三維建模與電磁場仿真新工具3D Workbench的介紹及使用方法圖文詳解

在Cadence公司剛剛發布的Sigrity^? 2018版本中，介紹了全新的三維建模與電磁場仿真工具——3D Workbench。它具有當前市場上主流3D CAD 產品的用戶界面（GUI），采用了經業界多年驗證的PowerSI^? 3D-EM仿真引擎（Engine）與多樣且高效的網格劃分（Mesh）選項 。

它的出現彌補了機械與電氣仿真領域的隔閡。通過支持機械設計導入， 3D Workbench可在同一仿真模型中融合機械部件（如連接器、插座、接口等）與PCB、IC封裝，從而對整個電氣連接系統作通盤考慮，精確分析其他仿真工具所忽略的連接點、接觸等對整個信號鏈路的傳輸特性影響，產品開發團隊自此可以實現跨多板信號的快速精準分析。

3D Workbench作為Cadence首款支持3D CAD三維電磁場工具，可以與同屬Cadence 旗下的Sigrity 、Allegro^?等其他仿真與設計平臺實現數據互通與設計仿真無縫結合。較當前市場上依賴第三方數據與模型轉換的的其他三維電磁場仿真工具而言，3D Workbench 可提供效率更高、出錯率更低的解決方案，大幅縮短設計-仿真周期的同時降低設計失誤風險。

那么， 3D Workbench到底具有怎樣的功能特點，在實際操作中又將如何應用呢？小編請來最早接觸并使用到這個新工具的同事龐誠來為大家詳細解說該工具的四大功能：3D Workbench的建模界面與模型導入、網格化分選項、參數掃描仿真與分析，以及全功能腳本命令（Tcl）錄制與回放，并向大家圖示展示3D Workbench的基本工作流程。

3D Workbench工具特點

3D Workbench 具備當前主流的3D CAD工具的建模界面。具有三維模型界面（三維坐標軸與建模網格）、工程樹、幾何體構建工具以及布爾運算工具等。如下圖所示，該建模界面由上方的菜單欄和工具欄、下方的Tcl命令窗口和信息輸出窗口、左側的“工程樹”面板和“實體屬性”面板，以及占據主要位置的三維模型界面構成。

用戶可以在三維模型界面中創建或對導入的模型做修改，并且利用3D Workbench提供的諸多方便的實用程序，完成材料編輯、邊界設置、端口設置等一系列仿真模型定義工作。

作為Cadence 公司Sigrity品牌下的新成員，三維建模與電磁場分析工具——3D Workbench支持來自Cadence其他工具的PCB/封裝設計文件（如brd，sip等）、IC設計文件（如gds等）以及模型文件（如spd，psix等）的模型導入。除此之外, 3D Workbench也支持導入來自于第三方（如 PADS，Zuken等）的設計文件。更重要的是，3D Workbench支持sat，stp，step等格式的機械設計文件導入，從而實現跨領域的模型構建與仿真。

3D Workbench提供了Sigma Mesh 與 D Mesh 兩大類網格劃分算法，采用四面體網格單元對求解區域內所設定的電磁場問題進行求解。在初始網格劃定并求解后， 3D Workbench會根據預先設定的收斂標準，對不符合誤差設定的區域做網格精煉，最終獲得符合收斂標準的仿真結果。

除上述兩大類網格算法外， 3D Workbench還提供了‘基于全局(Global) ’、‘基于局部(Local Map)’以及‘全局粗糙(Coarse)’三種網格劃分子策略，以及‘信號線最大網格長度(Signal net max edge length)’，‘網格播種(Mesh Seeding)’等子選項，適用于多種電磁場仿真場景。

與其他第三方三維電磁場仿真軟件相比， 3D Workbench提供的網格算法清晰透明，用戶可以設定初始網格的粗糙程度，甚至可以具體到特定網絡、特定實體的網格尺寸。

3D Workbench更可以根據不同設計需求，選擇不同的算法：

• 需要對模型求解區域作整體快速粗略估計，選擇Sigma Mesh算法或D Mesh算法中的 ‘Coarse’子選項

• 需要對模型求解區域內的信號網絡做精細分析，選擇Sigma Mesh算法或D Mesh算法中的 ‘Local Map’子選項，并根據信號線尺度、求解波長等參量對 ‘信號線最大網格長度 (Signal net max edge length)’做適當設置。信號網絡會以該值為最大網格邊長做初始網格劃分

• 需要對模型求解區域內的某一條或某幾條信號線做精細分析，選擇D Mesh算法中的 ‘Local Map’子選項，并根據該信號線尺度、求解波長等參量對該信號線的表面網格播種值 (Seeding Value) 做適當設置。這些信號線會以該值為最大網格邊長做初始網格劃分

• 需要對模型求解區域全局做精確分析，選擇D Mesh算法中的 ‘Global’子選項，網格算法會以求解區域內的最小結構為參考并結合求解波長做初始網格剖分，以犧牲部分計算資源與時間來換取對模型全局的仿真精度

以下是不同仿真場景的簡單對比，用戶可以根據需求選擇最合適的仿真方式：

通過內置的 Sweeping Analyzer實用程序，用戶可以對特定的模型參數（包括尺寸參數，位置參數等）在一定范圍內做掃描分析。

其次，設置參數掃描方案。用戶可以設置單一參數、多個參數以及組合參數的掃描方案。

然后，選擇參數掃描仿真（Start Sweeping Simulation）。上述參數掃描方案中的子案例（Case）會依次生成并自動進入仿真隊列進行仿真。

最后， 待所有子案例仿真完成，通過選擇‘Result Summary’可以一次性在BNPViewer中觀察所有掃描子案例的S參數結果，方便做結果篩選與對比分析。

即用戶在3D Workbench 界面上的所有操作均可以以Tcl腳本語言的方式記錄下來，并且該腳本可以為用戶所編輯并在3D Workbench中做回放。

全功能腳本命令的支持對復雜模型的建立與重構帶來了極大的便利。

3D Workbench案例演示

現在來向大家展示3D Workbench基本的工作流程。本案例包含了PCB設計文件與機械結構設計文件的聯合導入與模型融合，并展示了模型修正、材料設置、端口與邊界設置、仿真設置等基本的工作步驟。

啟動3DWorkbench，新建一個Project并通過Import導入PCB模型（.spd文件）

為SMA機械設計模型創建一個新的 ‘用戶坐標系’

通過Import導入SMA的機械設計模型

通過調整 ‘用戶坐標系’參數，使PCB模型與SMA模型在物理上 ‘對準’并在特定點 ‘接合’

為SMA模型中的實體設置 ‘屬性’（材料，網絡名，網絡類型等）

分別在PCB端與SMA端添加端口

設置仿真邊界條件（通過調整原屬于PCB模型的邊界條件實現）

設置仿真選項（頻率設置，求解設置，網格設置等

啟動仿真，完成后查看仿真結果