淺談PCB電磁場(chǎng)求解方法及仿真軟件

　　全波算法又稱低頻或精確算法，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)電磁脈沖照射下線纜線束上所感應(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，稱其為2D，而Roger教授關(guān)注是電磁場(chǎng)，并稱之為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意味著傳輸線的金屬厚度被忽略，這種做法對(duì)線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。