[分享] PCB电路设计中的模拟仿真和计算

市场有多种不同类型的模拟仿真软件，对于PCB设计人员来说都很有帮助。每种工具又有自己的功能和限制，了解它们的基本特征可以帮助设计人员为他们的设计任务选择适用的软件。总的来说，在RF和高速数字（HSD）应用中，发现大多数设计较复杂结构所使用的工具是场求解器。然后，场求解器也有许多不同类型的产品。
鉴于多种原因，了解模拟仿真工具之间的基本差异是很重要的。在一些情况中，由于软件实施场求解的方式和模拟结构的剖分方式，某种场求解软件生成的结果可能比其它类型的软件更准确。与场求解软件相比，闭合方程式软件求解的结果生成速度一般更快，但是闭合方程通常不太准确，且对需模拟的结构类型有更多限制。
1、MWI-2019工具
有很多基于闭合方程式的应用程序可用于一些RF和HSD设计仿真。罗杰斯也为广大设计工程师提供了一种基于闭合方程式的应用程序 MWI-2019，该程序可以从罗杰斯技术支持中心免费下载[1]。MWI-2019使用了许多不同的典型闭合方程式，可以计算和仿真多种常规的微波电路，例如，最常用微带线传输线电路。微带传输线是一种常用的RF结构，MWI-2019计算的微带线非常准确，且已经证明，与实测电路性能结果准确匹配。该软件可解决阻抗计算、插入损耗、有效介电常数、波长、传输延迟、相位角等多个问题。
MWI-2019软件中针对于微带线的模拟计算，是根据著名的Hammerstad和Jensen发表的一篇重要论文[2]中定义的闭合方程式。该论文中的基本理论将电路的有效Dk、阻抗和插入损耗问题联系在一起。插入损耗的计算包含介质损耗和导体损耗的总和。对于大于几个GHz的频率，需要考虑铜箔表面粗糙度对导体损耗的影响，尤其是微带线电路的基板-铜箔结合面的粗糙度的影响。有许多不同的模型可以用于铜箔粗糙度计算，而在MWI-2019中使用的是最为有效的Hall- Huray[3]模型。从而，MWI-2019的计算结果可以完美匹配较高频率范围内实际电路的性能和损耗特性。
当使用闭合方程式求解时，例如对于微带线，还需考虑传输线的色散问题。微带线电路被认为是色散的。基本上来说，色散是由于传输过程中电磁场均通过空气和介质引起的。空气没有色散，但是介电材料有色散。介电材料的色散问题其本质是介电常数随着频率变化而发生变化的现象。由于这种变化，微带传输线在不同频率下会有不同的波传播特性-波的传播会随频率不同而改变-例如高频波的波长较短。Deibele和Beyer发表的论文[4]提供了一个适用于微带线的极佳色散模型，但是鉴于闭合方程式与MWI-2019软件的协作，Kirschning和Jansen[5]提出的色散模型已被证实更加准确。
总的来说，使用闭合方程式的软件，生成结果的速度较快，而且可能相对也非常准确。当然，于某些电路模型来说，准确性还取决于对铜箔粗糙度和色散有关问题的特别考虑。反过来说，对于闭合方程式软件，还有其它需要考虑的潜在问题。
2、场求解器
有两种类型的场求解器：二维场求解器和三维场求解器。当设计人员需要模拟仿真平行板结构上的独立电路时，例如PCB上的滤波器设计，二维场求解器就非常合适。然而，若设计人员希望将滤波器的PCB与连接器相结合考虑，仿真连接器到PCB的阻抗过渡后的电路性能，则最好使用三维场求解器。PCB上的滤波器本身是一个平行板结构，所以二维场求解就能生成准确的结果。但是，连接器转换，从连接器转移到PCB上，是一个需解决的三维问题，所以三维场求解器将是正确的选择。对于我进行的实验，根据多年的设计和工作经验，我非常了解连接器过渡和转换；因此，我可以用一个二维场求解器解决我在PCB上的设计问题。
现今，二维场求解器通常指2.5维或平面三维场计算，而真实的三维场求解器通常指任意三维场求解。当然，这些描述是简化描述，通常平面三维场求解是用矩量法（MoM）求解麦克斯韦方程组，而任意三维场求解器求解麦克斯韦方程组是利用三维网格剖分的有限元分析法（FEA）。对模拟的电路的网格剖分，可将连续点变为离散点求解，同时计算点与点的相互作用和影响。任意三维场求解器使用的三维网格具有是四面体（四面）或六面体（六面）网格元素。任意三维场求解器将利用这些互连的网格元素来计算电路中任意物体，如导体层、介电层、空气等。相比而言，平面三维场求解器也使用网格进行剖分，但它是一个平面网格，仅用于导体层。对于平面三维软件，场域仍在三维空间中解析，但是解将是不同导体之间的特性，因此导体之间的介电材料必然会有影响。利用平面三维场可以得到与任意三维软件相似的电路求解结果，比如对于电路导体；例如，可以构建多个导体层来形成整个电路导体，整个导体比较厚，从而与另一个厚导体相互作用。
3、结论
总的来说（我通常使用这些程序的方式），我将把闭合方程式软件用作一个粗略工具，而使用场求解器进行详细细节设计调整。我在设计阶段的初期使用闭型计算器，完成在考虑不同高频电路材料、厚度、导体宽度、RF结构等时应进行的权衡。确定基本电路之后，再使用场求解器进行进一步设计仿真和优化。但是，当使用MWI-2019软件时，若我仅做一些简单的诸如微带传输线的电路，则通常不需要场求解器。这是因为MWI-2019对于这类电路来说已非常准确，而且通过多年的工作经验和对MWI软件的不断优化，该软件和实测结果之间已经有很好的匹配度。