市場有多種不同類型的模擬仿真軟件，對于PCB設(shè)計人員來說都很有幫助。每種工具又有自己的功能和限制，了解它們的基本特征可以幫助設(shè)計人員為他們的設(shè)計任務(wù)選擇適用的軟件。總的來說，在RF和高速數(shù)字（HSD）應(yīng)用中，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)設(shè)計較復(fù)雜結(jié)構(gòu)所使用的工具是場求解器。然后，場求解器也有許多不同類型的產(chǎn)品。

鑒于多種原因，了解模擬仿真工具之間的基本差異是很重要的。在一些情況中，由于軟件實施場求解的方式和模擬結(jié)構(gòu)的剖分方式，某種場求解軟件生成的結(jié)果可能比其它類型的軟件更準(zhǔn)確。與場求解軟件相比，閉合方程式軟件求解的結(jié)果生成速度一般更快，但是閉合方程通常不太準(zhǔn)確，且對需模擬的結(jié)構(gòu)類型有更多限制。

1、MWI-2019工具

有很多基于閉合方程式的應(yīng)用程序可用于一些RF和HSD設(shè)計仿真。羅杰斯也為廣大設(shè)計工程師提供了一種基于閉合方程式的應(yīng)用程序 MWI-2019，該程序可以從羅杰斯技術(shù)支持中心免費下載[1]。MWI-2019使用了許多不同的典型閉合方程式，可以計算和仿真多種常規(guī)的微波電路，例如，最常用微帶線傳輸線電路。微帶傳輸線是一種常用的RF結(jié)構(gòu)，MWI-2019計算的微帶線非常準(zhǔn)確，且已經(jīng)證明，與實測電路性能結(jié)果準(zhǔn)確匹配。該軟件可解決阻抗計算、插入損耗、有效介電常數(shù)、波長、傳輸延遲、相位角等多個問題。

MWI-2019軟件中針對于微帶線的模擬計算，是根據(jù)著名的Hammerstad和Jensen發(fā)表的一篇重要論文[2]中定義的閉合方程式。該論文中的基本理論將電路的有效Dk、阻抗和插入損耗問題聯(lián)系在一起。插入損耗的計算包含介質(zhì)損耗和導(dǎo)體損耗的總和。對于大于幾個GHz的頻率，需要考慮銅箔表面粗糙度對導(dǎo)體損耗的影響，尤其是微帶線電路的基板-銅箔結(jié)合面的粗糙度的影響。有許多不同的模型可以用于銅箔粗糙度計算，而在MWI-2019中使用的是最為有效的Hall- Huray[3]模型。從而，MWI-2019的計算結(jié)果可以完美匹配較高頻率范圍內(nèi)實際電路的性能和損耗特性。

當(dāng)使用閉合方程式求解時，例如對于微帶線，還需考慮傳輸線的色散問題。微帶線電路被認為是色散的。基本上來說，色散是由于傳輸過程中電磁場均通過空氣和介質(zhì)引起的。空氣沒有色散，但是介電材料有色散。介電材料的色散問題其本質(zhì)是介電常數(shù)隨著頻率變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象。由于這種變化，微帶傳輸線在不同頻率下會有不同的波傳播特性-波的傳播會隨頻率不同而改變-例如高頻波的波長較短。Deibele和Beyer發(fā)表的論文[4]提供了一個適用于微帶線的極佳色散模型，但是鑒于閉合方程式與MWI-2019軟件的協(xié)作，Kirschning和Jansen[5]提出的色散模型已被證實更加準(zhǔn)確。

總的來說，使用閉合方程式的軟件，生成結(jié)果的速度較快，而且可能相對也非常準(zhǔn)確。當(dāng)然，于某些電路模型來說，準(zhǔn)確性還取決于對銅箔粗糙度和色散有關(guān)問題的特別考慮。反過來說，對于閉合方程式軟件，還有其它需要考慮的潛在問題。

