“畫完PCB，打板之前，你是不是也心里打鼓：
“這根差分線到底90 Ω還是88 Ω？Stub 會不會把 5 GHz 信號打回原形？”
跑去借 50 GHz 網絡分析儀？貴到哭。
用商業 SI 軟件？授權費能再買一輛車。
別急，今天給你安利一個寶藏項目：gerber2ems，結合開源的 openEMS solver, 讓你用家里電腦能跑 3D 全波 FDTD，直接看 S 參數、阻抗曲線，還帶動畫的那種！”

項目背景Antmicro 這幫老哥日常給 FPGA、RISC-V 板子做高速接口，信號完整性必須過關。可他們偏偏鐘愛開源：KiCad 畫板、openEMS solver。于是干脆寫了 gerber2ems：把“Gerber + 鉆孔+ 疊層”一鍵翻譯成 openEMS 能吃的 3D 模型，跑完還能跟 VNA 實測對波。項目指路
GitHub地址：https://github.com/antmicro/gerber2emsLicense：Apache 2.0

關于 openEMS 的使用，可以參考：

OpenEMS：免費開源的電磁場求解器

gerber2ems 是一個 Python 腳本，旨在使用開源工具簡化信號完整性(SI) 仿真流程。它接收 PCB 生產文件（Gerber、鉆孔文件、疊層信息）作為輸入，并使用openEMS來仿真走線的信號完整性性能。openEMS 是一款免費開源的電磁場求解器，采用FDTD(時域有限差分) 方法：

https://github.com/thliebig/openEMS-Project/

安裝

安裝 OpenEMS

安裝以下軟件包 (在 Debian/Ubuntu 上):

sudo aptupdatesudo apt install build-essential cmake git libhdf5-dev libvtk9-dev libboost-all-dev libcgal-dev libtinyxml-dev qtbase5-dev libvtk9-qt-dev cython3 pippip install--break-system-packages numpy scipy matplotlib h5py setuptools# 推薦使用此命令，因為 Debian 安裝的 numpy 版本較舊，常導致版本沖突

克隆倉庫、編譯并安裝openEMS。

建議使用bb991bb3這次提交 (commit)，這是與 gerber2ems 一同測試過的最新版本。

gitclonehttps://github.com/thliebig/openEMS-Project.gitpushd./openEMS-Projectgit checkout bb991bb3git submodule update --init --recursive./update_openEMS.sh ~/opt/openEMS --pythonpopd

安裝 gerber2ems 腳本

1. 安裝依賴:

sudoapt install gerbv python3.11pipxpipxensurepath

2. 克隆并安裝gerber2ems:

gitclonehttps://github.com/antmicro/gerber2ems.gitpushd./gerber2emspipx install --system-site-packages .popd

注意：如果你想使用ems2paraview命令，還需運行sudo apt install paraview python3-paraview。

你可以使用內置的示例來測試gerber2ems。這些示例是我們的開源硬件信號完整性測試板(https://openhardware.antmicro.com/boards/si-simulation-test-board/)的切片，使用KiCad SI wrapper生成。部分選定的示例在專用的vna.csv文件中包含了VNA(矢量網絡分析儀) 的測量數據，這使我們能夠將 openEMS 的仿真結果與真實世界的測量數據進行比較。

