2.2. Краткий обзор программных средств моделирования электромагнитных полей

Пакет SpeedXP компании Sigrity [3] представляет собой интегрированную среду анализа целостности сигналов и перекрестных искажений на сложных печатных платах и кристаллах интегральных микросхем. В состав пакета входят приложения Speed2000 и PowerSI и новый продукт XcitePI, предназначенный для моделирования проблем электромагнитной совместимости в корпусах и подложках высокоскоростных интегральных схем. Программа Speed2000 - это пакет анализа проблем электромагнитной совместимости с оригинальным вычислительным ядром, работающий во временной области. Программа PowerSI выполняет аналогичные функции, но ее ядро работает в частотной области. Здесь можно рассчитать спектры сигналов и помех в различных проводниках печатной платы, оценить частотные характеристики отдельных узлов микросхемы, оптимизировать размещение экранов. В дополнение к ним в состав пакета SpeedXP входит программа BroadBand SPICE, предназначенная для экстракции SPICE схем замещения устройств, описанных матрицами S-параметров, что дает возможность учитывать их в пакетах моделирования на основе ядра HSPICE.

Пакет программ семейства Omega PLUS компании QUANTIC EMC [4] предназначен для анализа целостности проекта, т.е. оценки влияния конструктивных особенностей печатных плат на их электрические характеристики и моделирования ЭМС, т.е. расчета электромагнитных полей, до изготовления реальных конструкций. Здесь могут быть получены спектры излучения платы в заданном диапазоне частот, уровни токов в проводниках, а также интенсивность электрического и магнитного полей над платой. В пакет Omega PLUS входят следующие модули: SPECCTRA - учитывает требования к перекрестным искажениям и задержкам сигналов; EmcScan - моделирование электромагнитного излучения печатных плат. Рассчитываются комплексные амплитуды токов и напряжений, напряженности электрического и магнитного полей на заданных частотах. При превышении допустимого уровня излучения диагностируется цепь или область печатной платы, вносящая наибольший вклад в уровень излучения, и производится повторная трассировка, изменяются типы компонентов, вводятся слои; BoardScan - анализ печатных плат, расчет паразитных эффектов, интерференционных сигналов и электромагнитного излучения. Compliance - моделирование электромагнитных полей, возбуждаемых радиоэлектронными конструкциями, включающими в себя печатные платы, кабельные соединения и корпуса. Layout Tool Interfaces – позволяет импортировать печатные платы из разных САПР.

Программа моделирования печатных плат фирмы Mentor Graphics – Hyperlinx [5]. Программа Hyperlinx включает в себя модуля: LineSim - модуль для предварительного топологического анализа и BoardSim - модуль пост топологического анализа. LineSim можно использовать для анализа цепей на целостность сигналов, перекрестные помехи и электромагнитную совместимость. Scope Simulator позволяет вам установить зонды и запустить моделирование целостности сигналов печатной платы, почти также как вы это делаете на цифровом осциллографе. Анализатор спектра Spectrum Analyzer позволяет вам моделировать ЭМС. Можно отобразить спектр выпущенного дифференциального излучения или спектр токовых кривых. Мастер Termination Wizard позволяет рассчитывать оптимальное значение для согласования компонентов. При применении этих значений на схеме автоматически появляются нужные компоненты. BoardSim модуль позволяет выполнять моделирование печатной платы после окончания трассировки. BoardSim можно использовать для анализа целостности сигналов, наводок и ЭМС. Причем такой анализ может быть выполнен как для отдельного проводника, так и для всей печатной платы. Для моделирования печатной платы можно импортировать топологию из множества топологических редакторов, таких как PADS, Board_Stn., PCAD, Specctra, Allegro и др.

ANSYS\Multiphysics - это основной программный продукт ANSYS,inc. [6], который представляет собой многоцелевой пакет для расчета задач различной физической природы, а также позволяет проводить электромагнитный анализ. Электромагнитный анализ осуществляется с помощью модуля ANSYS/Emag. Данный модуль производит расчеты в области магнитостатики, электростатики, электропроводности, а также низкочастотный и высокочастотный анализ. Продукты низкочастотного электромагнитного анализа используются для установившегося, переходного, гармонического изучения низкочастотного электрического и магнитного поля. Можно моделировать низкочастотные электрические токи и электрические поля в проводящих и емкостных системах, так же как магнитные поля от токов или постоянных магнитов. ANSYS/Emag обеспечивает всесторонний диапазон особенностей анализа чтобы обратиться к различным потребностям электромагнитного проектирования, от разработки двигателей до ионной оптики. Построитель цепи позволяет приложить гармонические, переходные по времени нагружения током и напряжением непосредственно к конечно-элементной модели через графически сгенерированную схему цепи. Связь цепи с конечно-элементной областью позволяет моделировать питаемые цепью устройства, где нелинейные эффекты (насыщение) должны быть учтены. ANSYS Multiphysics предоставляет возможность высокочастотного или полноволнового электромагнитного моделирования, применимого к явлениям резонанса, распространения, излучения и рассеяния в частотной области. Приложения включают разработку микроволновых пассивных компонентов и цепей, проектирование антенн и обнаружение объектов. Комплекс обладает возможностью расчета связанных задач, например, моделировать эффекты джоулевого нагрева посредством связанной физики электромагнетизма и теплопереноса. Комплекс позволяет создавать непосредственную сетку конечных элементов (т.е. узлы и элементы), а также геометрическую модель, на основе которой далее создается сетка конечных элементов. А также позволяет импортировать геометрические модели практически из всех CAD систем, включая UG, Pro/E, а также чтение нейтральных геометрических форматов IGES, SAT, STEP и др., которые в дальнейшем могут быть модифицированы любым образом в среде ANSYS.

Еще одним продуктом компании ANSYS Inc. [6] является программное обеспечение Ansoft Maxwell которое является более простым инструментом в освоение, чем более известный аналог ANSYS Emag. Maxwell также базируется на методе конечных элементов и предназначен для моделирования электромагнитных полей при проектировании и исследовании двумерных и трехмерных моделей электрических устройств различного применения. Для облегчения работы разработчика предусмотрена библиотека свойств материалов, удобные средства для параметризации модели и автоматизации расчетов при различных сочетаниях параметров. В сочетании с Ansoft Maxwell можно использовать другие программные продукты разработки Ansoft упрощающие процесс моделирования в Maxwell. Это программный продукты PExprt и Q3D Extractor. PExprt ускоряет проектирование и оптимизацию трансформаторов и катушек индуктивности. Используя комбинирование классического метода и метода конечных элементов, PExprt определяет оптимальные размеры и формы сердечника, воздушные зазоры, способ намотки. По заданным пользователем параметрам, PExprt определяет несколько вариантов реализации устройства, используя библиотеки стандартных компонентов - сердечников и корпусов катушек. Для каждого варианта программа рассчитывает различные параметры, например, мощность рассеяния. Программный продукт Q3D Extractor позволяет определить паразитные параметры в элементах электрических схем. Q3D Extractor выполняет 3D и 2D моделирование электромагнитного поля, требуемое для извлечения RLC-параметров, в подключенной к питанию схеме и автоматически создает эквивалентную схему замещения.