那么，在眾多電磁場EDA軟件中，我們?nèi)绾?ldquo;透過現(xiàn)象看本質”，知道每種軟件的優(yōu)缺點呢？需要了解此問題，首先得從最最基本的求解器維度說起。

　　

本文旨在工程描述一些電磁場求解器基本概念和市場主流PCB仿真EDA軟件，更為深入的學習可以參考計算電磁學相關資料。

　　

　　

談到電磁場的算法，不要把場的算法和路的方法搞混，當然也有場路結合的方法。電路算法主要針對線性無源集總元件和非線性有源器件組成的網(wǎng)絡，采用頻域SPICE和純瞬態(tài)電路方程方法進行仿真。這類仿真的特性是無需三維實體模型、線性和非線性器件時域或頻域模型（SPICE和IBIS等）、仿真速度快、電壓電流的時域信號和頻譜為初級求解量。電路仿真簡稱路仿真，主要用于端口間特性的仿真，就是說當端口內(nèi)的電磁場對網(wǎng)絡外其他部分沒有影響或者影響可以忽略時，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小于波長。換言之，當電路板的尺寸可以和電路上最高頻率所對應的波長相比擬時，則必須使用電磁場理論對該電路板進行分析。舉例說明，一塊PCB尺寸為10*10cm，工作的最高頻率是3GHz， 3GHz對應的真空波長是10cm，此時PCB的尺寸也是10cm，則我們必須使用電磁場理論對此板進行分析，否則誤差將很大，而無法接受。一般工程上，PCB的尺寸是工作波長的1/10時，就需要采用電磁場理論來分析了。對于上面的那塊板子，當板上有300MHz的信號時，就需要場理論來析了。

　　

圖1. ADS電路仿真

　　

　　

電子產(chǎn)品設計中，對于不同的結構和要求，可能會用到不同的電磁場求解器。電磁場求解器（Field Solver）以維度來分：2D、2.5D、3D；逼近類型來分：靜態(tài)、準靜態(tài)、TEM波和全波。

　　

 

　　

它需要三維結構模型。所謂“準靜”就是指系統(tǒng)一定支持靜電場和穩(wěn)恒電流存在，表現(xiàn)為靜電場和靜磁場的場型，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對時間的偏導項，對應的麥克斯韋方程分別被稱之為準靜電和準靜磁。由此推導出的算法就被稱之為準靜電算法和準靜磁算法。這類算法主要用于工頻或低頻電力系統(tǒng)或電機設備中的EMC仿真。如：變流器母線與機柜間分布參數(shù)的提取便可采用準靜電磁算法完成。對于高壓絕緣裝置顯然可采用準靜電近似，而大電流設備，如變流器、電機、變壓器等，采用準靜磁算法是較可取的。

　　

　　

簡單地講就是求解麥克斯韋方程完整形式的算法。全波算法又分時域和頻域算法。有限差分法（FD）、有限積分法（FI）、傳輸線矩陣法（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仿真區(qū)域進行體網(wǎng)格或面網(wǎng)格分割。前三種方法（FD、FI和TLM法）主要是時域顯式算法，且稀疏矩陣，仿真時間與內(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，仿真時間和內(nèi)存正比于網(wǎng)格數(shù)的平方；而BEM和MoM由于是密集矩陣，所以時間與內(nèi)存正比是網(wǎng)格數(shù)的三次方。FD、FI、TLM和FEM適用于任意結構任意介質，BEM和MoM適用于任意結構但須均勻非旋介質分布，而MLFMM則主要適用于金屬凸結構，盡管MLFMM具有超線性的網(wǎng)格收斂性，即大家熟知的NlogN計算量。

　　

全波算法又稱低頻或精確算法，它是求解電磁兼容問題的精確方法。對于給定的計算機硬件資源，此類方法所能仿真的電尺寸有其上限。一般來說，在沒有任何限制條件下，即任意結構任意材料下，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。若對于金屬凸結構而言，MLFMM則是能夠仿真電尺寸最大的全波算法。

　　

時域算法的固有優(yōu)勢在于它非常適用于超寬帶仿真。電磁兼容本身就是一個超寬帶問題，如國軍標GJB151A RE102涉及頻段為10kHz直至40GHz六個量級的極寬頻帶。另外，對于瞬態(tài)電磁效應的仿真，如強電磁脈沖照射下線纜線束上所感應起來的瞬態(tài)沖擊電壓的仿真，采用時域算法是自然、高效、準確的。