cd./gerber2ems/examples/stub_shortgerber2ems -a

使用方法

如需快速查閱，請使用gerber2ems --help。

要仿真一條走線，請遵循以下步驟：

1. 準備輸入文件并將它們放入fab/文件夾 (詳見PCB 輸入文件準備部分)。

2. 準備配置文件simulation.json(詳見配置準備部分)。

3. 運行gerber2ems -a(過程詳見幾何結構創建部分)。

4. 在ems/results目錄中查看結果 (詳見結果部分)。

5. 運行gerber2ems -a --export-field并使用Paraview查看電場動畫 (詳見Paraview部分)。

結果

下面展示了stub_short示例的仿真輸出。該軟件返回以下幾類輸出：

S 參數和阻抗數據

仿真過程中收集的阻抗和 S 參數數據，以帶表頭的 CSV 格式存儲。

S 參數圖表

每次激勵期間測量的各 S 參數的圖表。

史密斯圓圖

每次激勵的 S-11 參數圖。

阻抗圖表

每個激勵端口的阻抗隨頻率變化的圖表。

stub_short示例包含一個vna.csv文件，可用于驗證仿真結果。

工作原理

項目準備

仿真整個 PCB 對資源消耗極大，因此，盡可能分離出一個小尺寸的感興趣區域：不需要的走線、鋪銅等都應移除。如果整個層都是多余的，你可以在后續步驟中移除它們。

應在坐標文件中使用虛擬元器件標記感興趣的端口。其標號應以 "SP" 開頭，后跟端口號。

鉆孔文件的原點應置于左下角。

在現實中被端接且會存在于仿真中的每條走線或鋪銅，都應使用仿真端口進行端接或連接到地。

目前，電容不參與仿真。對于高頻仿真，可以用一條走線將其短路來近似處理。

PCB 輸入文件準備

腳本需要多個輸入文件來創建幾何結構。這些文件都應位于 "fab" 文件夾中，具體如下：

• Gerber 文件- 每個需要仿真的銅層都應有一個對應的 Gerber 文件，命名格式如下："<可選文本>-<來自疊層文件的名稱>.gbr"

• 疊層文件- 一個描述 PCB 疊層的文件，名為stackup.json。格式示例：

{ "layers":[   {     "name":"F.Cu",     "type":"copper",     "color":null,     "thickness":0.035,     "material":null,     "epsilon":null,     "lossTangent":null   },   {     "name":"dielectric 1",     "type":"core",     "color":null,     "thickness":0.2,     "material":"FR4",     "epsilon":4.5,     "lossTangent":0.02   } ], "format_version":"1.0"}

• 鉆孔文件- Excellon 格式的帶電鍍通孔的鉆孔文件。文件名應以"-PTH.drl"結尾。

• 坐標文件- 描述端口位置的文件。文件名應以"-pos.csv"結尾。

  • 坐標應相對于左下角給出。

  • 端口的區域根據simulation.json文件中的Width(寬度) 和Length(長度) 值，使用下表中的公式計算：

旋轉 [°]	X 范圍	Y 范圍	波傳播方向
0	(PosX?Width/2,PosX+Width/2)	(PosY,PosY+Length)	沿 Y 軸
90	(PosX?Length,PosX)	(PosY?Width/2,PosY+Width/2)	與 X 軸相反
180	(PosX?Width/2,PosX+Width/2)	(PosY?Length,PosY)	與 Y 軸相反
270	(PosX,PosX+Length)	(PosY?Width/2,PosY+Width/2)	沿 X 軸

• 文件示例：

# Ref   Val       Package        PosX    PosY    Rot SideSP1   Simulation_Port Simulation_Port   3.0000 11.7500180.0000 top

配置準備

simulation.json文件用于配置整個仿真過程。你可以在example_gerbers文件夾中找到示例文件。此文件中的所有尺寸單位均為微米 (micrometers)。該配置文件包含三個部分：

雜項

• format_version- 指定配置文件的格式。編寫新配置時，應使用最新的支持版本 (可在constants.py文件中查看)。

• frequency-start指定了感興趣的最低頻率，stop指定了最高頻率 (單位：Hz)。

• max_steps- 仿真的最大步數，達到此步數后仿真將無條件停止。

• pixel_size- 像素大小，單位為微米。用于 Gerber 轉換 (默認值：5) (由于 libcairo 的限制，對于較大的板子需要增加此值，但應盡量保持其盡可能小)。

