把Gerber变成电磁波：推荐一款基于Gerber的openEMS仿真工具 - gerber2ems

“画完PCB，打板之前，你是不是也心里打鼓：
“这根差分线到底90 Ω还是88 Ω？Stub 会不会把 5 GHz 信号打回原形？”
跑去借 50 GHz 网络分析仪？贵到哭。
用商业 SI 软件？授权费能再买一辆车。
别急，今天给你安利一个宝藏项目：gerber2ems，结合开源的 openEMS solver, 让你用家里电脑能跑 3D 全波 FDTD，直接看 S 参数、阻抗曲线，还带动画的那种！”

项目背景Antmicro 这帮老哥日常给 FPGA、RISC-V 板子做高速接口，信号完整性必须过关。可他们偏偏钟爱开源：KiCad 画板、openEMS solver。于是干脆写了 gerber2ems：把“Gerber + 钻孔+ 叠层”一键翻译成 openEMS 能吃的 3D 模型，跑完还能跟 VNA 实测对波。项目指路
GitHub地址：https://github.com/antmicro/gerber2emsLicense：Apache 2.0

关于 openEMS 的使用，可以参考：

OpenEMS：免费开源的电磁场求解器

gerber2ems 是一个 Python 脚本，旨在使用开源工具简化信号完整性(SI) 仿真流程。它接收 PCB 生产文件（Gerber、钻孔文件、叠层信息）作为输入，并使用openEMS来仿真走线的信号完整性性能。openEMS 是一款免费开源的电磁场求解器，采用FDTD(时域有限差分) 方法：

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

安装

安装 OpenEMS

安装以下软件包 (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# 推荐使用此命令，因为 Debian 安装的 numpy 版本较旧，常导致版本冲突

克隆仓库、编译并安装openEMS。

建议使用bb991bb3这次提交 (commit)，这是与 gerber2ems 一同测试过的最新版本。

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

安装 gerber2ems 脚本

1. 安装依赖:

sudoapt install gerbv python3.11pipxpipxensurepath

2. 克隆并安装gerber2ems:

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

注意：如果你想使用ems2paraview命令，还需运行sudo apt install paraview python3-paraview。

你可以使用内置的示例来测试gerber2ems。这些示例是我们的开源硬件信号完整性测试板(https://openhardware.antmicro.com/boards/si-simulation-test-board/)的切片，使用KiCad SI wrapper生成。部分选定的示例在专用的vna.csv文件中包含了VNA(矢量网络分析仪) 的测量数据，这使我们能够将 openEMS 的仿真结果与真实世界的测量数据进行比较。

cd./gerber2ems/examples/stub_shortgerber2ems -a

使用方法

如需快速查阅，请使用gerber2ems --help。

要仿真一条走线，请遵循以下步骤：

1. 准备输入文件并将它们放入fab/文件夹 (详见PCB 输入文件准备部分)。

2. 准备配置文件simulation.json(详见配置准备部分)。

3. 运行gerber2ems -a(过程详见几何结构创建部分)。

4. 在ems/results目录中查看结果 (详见结果部分)。

5. 运行gerber2ems -a --export-field并使用Paraview查看电场动画 (详见Paraview部分)。

结果

下面展示了stub_short示例的仿真输出。该软件返回以下几类输出：

S 参数和阻抗数据

仿真过程中收集的阻抗和 S 参数数据，以带表头的 CSV 格式存储。

S 参数图表

每次激励期间测量的各 S 参数的图表。

史密斯圆图

每次激励的 S-11 参数图。

阻抗图表

每个激励端口的阻抗随频率变化的图表。

stub_short示例包含一个vna.csv文件，可用于验证仿真结果。

工作原理

项目准备

仿真整个 PCB 对资源消耗极大，因此，尽可能分离出一个小尺寸的感兴趣区域：不需要的走线、铺铜等都应移除。如果整个层都是多余的，你可以在后续步骤中移除它们。

应在坐标文件中使用虚拟元器件标记感兴趣的端口。其标号应以 "SP" 开头，后跟端口号。

钻孔文件的原点应置于左下角。

在现实中被端接且会存在于仿真中的每条走线或铺铜，都应使用仿真端口进行端接或连接到地。

目前，电容不参与仿真。对于高频仿真，可以用一条走线将其短路来近似处理。

PCB 输入文件准备

脚本需要多个输入文件来创建几何结构。这些文件都应位于 "fab" 文件夹中，具体如下：

• Gerber 文件- 每个需要仿真的铜层都应有一个对应的 Gerber 文件，命名格式如下："<可选文本>-<来自叠层文件的名称>.gbr"

