市場有多種不同類型的模擬仿真軟件，對于PCB設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計人員為他們的設計任務選擇適用的軟件?？偟膩碚f，在RF和高速數字（HSD）應用中，發現大多數設計較復雜結構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構的剖分方式，某種場求解軟件生成的結果可能比其它類型的軟件更準確。與場求解軟件相比，閉合方程式軟件求解的結果生成速度一般更快，但是閉合方程通常不太準確，且對需模擬的結構類型有更多限制。

1、MWI-2019工具

有很多基于閉合方程式的應用程序可用于一些RF和HSD設計仿真。羅杰斯也為廣大設計工程師提供了一種基于閉合方程式的應用程序 MWI-2019，該程序可以從羅杰斯技術支持中心免費下載[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結構，MWI-2019計算的微帶線非常準確，且已經證明，與實測電路性能結果準確匹配。該軟件可解決阻抗計算、插入損耗、有效介電常數、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，是根據著名的Hammerstad和Jensen發表的一篇重要論文[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系在一起。插入損耗的計算包含介質損耗和導體損耗的總和。對于大于幾個GHz的頻率，需要考慮銅箔表面粗糙度對導體損耗的影響，尤其是微帶線電路的基板-銅箔結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的計算結果可以完美匹配較高頻率范圍內實際電路的性能和損耗特性。

當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是介電常數隨著頻率變化而發生變化的現象。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軟件的協作，Kirschning和Jansen[5]提出的色散模型已被證實更加準確。

總的來說，使用閉合方程式的軟件，生成結果的速度較快，而且可能相對也非常準確。當然，于某些電路模型來說，準確性還取決于對銅箔粗糙度和色散有關問題的特別考慮。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。當設計人員需要模擬仿真平行板結構上的獨立電路時，例如PCB上的濾波器設計，二維場求解器就非常合適。然而，若設計人員希望將濾波器的PCB與連接器相結合考慮，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構，所以二維場求解就能生成準確的結果。但是，連接器轉換，從連接器轉移到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，根據多年的設計和工作經驗，我非常了解連接器過渡和轉換；因此，我可以用一個二維場求解器解決我在PCB上的設計問題。

現今，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格剖分的有限元分析法（FEA）。對模擬的電路的網格剖分，可將連續點變為離散點求解，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格具有是四面體（四面）或六面體（六面）網格元素。任意三維場求解器將利用這些互連的網格元素來計算電路中任意物體，如導體層、介電層、空氣等。相比而言，平面三維場求解器也使用網格進行剖分，但它是一個平面網格，僅用于導體層。對于平面三維軟件，場域仍在三維空間中解析，但是解將是不同導體之間的特性，因此導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果，比如對于電路導體；例如，可以構建多個導體層來形成整個電路導體，整個導體比較厚，從而與另一個厚導體相互作用。

3、結論

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設計調整。我在設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、導體寬度、RF結構等時應進行的權衡。確定基本電路之后，再使用場求解器進行進一步設計仿真和優化。但是，當使用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確，而且通過多年的工作經驗和對MWI軟件的不斷優化，該軟件和實測結果之間已經有很好的匹配度。

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