• via/plating_thickness- 過孔電鍍層厚度 (單位：微米)。

• via/filling_epsilon- 過孔填充材料的介電常數。如果未填充，則應為 1。

網格

• inter_layers- 相鄰 PCB 層之間 Z 軸上的網格線數量 (默認值：4)。

• optimal- 基本網格間距 (單位：微米) (用于金屬邊緣的單元) (默認值：50)。

• diagonal- 網格間距 (單位：微米) (用于有對角線路徑的區域) (默認值：50)。

• perpendicular- 網格間距 (單位：微米) (用于路徑與網格垂直的區域) (默認值：200)。

• max- 最大網格間距 (單位：微米) (用于板區之外) (默認值：500)。

• cell_ratio/xy- 最佳相鄰單元尺寸比 (X/Y 軸) (默認值：1.2)。

• cell_ratio/z- 最佳相鄰單元尺寸比 (Z 軸) (默認值：1.5)。

• margin/xy- X/Y 軸的邊距大小 (單位：微米) (網格超出 PCB 的距離) (默認值：1000)。

• margin/z- Z 軸的邊距大小 (單位：微米) (默認值：1000)。

• margin/from_trace- 根據感興趣網絡的邊界框限制仿真空間 (默認值：True) (如果為 False，則使用板的邊界框)。

網格間距選項應遵循：

optimal<=diagonal<=perpendicular<=max<=λmin/10

端口

ports是一個端口列表。每個端口都有以下參數：

• width- 端口寬度 (單位：微米)。

• length- 端口長度 (端口目前由微帶線片段組成，其長度應至少為網格單元尺寸的 8 倍) (單位：微米)。

• impedance- 端口的端接阻抗 (驅動器或接收器的阻抗) (單位：歐姆)。

• layer- 端口所在的銅層編號 (從頂部開始計數)。

• plane- 微帶線參考平面所在的銅層編號 (從頂部開始計數)。

• excite- 仿真器是否應將此端口用作輸入端口 (對于多個激勵端口，它們將在單獨的仿真中被激勵)。

差分對/走線

differential_pairs/traces是被仿真信號的列表。每個信號可以有以下字段：

• start_p,stop_p,start_n,stop_n- 用于信號的端口號 (差分對)。

• start,stop- 用于信號的端口號 (單端走線)。

• name- 可選名稱，用于識別信號。

• nets- 在生成網格時要包含的網絡列表 (例如["/CSI_A_CLK_N","/CSI_A_CLK_P"])。如果未指定，將使用netinfo.json文件中的數據。如果該文件也不存在，則在生成網格時會考慮所有網絡 (GND除外)。

幾何結構創建

這是一個通過-g標志啟動的自動步驟。該腳本會定位創建幾何結構所需的所有文件 (Gerber、鉆孔文件、pnp 文件、疊層文件、仿真配置文件)。然后，它使用gerbv將 Gerber 文件轉換為 PNG。接著，這些 PNG 被處理成三角形并輸入到幾何結構中。此過程還會添加過孔和端口的幾何形狀。所有物體都根據疊層文件放置在正確的 Z 軸高度上。

