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浅谈PCB电磁场求解方法及仿真软件

时间:06-01 来源: 点击:

,TLM和FI能够仿真的电尺寸最大,其次是FD,再者为FEM,最后是MoM和BEM。若对于金属凸结构而言,MLFMM则是能够仿真电尺寸最大的全波算法。

时域算法的固有优势在于它非常适用于超宽带仿真。电磁兼容本身就是一个超宽带问题,如国军标GJB151A RE102涉及频段为10kHz直至40GHz六个量级的极宽频带。另外,对于瞬态电磁效应的仿真,如强电磁脉冲照射下线缆线束上所感应起来的瞬态冲击电压的仿真,采用时域算法是自然、高效、准确的。

3、2D求解器

2D求解器是最简单和效率最高的,只适合简单应用。例如,2D静态求解器可以提取片上互连线横截面的电容参数。2D准静态求解器可以提取均匀多导体传输线横截面上单位长度低频RLGC参数。2D全波求解器可以提取均匀多导体传输线横截面上的全频RLGC参数。典型的2D全波计算方法有:2D边界元法、2D有限差分法、2D有限元法。

4、2.5D求解器

2.5D的概念是20世纪80年代Rautio在美国雪城大学攻读博士期间提出的,当时他在Roger教授手下做GE电子实验室支助下做平面MOM算法的研究。在那个年代,人们只有2D电流(XY方向)和3D电磁场的概念。GE电子实验室的人比较关注电流,称其为2D,而Roger教授关注是电磁场,并称之为3D的。Rautio和这两个团队都有合作,当时,他正在读一本关于分形理论的书,书里清晰定义了分维度的概念,于是,Rautio得到启发,提出2.5D的概念,这也是分形维度理论第一次被用到电磁场领域。

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"2.5D solver"的意思是,这个solver使用的是全波公式,公式中包含多层介质中的6个电磁场分量(XYZ方向电场E和XYZ方磁场H),以及2个传导电流分量(如X和Y方向)。其利用多层介质的全波格林函数,采用矩量法的步骤,将一个3D问题缩减为金属表面问题。这样就不需要对整个三维空间划分网格,只需要在金属表面划分网格即可。此外,2.5D意味着传输线的金属厚度被忽略,这种做法对线宽大于金属厚度的平面电路结构(PCB应用)可以很好地近似,甚至可以说半解格林函数的精度在计算多层介质结构方面比一般3D solver还要高。

考虑了金属厚度并包含Z方向传导电流的2.5D solver称作为3D平面算法。这里的3D的意思是这个solver可以用作多层介质的公司来求解一些3D结构,比如传输线或者过孔。但是Bondwire是不可以用这种方法来做的,全波意味着辐射被考虑在公式里面,或者说,置换电流分量被考虑在Maxwell方程组里面。

2.5D TEM求解器适合用于结构中以TEM模式为主的情况,即在电磁场传播方向没有电场和磁场分量,工作频率比较低的电源平面对结构符合这一情况。但是,3D效应,共平面设置或缺少参考平面的设计都会降低这种方法的精度。

2.5DBEM/MOM求解器是一种全波求解器,它基于边界元法或矩量法公式,利用层状介质格林函数来求解,通常假设介质层数无穷大的平面。但是,对于封装和封装-电路板连接处存在的3D边缘效应,3D几何结构和有限大介质层精度不高。代表软件Ansys Designer,MicroWave Office,IE3D,  Feko,Sonnet。

5、3D求解器

3D准静态求解器适合芯片-封装-电路板系统中出现大多数3D结构,但对低频有效,高频结果误差较大,如果结构较大,计算时间会很长,消耗内存也比较大。

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3D全波求解器是最能准确模型实际情况的求解器。它可以模拟RF、SI、PI、EMI等所涵盖的所有效应,典型的3D全波求解器有:边界元法(Si9000)、有限差分法(CST、Keysight EMpro/FDTD)和有限元法(Ansys HFSS、Keysight Empro/ FEM)。

维数适用范围举例局限性
2D求解在XYZ方向有变化的几何结构无限长传输线横截面不能求解Z方向过孔
2.5D可以解决在3个维度都有变化的结构,但其中一个维度严格限制多层介质结构,PCB可求解过孔,但Z方向不能有几何结构变化
3D可以解决在3个维度任意变化结构任意结构,比如微波射频器件,Bondwire耗内存和时间,模型太大或设置不当会造成不收敛

浅谈PCB电磁场求解方法及仿真软件

基于以上计算方法和行业的代表商业软件有:

Ansys Siwave

是专门最大封装和PCB的信号完整性和电源完整性分析平台,使用电路和全波电磁场的混合求解器,可以完成直流分析,交流分析和电磁辐射分析。SIWAVE

使用优化后的三维电磁场有限元求解技术,适合精确快速分析大规模复杂电源,地平面的PCB和封装设计。

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Cadence Sigrity

Cadence Sigrity采用多种混合算法,包括电磁场(EM)求解器,传输线(TLM)求解器,电路(SPICE)求解器, 如板间主电磁场采用FEM有限元法(POWER SI)或FDTD时域有限差分法(SPEED2000),传输线采用矩量法,非理想回路和过孔采用局部三维等效法,板边辐射采用边界元法等。

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随着系统数据率进入了Gbp

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