn)的金屬厚度被忽略，這種做法對(duì)線(xiàn)寬大于金屬厚度的平面電路結(jié)構(gòu)(PCB應(yīng)用)可以很好地近似，甚至可以說(shuō)半解格林函數(shù)的精度在計(jì)算多層介質(zhì)結(jié)構(gòu)方面比一般3D solver還要高。
考慮了金屬厚度并包含Z方向傳導(dǎo)電流的2.5D solver稱(chēng)作為3D平面算法。這里的3D的意思是這個(gè)solver可以用作多層介質(zhì)的公司來(lái)求解一些3D結(jié)構(gòu)，比如傳輸線(xiàn)或者過(guò)孔。但是Bondwire是不可以用這種方法來(lái)做的，全波意味著輻射被考慮在公式里面，或者說(shuō)，置換電流分量被考慮在Maxwell方程組里面。
2.5D TEM求解器適合用于結(jié)構(gòu)中以TEM模式為主的情況，即在電磁場(chǎng)傳播方向沒(méi)有電場(chǎng)和磁場(chǎng)分量，工作頻率比較低的電源平面對(duì)結(jié)構(gòu)符合這一情況。但是，3D效應(yīng)，共平面設(shè)置或缺少參考平面的設(shè)計(jì)都會(huì)降低這種方法的精度。
2.5DBEM/MOM 求解器是一種全波求解器，它基于邊界元法或矩量法公式，利用層狀介質(zhì)格林函數(shù)來(lái)求解，通常假設(shè)介質(zhì)層數(shù)無(wú)窮大的平面。但是，對(duì)于封裝和封裝-電路板連接處存在的3D邊緣效應(yīng)，3D幾何結(jié)構(gòu)和有限大介質(zhì)層精度不高。代表軟件Ansys Designer，MicroWave Office，IE3D, Feko，Sonnet。
5、3D求解器
3D準(zhǔn)靜態(tài)求解器適合芯片-封裝-電路板系統(tǒng)中出現(xiàn)大多數(shù)3D結(jié)構(gòu)，但對(duì)低頻有效，高頻結(jié)果誤差較大，如果結(jié)構(gòu)較大，計(jì)算時(shí)間會(huì)很長(zhǎng)，消耗內(nèi)存也比較大。
3D 全波求解器是最能準(zhǔn)確模型實(shí)際情況的求解器。它可以模擬RF、SI、PI、EMI等所涵蓋的所有效應(yīng)，典型的3D全波求解器有：邊界元法 (Si9000)、有限差分法(CST、Keysight EMpro/FDTD)和有限元法(Ansys HFSS、Keysight Empro/ FEM)。
基于以上計(jì)算方法和行業(yè)的代表商業(yè)軟件有：
Ansys Siwave
是專(zhuān)門(mén)最大封裝和PCB的信號(hào)完整性和電源完整性分析平臺(tái)，使用電路和全波電磁場(chǎng)的混合求解器，可以完成直流分析，交流分析和電磁輻射分析。SIWAVE使用優(yōu)化后的三維電磁場(chǎng)有限元求解技術(shù)，適合精確快速分析大規(guī)模復(fù)雜電源，地平面的PCB和封裝設(shè)計(jì)。
Cadence Sigrity
Cadence Sigrity采用多種混合算法，包括電磁場(chǎng)(EM)求解器，傳輸線(xiàn)(TLM)求解器，電路(SPICE)求解器, 如板間主電磁場(chǎng)采用FEM有限元法(POWER SI)或FDTD時(shí)域有限差分法(SPEED2000),傳輸線(xiàn)采用矩量法，非理想回路和過(guò)孔采用局部三維等效法，板邊輻射采用邊界元法等。
隨著系統(tǒng)數(shù)據(jù)率進(jìn)入了Gbps和無(wú)線(xiàn)頻率進(jìn)幾GHz領(lǐng)域，考慮非均勻互連的不連續(xù)性帶來(lái)的影響變得越來(lái)越重要。主要有兩類(lèi)最基本的互連不連續(xù):PCB上不規(guī)則形狀的互連對(duì)象，如:過(guò)孔、走線(xiàn)拐角、非均勻走線(xiàn);IC以及PCB之間的互連結(jié)構(gòu)。過(guò)去，對(duì)電路板上的均勻走線(xiàn)和封裝使用靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)場(chǎng)解算器進(jìn)行建模。那些尺寸小、不規(guī)則形狀的對(duì)象都采用近似或直接忽略的方式處理，這樣的方法對(duì)于沿速率相對(duì)較慢的信號(hào)的建模與仿真已經(jīng)足夠了。但是，對(duì)于吉比特級(jí)的系統(tǒng)，特別是對(duì)于那些數(shù)據(jù)率超過(guò)了5Gbps的信號(hào)，電路板和封裝的細(xì)微結(jié)構(gòu)造成的不連續(xù)性將顯著影響信號(hào)的質(zhì)量，這將引起眼圖的閉合并帶來(lái)不可接受的誤碼 率。因此，對(duì)于吉比特級(jí)系統(tǒng)的分析，需要引入三維電磁場(chǎng)全波分析技術(shù)。