你可以使用AppCSXCAD(在安裝 openEMS 時已安裝) 查看生成的幾何結構，它被保存在ems/geometry/geometry.xml文件中。

仿真

這是一個通過-s標志啟動的自動步驟。該腳本會加載幾何結構和配置文件。它將所有信息輸入引擎并開始仿真，對每個激勵端口進行迭代。

在這一步，用戶應驗證指定的時間步數是否足夠。引擎建議它至少是脈沖長度的 3 倍：

```激勵信號長度為： 3211 時間步 (3.18343e-10s)最大時間步數： 10000 ( --> 3.11429 * 激勵信號長度)```

仿真器將幾何結構轉換為 voxels，并開始為網格中的每個邊求解麥克斯韋方程組。它會執行一定數量的時間步 (在配置中指定的最大數量)，然后退出。對于每個時間步，來自銅層之間平面的電場數據被保存到ems/simulation文件夾的文件中。端口電壓和電流數據也會被保存。

在仿真過程中，其中一個端口使用高斯脈沖(具有寬帶頻率內容) 進行激勵。這個脈沖穿過網絡并從其他端口輸出 (也可能輻射到板外)。

你可以通過查看引擎輸出來監控仿真過程：

[@ 20s] 時間步: 4620 || 速度: 294.4 MC/s (3.372e-03 s/TS) || 能量: ~4.16e-16 (- 7.15dB)

通過這種方式，你可以看到：

• 當前處于哪個時間步

• 仿真器每秒處理多少網格體素

• 系統中剩余多少能量

在仿真過程中，能量應隨著其通過端口離開而下降 (激勵脈沖結束后)，但由于不精確性和輻射能量，它不會降到 0。

仿真結束后，用戶可以使用Paraview驗證數據 (在下文的一個章節中描述)。

后處理

這是一個通過-p標志啟動的自動步驟。該腳本會加載每個激勵端口的仿真數據。然后，它進行FFT(快速傅里葉變換) 以獲取頻域數據。接著，它將入射波和反射波數據轉換為阻抗和 S 參數。這些數據以 CSV 格式保存在ems/results/S-parameters文件夾中。這些數據也會被自動繪制成圖表，圖表保存在ems/results中。

Paraview

要在 Paraview 中查看仿真數據，請遵循以下步驟：

1. 運行gerber2ems -a --export-field

2. 運行ems2paraview

是一個仿真的端口號，在simulation.json中定義，要列出所有可用端口，請使用：ems2paraview -l。

dump locations可以省略 ，或者你可以從以下列表中選擇一個或多個關鍵字：

• outer- 在板表面上方 100 微米處轉儲場

• cu-outer- 在外部銅層的 Z 坐標位置轉儲場

• cu-inner- 在內部銅層的 Z 坐標位置轉儲場

• substrate- 在每個介電層的中間轉儲場

--oversampling - 可以添加此項以增加導出場的頻率 (通常 OpenEMS 每幾百個時間步轉儲一次 Field) (默認值為 4)。

警告

Field 導出文件可能輕易占用數百 GB 的存儲空間。

動畫

要生成動畫，按以下步驟操作：

1. 生成一個 PCB 的 blend 模型 (參見picknblend：https://antmicro.github.io/picknblend/quickstart.html)

2. 使用--export-field標志并增加過采樣率 (--oversampling 16) 運行gerber2ems

3. 將生成的*.vtr文件轉換為灰度 png 圖片 (運行ems2png)

4. 在blender中打開 PCB 的 blend 文件，并附加EMS_Plane(File>>Append..>>EMS_Plane.blend/Object/EMS_Plane)

5. 設置平面尺寸 (它應與切片大小大致相同)

6. 進入Shading(著色) 工作區

7. 在左側的每個紋理節點中，點擊文件夾圖標并選擇第三步生成的編號最小的 png (例如，第一條走線使用simulation_images/e_field_0_0000，第二條使用simulation_images/e_field_1_0000)。

8. 如果動畫只需要顯示一條走線，用一個設置為黑色的 RGB 節點替換掉另一個紋理節點。

9. 在紋理節點上，將源類型從Single Image(單個圖像) 更改為Image Sequence(圖像序列)，并用相應走線生成的圖像數量更新Frames(幀數) 字段。

10. 將視圖模式設置為rendered(渲染)，并將EMS_Plane定位在 PCB 紋理上相應走線的正上方 (你可能需要切換到一個場較強且覆蓋大部分走線的幀)。

11. 選擇EMS_Plane并在圖像序列的第一幀和最后一幀應用任意類型的關鍵幀。

12. 在blendcfg.yaml中添加一個新的預設：

ems_animation:CAMERAS:  PHOTO1: truePOSITIONS:  TOP: trueRENDERER:  FPS: 25SCENE:  RENDERED_OBJECT: Object/EMS_PlaneOUTPUTS:  - ANIMATION:

13. 運行pcbooth -b .blend -c ems_animation

提示

可以考慮創建一個新的 blend 文件，而不是直接使用picknblend的輸出。在這個新文件中，將picknblend的輸出作為鏈接的 blender 模型添加進來。這將允許你重復使用基礎的 blender 模型來展示不同的走線仿真，并能防止gerber2blend/picknblend意外刷新模型。

結束語

雖然gerber2ems目前對復雜電源網絡仿真支持有限，且大板子仍需高性能硬件支持，但它無疑為硬件開發者打開了信號仿真民主化的大門。下次做SI驗證時，不妨讓它幫你省下幾千刀軟件費！