 

　　

2D求解器是最簡單和效率最高的，只適合簡單應用。例如，2D靜態(tài)求解器可以提取片上互連線橫截面的電容參數(shù)。2D準靜態(tài)求解器可以提取均勻多導體傳輸線橫截面上單位長度低頻RLGC參數(shù)。2D全波求解器可以提取均勻多導體傳輸線橫截面上的全頻RLGC參數(shù)。典型的2D全波計算方法有：2D邊界元法、2D有限差分法、2D有限元法。

　　

　　

2.5D的概念是20世紀80年代Rautio在美國雪城大學攻讀博士期間提出的，當時他在Roger教授手下做GE電子實驗室支助下做平面MOM算法的研究。在那個年代，人們只有2D電流（XY方向）和3D電磁場的概念。GE電子實驗室的人比較關注電流，稱其為2D，而Roger教授關注是電磁場，并稱之為3D的。Rautio和這兩個團隊都有合作，當時，他正在讀一本關于分形理論的書，書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領域。

　　

圖2. ADS FEM引擎仿真SIP封裝

　　

“2.5D solver”的意思是，這個solver使用的是全波公式，公式中包含多層介質中的6個電磁場分量（XYZ方向電場E和XYZ方磁場H），以及2個傳導電流分量（如X和Y方向）。其利用多層介質的全波格林函數(shù)，采用矩量法的步驟，將一個3D問題縮減為金屬表面問題。這樣就不需要對整個三維空間劃分網(wǎng)格，只需要在金屬表面劃分網(wǎng)格即可。此外，2.5D意味著傳輸線的金屬厚度被忽略，這種做法對線寬大于金屬厚度的平面電路結構（PCB應用）可以很好地近似，甚至可以說半解格林函數(shù)的精度在計算多層介質結構方面比一般3D solver還要高。

　　

考慮了金屬厚度并包含Z方向傳導電流的2.5D solver稱作為3D平面算法。這里的3D的意思是這個solver可以用作多層介質的公司來求解一些3D結構，比如傳輸線或者過孔。但是Bondwire是不可以用這種方法來做的，全波意味著輻射被考慮在公式里面，或者說，置換電流分量被考慮在Maxwell方程組里面。

　　

2.5D TEM求解器適合用于結構中以TEM模式為主的情況，即在電磁場傳播方向沒有電場和磁場分量，工作頻率比較低的電源平面對結構符合這一情況。但是，3D效應，共平面設置或缺少參考平面的設計都會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，利用層狀介質格林函數(shù)來求解，通常假設介質層數(shù)無窮大的平面。但是，對于封裝和封裝-電路板連接處存在的3D邊緣效應， 3D幾何結構和有限大介質層精度不高。代表軟件Ansys Designer，MicroWave Office，IE3D， Feko，Sonnet。

　　

　　

3D準靜態(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結構，但對低頻有效，高頻結果誤差較大，如果結構較大，計算時間會很長，消耗內(nèi)存也比較大。

　　

圖3：Ansys HFSS仿真封裝結構

　　

3D全波求解器是最能準確模型實際情況的求解器。它可以模擬RF、SI、PI、EMI等所涵蓋的所有效應，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）。

　　

圖4.Si9000仿真特性阻抗和損耗

 

基于以上計算方法和行業(yè)的代表商業(yè)軟件有：

　　

　　

是專門最大封裝和PCB的信號完整性和電源完整性分析平臺，使用電路和全波電磁場的混合求解器，可以完成直流分析，交流分析和電磁輻射分析。SIWAVE

　　

使用優(yōu)化后的三維電磁場有限元求解技術，適合精確快速分析大規(guī)模復雜電源，地平面的PCB和封裝設計。

　　

圖5 Siwave PCB仿真

　　

　　

Cadence Sigrity采用多種混合算法，包括電磁場（EM）求解器，傳輸線（TLM）求解器，電路（SPICE）求解器， 如板間主電磁場采用FEM有限元法（POWERSI）或FDTD時域有限差分法（SPEED2000），傳輸線采用矩量法，非理想回路和過孔采用局部三維等效法，板邊輻射采用邊界元法等。