CST印制板工作室
CST印制板分析軟件基于積分方程和邊界元(BEM)的算法，能快速準(zhǔn)確地從PCB結(jié)構(gòu)得到電路仿真用的傳輸線(xiàn)電路(TLC)模型及部分元件等效電路(PEEC)模型，可以輸出標(biāo)準(zhǔn)SPICE集總模型(R，L，C，G)或者SPICE分布模型(Z，V，T)以及特殊的仿真模型(比如：HSpice W-model)。使用軟件內(nèi)建的功能強(qiáng)大的二維場(chǎng)求解器以及高級(jí)網(wǎng)絡(luò)仿真器，可以非常容易地處理任何類(lèi)型的EMC問(wèn)題。內(nèi)置的仿真器會(huì)自動(dòng)考慮趨膚效應(yīng)、介質(zhì)損耗。
此外，CST印制板分析軟件還將產(chǎn)品公差分析或電介質(zhì)完全地考慮到諸如信號(hào)完整性、輻射或串?dāng)_等EMC計(jì)算中。其高效的內(nèi)核可以分析從非常小的結(jié)構(gòu)(比如：?jiǎn)我恍盘?hào)線(xiàn))到復(fù)雜整板。
求解原理及優(yōu)點(diǎn)：
CST印制板分析軟件是為滿(mǎn)足行業(yè)用戶(hù)對(duì)于電磁兼容性、信號(hào)完整性和功率完整性效應(yīng)的建模和仿真而開(kāi)發(fā)的復(fù)雜印制板系統(tǒng)分析軟件。它為業(yè)界提供了完整的PCB板級(jí)、部件級(jí)及系統(tǒng)級(jí)的電磁兼容性、信號(hào)完整性及功率完整性分析解決方案。可以分析單層、多層復(fù)雜PCB板的信號(hào)完整性(SI)、電源完整性(PI)、PCB板對(duì)外的輻射及外界環(huán)境對(duì)PCB板的影響等等，還可以給出整板的電流分布和SPICE模型等。軟件主要功能特點(diǎn)如下：
(1)、時(shí)域及頻域算法;
(2)、2D邊界元法(BEM)和2.5D部分單元等效電路法(PEEC)提取Layout的分布參數(shù)網(wǎng)絡(luò)模型;
(3)、基于SPICE模型快速仿真包含走線(xiàn)、無(wú)源RLC器件、IC模塊及各類(lèi)非線(xiàn)性器件整板的信號(hào)完整性和各器件上的電壓和電流，并得出PCB板上的電流幅相分布;
(4)、將PCB上電流導(dǎo)入CST MWS或CST MS進(jìn)行包含有機(jī)箱機(jī)殼等整個(gè)系統(tǒng)環(huán)境下的電磁輻射仿真;
(5)、與CSTMWS或CST MS聯(lián)合完成在整個(gè)系統(tǒng)環(huán)境受到外界電磁輻照時(shí)PCB板上的感應(yīng)電壓和電流。
HyperLynx
HyperLynx SI提供三維電磁場(chǎng)建模與仿真功能，在Linesim中集成HyperLynx 3D EM三維電磁場(chǎng)仿真引擎，能夠在“前端”實(shí)現(xiàn)三維過(guò)孔物理結(jié)構(gòu)電磁建模，提供Boardsim與HyperLynx 3D EM的接口，能夠提取復(fù)雜PCB結(jié)構(gòu)的3D模型，從而實(shí)現(xiàn)精確的三維電磁場(chǎng)建模與仿真。
總結(jié)：
隨著射頻應(yīng)用頻率和速率越來(lái)越高，以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，早期的2D求解器基本不能滿(mǎn)足現(xiàn)代產(chǎn)品的設(shè)計(jì)需要，大部分商業(yè)軟件都會(huì)采用全波3D算法，這是一個(gè)趨勢(shì)。總的來(lái)說(shuō)，沒(méi)有一個(gè)求解器或軟件適合所有應(yīng)用，應(yīng)該針對(duì)不同結(jié)構(gòu)和電路特點(diǎn)選擇。選擇一個(gè)求解器和仿真軟件，除了考慮求解對(duì)象幾何維度，還行確認(rèn)那些特殊效應(yīng)需要仿真，這些效應(yīng)是如何被模擬的。我經(jīng)常說(shuō)的一句話(huà)“沒(méi)有最好的PCB仿真軟件，只有最適合的仿真軟件”。
作者：徐興福
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