• 叠层文件- 一个描述 PCB 叠层的文件，名为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"}

• 钻孔文件- Excellon 格式的带电镀通孔的钻孔文件。文件名应以"-PTH.drl"结尾。

• 坐标文件- 描述端口位置的文件。文件名应以"-pos.csv"结尾。

  • 坐标应相对于左下角给出。

  • 端口的区域根据simulation.json文件中的Width(宽度) 和Length(长度) 值，使用下表中的公式计算：

旋转 [°]	X 范围	Y 范围	波传播方向
0	(PosX−Width/2,PosX+Width/2)	(PosY,PosY+Length)	沿 Y 轴
90	(PosX−Length,PosX)	(PosY−Width/2,PosY+Width/2)	与 X 轴相反
180	(PosX−Width/2,PosX+Width/2)	(PosY−Length,PosY)	与 Y 轴相反
270	(PosX,PosX+Length)	(PosY−Width/2,PosY+Width/2)	沿 X 轴

• 文件示例：

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

配置准备

simulation.json文件用于配置整个仿真过程。你可以在example_gerbers文件夹中找到示例文件。此文件中的所有尺寸单位均为微米 (micrometers)。该配置文件包含三个部分：

杂项

• format_version- 指定配置文件的格式。编写新配置时，应使用最新的支持版本 (可在constants.py文件中查看)。

• frequency-start指定了感兴趣的最低频率，stop指定了最高频率 (单位：Hz)。

• max_steps- 仿真的最大步数，达到此步数后仿真将无条件停止。

• pixel_size- 像素大小，单位为微米。用于 Gerber 转换 (默认值：5) (由于 libcairo 的限制，对于较大的板子需要增加此值，但应尽量保持其尽可能小)。

• via/plating_thickness- 过孔电镀层厚度 (单位：微米)。

• via/filling_epsilon- 过孔填充材料的介电常数。如果未填充，则应为 1。

网格

• inter_layers- 相邻 PCB 层之间 Z 轴上的网格线数量 (默认值：4)。

• optimal- 基本网格间距 (单位：微米) (用于金属边缘的单元) (默认值：50)。

• diagonal- 网格间距 (单位：微米) (用于有对角线路径的区域) (默认值：50)。

• perpendicular- 网格间距 (单位：微米) (用于路径与网格垂直的区域) (默认值：200)。

• max- 最大网格间距 (单位：微米) (用于板区之外) (默认值：500)。

• cell_ratio/xy- 最佳相邻单元尺寸比 (X/Y 轴) (默认值：1.2)。

• cell_ratio/z- 最佳相邻单元尺寸比 (Z 轴) (默认值：1.5)。

• margin/xy- X/Y 轴的边距大小 (单位：微米) (网格超出 PCB 的距离) (默认值：1000)。

• margin/z- Z 轴的边距大小 (单位：微米) (默认值：1000)。

• margin/from_trace- 根据感兴趣网络的边界框限制仿真空间 (默认值：True) (如果为 False，则使用板的边界框)。

网格间距选项应遵循：

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

端口

ports是一个端口列表。每个端口都有以下参数：

• width- 端口宽度 (单位：微米)。

• length- 端口长度 (端口目前由微带线片段组成，其长度应至少为网格单元尺寸的 8 倍) (单位：微米)。

• impedance- 端口的端接阻抗 (驱动器或接收器的阻抗) (单位：欧姆)。

• layer- 端口所在的铜层编号 (从顶部开始计数)。

• plane- 微带线参考平面所在的铜层编号 (从顶部开始计数)。

• excite- 仿真器是否应将此端口用作输入端口 (对于多个激励端口，它们将在单独的仿真中被激励)。

差分对/走线

differential_pairs/traces是被仿真信号的列表。每个信号可以有以下字段：

• start_p,stop_p,start_n,stop_n- 用于信号的端口号 (差分对)。

• start,stop- 用于信号的端口号 (单端走线)。

• name- 可选名称，用于识别信号。

• nets- 在生成网格时要包含的网络列表 (例如["/CSI_A_CLK_N","/CSI_A_CLK_P"])。如果未指定，将使用netinfo.json文件中的数据。如果该文件也不存在，则在生成网格时会考虑所有网络 (GND除外)。

