浅谈PCB电磁场求解方法及仿真软件

2015-06-15 08:59:33 来源:微波射频网
标签:

 

商业化的射频EDA软件于上世纪90年代大量的涌现,EDA是计算电磁学和数学分析研究成果计算机化的产物,其集计算电磁学、数学分析、虚拟实验方 法为一体,通过仿真的方法可以预期实验的结果,得到直接直观的数据。“兴森科技-安捷伦联合实验室”经常会接到客户咨询,如何选择PCB电磁场仿真软件的 问题。那么,在众多电磁场EDA软件中,我们如何“透过现象看本质”,知道每种软件的优缺点呢?需要了解此问题,首先得从最最基本的求解器维度说起。

 

本文旨在工程描述一些电磁场求解器基本概念和市场主流PCB仿真EDA软件,更为深入的学习可以参考计算电磁学相关资料。

 

电路算法

谈 到电磁场的算法,不要把场的算法和路的方法搞混,当然也有场路结合的方法。电路算法主要针对线性无源集总元件和非线性有源器件组成的网络,采用频域 SPICE和纯瞬态电路方程方法进行仿真。这类仿真的特性是无需三维实体模型、线性和非线性器件时域或频域模型(SPICE和IBIS等)、仿真速度快、 电压电流的时域信号和频谱为初级求解量。电路仿真简称路仿真,主要用于端口间特性的仿真,就是说当端口内的电磁场对网络外其他部分没有影响或者影响可以忽 略时,则可以采用路仿真;采用路仿真的必要条件是电路的物理尺寸远小于波长。换言之,当电路板的尺寸可以和电路上最高频率所对应的波长相比拟时,则必须使 用电磁场理论对该电路板进行分析。举例说明,一块PCB尺寸为10*10cm,工作的最高频率是3GHz,3GHz对应的真空波长是10cm,此时PCB 的尺寸也是10cm,则我们必须使用电磁场理论对此板进行分析,否则误差将很大,而无法接受。一般工程上,PCB的尺寸是工作波长的1/10时,就需要采 用电磁场理论来分析了。对于上面的那块板子,当板上有300MHz的信号时,就需要场理论来析了。

 

 

电磁场求解器分类

电子产品设计中,对于不同的结构和要求,可能会用到不同的电磁场求解器。电磁场求解器(Field Solver)以维度来分:2D、2.5D、3D;逼近类型来分:静态、准静态、TEM波和全波。

 

维数 类型 适合结构 应用场合 特点
2D 准静态 横截面在长度方向无变化 传输线的RLGC低频建模 不适应任意结构,高频精度低
2D 全波 横截面在长度方向无变化 传输线的RLGC全频建模 不适应任意结构
2.5D 横电磁波TEM 多层平面结构 电源地平面结构低频建模 当结构是3D时,带有寄生效应;当缺少参考面时,高频段结果不准
2.5D 全波,边界元法,矩量法 层叠结构 某些片上无源结构,PCB 对于边缘效应,3D金属和介质精确建模存在计算时间长,消耗内存大等问题
3D 准静态 低频 连接器和封装的低频建模 高频误差大,趋肤效应误差大
3D 全波 理论上适合任意结构,只有计算机计算能力足够 芯片,封装,电路板,射频微波器件,天线 计算时间长,消耗内存大
一般建议16G内存以上

 

1、准静电磁算法

它 需要三维结构模型。所谓“准静”就是指系统一定支持静电场和稳恒电流存在,表现为静电场和静磁场的场型,更精确地讲,磁通变化率或位移电流很小,故在麦克 斯韦方程组中分别可以忽略B和D对时间的偏导项,对应的麦克斯韦方程分别被称之为准静电和准静磁。由此推导出的算法就被称之为准静电算法和准静磁算法。这 类算法主要用于工频或低频电力系统或电机设备中的EMC仿真。如:变流器母线与机柜间分布参数的提取便可采用准静电磁算法完成。对于高压绝缘装置显然可采 用准静电近似,而大电流设备,如变流器、电机、变压器等,采用准静磁算法是较可取的。

 