2、場求解器

有兩種類型的場求解器：二維場求解器和三維場求解器。當(dāng)設(shè)計人員需要模擬仿真平行板結(jié)構(gòu)上的獨立電路時，例如PCB上的濾波器設(shè)計，二維場求解器就非常合適。然而，若設(shè)計人員希望將濾波器的PCB與連接器相結(jié)合考慮，仿真連接器到PCB的阻抗過渡后的電路性能，則最好使用三維場求解器。PCB上的濾波器本身是一個平行板結(jié)構(gòu)，所以二維場求解就能生成準(zhǔn)確的結(jié)果。但是，連接器轉(zhuǎn)換，從連接器轉(zhuǎn)移到PCB上，是一個需解決的三維問題，所以三維場求解器將是正確的選擇。對于我進行的實驗，根據(jù)多年的設(shè)計和工作經(jīng)驗，我非常了解連接器過渡和轉(zhuǎn)換；因此，我可以用一個二維場求解器解決我在PCB上的設(shè)計問題。

現(xiàn)今，二維場求解器通常指2.5維或平面三維場計算，而真實的三維場求解器通常指任意三維場求解。當(dāng)然，這些描述是簡化描述，通常平面三維場求解是用矩量法（MoM）求解麥克斯韋方程組，而任意三維場求解器求解麥克斯韋方程組是利用三維網(wǎng)格剖分的有限元分析法（FEA）。對模擬的電路的網(wǎng)格剖分，可將連續(xù)點變?yōu)殡x散點求解，同時計算點與點的相互作用和影響。任意三維場求解器使用的三維網(wǎng)格具有是四面體（四面）或六面體（六面）網(wǎng)格元素。任意三維場求解器將利用這些互連的網(wǎng)格元素來計算電路中任意物體，如導(dǎo)體層、介電層、空氣等。相比而言，平面三維場求解器也使用網(wǎng)格進行剖分，但它是一個平面網(wǎng)格，僅用于導(dǎo)體層。對于平面三維軟件，場域仍在三維空間中解析，但是解將是不同導(dǎo)體之間的特性，因此導(dǎo)體之間的介電材料必然會有影響。利用平面三維場可以得到與任意三維軟件相似的電路求解結(jié)果，比如對于電路導(dǎo)體；例如，可以構(gòu)建多個導(dǎo)體層來形成整個電路導(dǎo)體，整個導(dǎo)體比較厚，從而與另一個厚導(dǎo)體相互作用。

3、結(jié)論

總的來說（我通常使用這些程序的方式），我將把閉合方程式軟件用作一個粗略工具，而使用場求解器進行詳細細節(jié)設(shè)計調(diào)整。我在設(shè)計階段的初期使用閉型計算器，完成在考慮不同高頻電路材料、厚度、導(dǎo)體寬度、RF結(jié)構(gòu)等時應(yīng)進行的權(quán)衡。確定基本電路之后，再使用場求解器進行進一步設(shè)計仿真和優(yōu)化。但是，當(dāng)使用MWI-2019軟件時，若我僅做一些簡單的諸如微帶傳輸線的電路，則通常不需要場求解器。這是因為MWI-2019對于這類電路來說已非常準(zhǔn)確，而且通過多年的工作經(jīng)驗和對MWI軟件的不斷優(yōu)化，該軟件和實測結(jié)果之間已經(jīng)有很好的匹配度。

參考文獻

1. Rogerscorp.com/techub.

2. “Accurate models ofcomputer aided microstrip design,” E. Hammerstad and O. Jensen, IEEEMTT-SSymposium Digest, p.407, May 1980.

3. “Multi-GHz, CausalTransmission Line Modeling Methodology with a Hemispherical Surface RoughnessApproach,” S.H. Hall, S.G. Pytel, P.G. Huray, D. Hua, A. Moonshiram, G. Brist,and E. Sijercic, IEEETransactionson Microwave Theory and Techniques, December 2007, pp2614–2624.

4. “Measurements ofmicrostrip effective relative permittivities,” S. Deibele and J.B. Beyer, IEEETrans.Microwave Theory Tech., vol.MTT-35, pp. 535-538, May 1987.

5. “Accurate model foreffective dielectric constant of microstrip with validity up to millimeterwavefrequencies,” M. Kirschning and R.H. Jansen, Electronics Letters, Vol.18, No. 6, p. 272-273, March 1982