　　

圖6. Cadence Sigrity電源完整性仿真

　　

隨著系統(tǒng)數(shù)據(jù)率進入了Gbps和無線頻率進幾GHz領域，考慮非均勻互連的不連續(xù)性帶來的影響變得越來越重要。主要有兩類最基本的互連不連續(xù)：PCB上不規(guī)則形狀的互連對象，如：過孔、走線拐角、非均勻走線； IC以及PCB之間的互連結構。過去，對電路板上的均勻走線和封裝使用靜態(tài)或準靜態(tài)場解算器進行建模。那些尺寸小、不規(guī)則形狀的對象都采用近似或直接忽略的方式處理，這樣的方法對于沿速率相對較慢的信號的建模與仿真已經(jīng)足夠了。但是，對于吉比特級的系統(tǒng)，特別是對于那些數(shù)據(jù)率超過了5Gbps的信號，電路板和封裝的細微結構造成的不連續(xù)性將顯著影響信號的質量，這將引起眼圖的閉合并帶來不可接受的誤碼率。因此，對于吉比特級系統(tǒng)的分析，需要引入三維電磁場全波分析技術。

　　

　　

CST 印制板分析軟件基于積分方程和邊界元（BEM）的算法，能快速準確地從PCB結構得到電路仿真用的傳輸線電路（TLC）模型及部分元件等效電路（PEEC）模型，可以輸出標準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：HSpiceW-model）。 使用軟件內(nèi)建的功能強大的二維場求解器以及高級網(wǎng)絡仿真器，可以非常容易地處理任何類型的EMC問題。內(nèi)置的仿真器會自動考慮趨膚效應、介質損耗。

　　

此外，CST印制板分析軟件還將產(chǎn)品公差分析或電介質完全地考慮到諸如信號完整性、輻射或串擾等EMC計算中。其高效的內(nèi)核可以分析從非常小的結構（比如：單一信號線）到復雜整板。

　　

求解原理及優(yōu)點：

　　

CST 印制板分析軟件是為滿足行業(yè)用戶對于電磁兼容性、信號完整性和功率完整性效應的建模和仿真而開發(fā)的復雜印制板系統(tǒng)分析軟件。它為業(yè)界提供了完整的PCB板級、部件級及系統(tǒng)級的電磁兼容性、信號完整性及功率完整性分析解決方案?？梢苑治鰡螌?、多層復雜PCB板的信號完整性（SI）、電源完整性（PI）、PCB板對外的輻射及外界環(huán)境對PCB板的影響等等，還可以給出整板的電流分布和SPICE模型等。軟件主要功能特點如下：

　　

（1）時域及頻域算法；

　　

（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)絡模型；

　　

（3）基于SPICE模型快速仿真包含走線、無源RLC器件、IC模塊及各類非線性器件整板的信號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上電流導入CST MWS或CST MS進行包含有機箱機殼等整個系統(tǒng)環(huán)境下的電磁輻射仿真；

　　

（5）與CST MWS或CST MS聯(lián)合完成在整個系統(tǒng)環(huán)境受到外界電磁輻照時PCB板上的感應電壓和電流。

　　

圖7 CST高速差分過孔仿真

　　

　　

HyperLynx SI提供三維電磁場建模與仿真功能，在Linesim中集成HyperLynx 3D EM三維電磁場仿真引擎，能夠在“前端”實現(xiàn)三維過孔物理結構電磁建模 ，提供Boardsim與HyperLynx 3D EM的接口，能夠提取復雜PCB結構的3D模型，從而實現(xiàn)精確的三維電磁場建模與仿真。

　　

圖8.HyperLynx高速信號仿真

　　

　　

隨著射頻應用頻率和速率越來越高，以及計算機技術的發(fā)展，早期的2D求解器基本不能滿足現(xiàn)代產(chǎn)品的設計需要，大部分商業(yè)軟件都會采用全波3D算法，這是一個趨勢。總的來說，沒有一個求解器或軟件適合所有應用，應該針對不同結構和電路特點選擇。選擇一個求解器和仿真軟件，除了考慮求解對象幾何維度，還行確認那些特殊效應需要仿真，這些效應是如何被模擬的。我經(jīng)常說的一句話“沒有最好的PCB仿真軟件，只有最適合的仿真軟件”。