2、全波电磁算法

简 单地讲就是求解麦克斯韦方程完整形式的算法。全波算法又分时域和频域算法。有限差分法(FD)、有限积分法(FI)、传输线矩阵法(TLM)、有限元法 (FEM)、边界元法(BEM)、矩量法(MoM)和多层快速多极子法(MLFMM)均属于全波算法。所有的全波算法均需要对仿真区域进行体网格或面网格 分割。前三种方法(FD、FI和TLM法)主要是时域显式算法,且稀疏矩阵,仿真时间与内存均正比于网格数一次方;后四种方法(FEM、BEM、MoM和 MLFMM)均为频域隐式算法。FEM也为稀疏矩阵,仿真时间和内存正比于网格数的平方;而BEM和MoM由于是密集矩阵,所以时间与内存正比是网格数的 三次方。FD、FI、TLM和FEM适用于任意结构任意介质,BEM和MoM适用于任意结构但须均匀非旋介质分布,而MLFMM则主要适用于金属凸结构, 尽管MLFMM具有超线性的网格收敛性,即大家熟知的NlogN计算量。

 
关注与非网微信 ( ee-focus )
限量版产业观察、行业动态、技术大餐每日推荐
享受快时代的精品慢阅读
 

 

继续阅读
罗德与施瓦茨公司联合紫光展锐成功认证LTE终端能力等级1bis测试用例

罗德与施瓦茨公司(以下简称R&S公司)凭借其在移动通信领域的多年积累,联合紫光展锐科技有限公司(以下简称紫光展锐)成功验证通过新的UE能力等级1bis射频和无线资源管理一致性测试用例。

【技术分享】5G 基站射频指标的测试方案及其改进方案

本文介绍了5G关键技术对射频指标测试的影响,然后通过对3GPP标准的解读,分析传统测试在5G基站测试中的弊端,并通过分析得到目前的测试方法里能够适应5G 基站射频指标的测试方案及其改进方案。

【技术分享】矢量测试中的信号不平衡性分析

在射频测试中,矢量信号分析类的仪器应用广泛,例如,矢量信号分析仪中的I/Q信号和矢量网络分析仪中的S参数。

HF RFID技术如何解决行业痛点?带来哪些改变?

最近,物联网硬件解决方案商坤锐电子开发出一种新零售HF RFID解决方案,并迅速推出最新的新零售高频芯片QMars-5U。据坤锐技术开发员介绍,该方案由高灵敏度的读写器与多层天线阵列组成,通过高频RFID技术感应电子标签,可以实现1.2秒内快速、准确地读取所有商品的现存数量。

【技术分享】从焊接质量谈PCB图设计时的注意事项

从PCB设计到所有元件焊接完成为一个质量很高的电路板,需要PCB设计工程师乃至焊接工艺、焊接工人的水平等诸多环节都有着严格的把控。主要有以下因素:PCB图、电路板的质量、器件的质量、器件管脚的氧化程度、锡膏的质量、锡膏的印刷质量、贴片机的程序编制的精确程度、贴片机的贴装质量、回流焊炉的温度曲线的设定等等因素。

更多资讯
【技术分享】建议收藏!主流MOS管封装分类全解

在完成MOS管芯片在制作之后,需要给MOS管芯片加上一个外壳,这就是MOS管封装。该封装外壳主要起着支撑、保护和冷却的作用,同时还可为芯片提供电气连接和隔离,从而将MOS管器件与其它元件构成完整的电路。

本土EDA企业汇总:广立微电子 华大九天 概伦电子 芯禾科技 博达微科技

EDA是集成电路领域内很小但又非常重要的存在。“中兴事件”的爆发,引起国内外一片哗然。在此次事件刚爆发时,某国外EDA巨头发表的停止向中兴提供EDA软件及相关服务的通知也让国人了解到了EDA这一集成电路产业链中的关键一环的重要性。

【技术分享】让机器学习自动用EDA工具对PCB进行布局的方法

在Global Route阶段对Congestion/DRC结果进行预测,指导EDA工具对布局进行优化,进而提高布线的质量,减少DRC违反。

円星科技开发台积电28nm嵌入式闪存制程IP 提供高效能、低功耗的硅智财解决方案

M31在台积电28奈米嵌入式闪存制程技术(TSMC 28nm Embedded Flash Process)所开发的SRAM Compiler硅智财解决方案,能为行动装置、电源管理、物联网、车用电子应用强化SoC设计的功耗表现。

DAIKIN 采用 Mentor 的 Xpedition PCB 设计平台进行全球设计和数据管理

Mentor, a Siemens business 今天宣布,全球领先的空调制造商之一 DAIKIN 选择了 Mentor 的 Xpedition® 印刷电路板 (PCB) 设计流程软件作为其全球设计环境。

Moore8直播课堂
开发板测评
技术讨论
电路方案

1970-01-01 08:00:00