本文原刊登于SemiWiki.com：《System-level Electromagnetic Coupling Analysis is now possible, and necessary》

作者：Tom Dillinger

編輯整理：肖運輝（Ansys中國高頻產品線技術經理）

隨著機箱中的電磁密度不斷增加，以及工作頻帶的擴大，設計師不得不重視電磁能量的輻射與耦合所帶來的問題。不同設計單元之間的干擾可能導致耦合噪聲引發故障和/或由于電氣過載造成的產品可靠性降低。

雖然傳統的經驗法則在設計印刷電路板上的高速信號非常有效，例如接地層定位、差分對阻抗匹配、布線屏蔽等，但當前設計的復雜性要求開展更全面的電磁分析。除了（主板、子板和夾層）PCB以外，還需要結合無源組件、連接器和（柔性）線纜的詳細電氣模型，然后仿真系統在適當帶寬的信號能量激勵下的電磁響應。

幸運的是，多年來在構建和仿真全波電磁系統模型方面的能力已經取得長足的發展。最近，我有幸與Ansys首席產品經理Matt Commens探討了其中一些與HFSS工具套件有關的進展。

用于電子系統的全波計算電磁仿真工具（例如HFSS），試圖為一般3D環境求解麥克斯韋方程組。該系統放置在包圍電磁分析域的盒中，這個體積和其中的電子設備被劃分成合適的“網格”，由此創建出大量的（四面體）3D網格單元，其中的密集網格與單獨組件的詳細共形幾何結構相關。每個網格單元頂點處的電場與磁場（以及表面上相應的電流）用“基”函數的組合來表示，以求解給定激勵頻率下三維麥克斯韋方程組（微分形式）的近似解。

為網格劃分生成大型矩陣，該矩陣通常是極為稀疏的。指定激勵和邊界條件，然后求解所有基函數的系數，從而為完整系統的電磁行為提供高度準確的近似值，對于系統中的所有激勵，只需求解一個矩陣。值得注意的是，這是一個全耦合電磁分析，通過離散體積整合了材料屬性和3D幾何結構。

為什么電磁耦合如此重要？參考一下上面所示的簡單示例，其顯示了電路板上微帶線的三個例子，長度完全相同，但具有不同的蜿蜒屬性。由于線路的不同部分之間存在電磁自耦合，因此每個部分的頻率響應（例如插入損耗）顯著不同，需要對彎曲分段的線路構建離散化網格，才能準確計算其行為。

現在再來看下面的示例，其詳細的場分布要更加復雜，Matt將這個電子系統視為設計師試圖為這種類型的模型分析電磁行為的代表性示例。

Matt笑著說道：“當我在20多年前剛開始使用HFSS的時候，我們解決的系統可能有10K-40K矩陣未知數。而現在，我們通常會求解超過100M個矩陣單元的模型，電磁分析的持續進步已經大大豐富了可以仿真的設計類型。”  Matt詳細講述了其中的一些進展。

為更好的利用HPC資源，在HFSS中融合了多項算法增強功能。

• 跨分布系統進行矩陣劃分和求解

  獨特的域分解算法對系統級模型進行劃分（無需在域接口處添加簡化的假設）

• 將云計算資源用于網格生成和矩陣求解器

• 跨CPU核心和分布式節點進行高效頻率掃描分析

  寬帶頻率響應使用內插值掃描；在計算出的S參數響應快速改變的范圍內選擇額外采樣點

• 模型參數變化敏感度分析（“解析求導”）

最后一個特性值得特別強調。Matt指出：“HFSS支持虛擬的網格擾動方法開展變量分析，設計師可以在系統模型中識別一組參數，并且很容易查看電磁分析結果如何隨制造誤差的變化而改變，只需少許仿真時間，比在不同的參數樣本和具有小尺寸變化的獨特網格上運行完整仿真要高效得多。”  這項功能提供的深入洞察有助于設計師專注于成本與制造容差之間的權衡。

Matt還指出HFSS最近與網格生成有關的三項關鍵強化功能。

上文描述了3D網格對于最終精度的重要性。求解電場的初始網格-電場梯度的計算可以表明局部網格細化的適當位置（表示局部場的基函數也可以更新）。求解新的網格，并迭代此過程，直至連續通過的次數遠小于收斂標準。HFSS最近擴展了這項功能，在用戶指定的范圍內使用多個頻率解來調整每次迭代的網格，從而當寬帶頻譜能量存在時可以提高結果精度。

過去，設計師很難構建一個綜合（“端到端”）模型，即便是單個長距離、高速信號接口。從堆疊生成PCB跡線S參數模型相對簡單，但是從廠商獲得連接器和線纜的模型通常難度較大。于是，Ansys意識到要實現鏈路仿真和最終的系統級分析，需要一種新穎的方法，并研發出“3D組件”方法：

• 廠商通過工具生成用于發布的加密模型（無需施加特定激勵和邊界條件）

• 這些“內在”模型可直接用于仿真

  HFSS可以完全訪問該模型，但廠商能夠保護他們的專有IP

• 通過用戶定義的參數值，可以方便地支持模型重復使用（見下圖）

電子系統的電磁分析步驟包括：

• 材料規范

• 定義邊界條件和激勵

• 確定需要的頻率范圍

• 網格生成

• 跨頻率范圍進行矩陣求解/仿真

• 結果后處理

網格生成是最終結果精度的關鍵。Matt表示：“IC封裝、連接器、PCB和底盤的最佳網格劃分方法各不相同，不過，它們都涉及耦合場，在局部使用合適的網格技術至關重要” 。自適應網格細化與3D組件模型的結合有助于Ansys在整個系統中重點運用最適合MCAD幾何結構的特定網格劃分方法。

下面是上述復雜示例的網格和電磁仿真結果。

在最新版本2021 R1的Ansys HFSS中納入了這種“網格融合”功能，想要了解更多網格融合的技術細節，歡迎報名參加3月9日——Ansys HFSS 2021 R1新功能介紹網絡研討會。

傳統的電子系統電磁分析方法重點關注的是PCB設計和高速信號，定義電路板堆疊和材料屬性，并仿真信號跡線，生成信號丟失和相鄰跡線（近端/遠端）串擾的S參數響應模型，并將其整合到后續的電路仿真中，以測量總體發送/接收信號的保真度。然而，與連接單個S參數模型相比，當前電子系統的復雜性需要一種更全面的方法進行電磁耦合仿真，系統將集成從音頻到毫米波的廣泛信號頻率，并在極緊湊的體積外殼中采用高級封裝。

Ansys HFSS團隊正在著力推進多項技術更新，包括計算和網格生成的關鍵領域，以實現這樣的分析。現在，設計師可以使用可控的計算資源來評估和優化過去無法實現的模型范圍。

想了解有關Ansys HFSS新功能的更多信息，敬請報名3月9日網絡研討會！