几何结构创建

这是一个通过-g标志启动的自动步骤。该脚本会定位创建几何结构所需的所有文件 (Gerber、钻孔文件、pnp 文件、叠层文件、仿真配置文件)。然后，它使用gerbv将 Gerber 文件转换为 PNG。接着，这些 PNG 被处理成三角形并输入到几何结构中。此过程还会添加过孔和端口的几何形状。所有物体都根据叠层文件放置在正确的 Z 轴高度上。

你可以使用AppCSXCAD(在安装 openEMS 时已安装) 查看生成的几何结构，它被保存在ems/geometry/geometry.xml文件中。

仿真

这是一个通过-s标志启动的自动步骤。该脚本会加载几何结构和配置文件。它将所有信息输入引擎并开始仿真，对每个激励端口进行迭代。

在这一步，用户应验证指定的时间步数是否足够。引擎建议它至少是脉冲长度的 3 倍：

```激励信号长度为： 3211 时间步 (3.18343e-10s)最大时间步数： 10000 ( --> 3.11429 * 激励信号长度)```

仿真器将几何结构转换为 voxels，并开始为网格中的每个边求解麦克斯韦方程组。它会执行一定数量的时间步 (在配置中指定的最大数量)，然后退出。对于每个时间步，来自铜层之间平面的电场数据被保存到ems/simulation文件夹的文件中。端口电压和电流数据也会被保存。

在仿真过程中，其中一个端口使用高斯脉冲(具有宽带频率内容) 进行激励。这个脉冲穿过网络并从其他端口输出 (也可能辐射到板外)。

你可以通过查看引擎输出来监控仿真过程：

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

通过这种方式，你可以看到：

• 当前处于哪个时间步

• 仿真器每秒处理多少网格体素

• 系统中剩余多少能量

在仿真过程中，能量应随着其通过端口离开而下降 (激励脉冲结束后)，但由于不精确性和辐射能量，它不会降到 0。

仿真结束后，用户可以使用Paraview验证数据 (在下文的一个章节中描述)。

后处理

这是一个通过-p标志启动的自动步骤。该脚本会加载每个激励端口的仿真数据。然后，它进行FFT(快速傅里叶变换) 以获取频域数据。接着，它将入射波和反射波数据转换为阻抗和 S 参数。这些数据以 CSV 格式保存在ems/results/S-parameters文件夹中。这些数据也会被自动绘制成图表，图表保存在ems/results中。

Paraview

要在 Paraview 中查看仿真数据，请遵循以下步骤：

1. 运行gerber2ems -a --export-field

2. 运行ems2paraview

是一个仿真的端口号，在simulation.json中定义，要列出所有可用端口，请使用：ems2paraview -l。

dump locations可以省略 ，或者你可以从以下列表中选择一个或多个关键字：

• outer- 在板表面上方 100 微米处转储场

• cu-outer- 在外部铜层的 Z 坐标位置转储场

• cu-inner- 在内部铜层的 Z 坐标位置转储场

• substrate- 在每个介电层的中间转储场

--oversampling - 可以添加此项以增加导出场的频率 (通常 OpenEMS 每几百个时间步转储一次 Field) (默认值为 4)。

警告

Field 导出文件可能轻易占用数百 GB 的存储空间。

动画

要生成动画，按以下步骤操作：

1. 生成一个 PCB 的 blend 模型 (参见picknblend：https://antmicro.github.io/picknblend/quickstart.html)

2. 使用--export-field标志并增加过采样率 (--oversampling 16) 运行gerber2ems

3. 将生成的*.vtr文件转换为灰度 png 图片 (运行ems2png)

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

5. 设置平面尺寸 (它应与切片大小大致相同)

6. 进入Shading(着色) 工作区

7. 在左侧的每个纹理节点中，点击文件夹图标并选择第三步生成的编号最小的 png (例如，第一条走线使用simulation_images/e_field_0_0000，第二条使用simulation_images/e_field_1_0000)。

8. 如果动画只需要显示一条走线，用一个设置为黑色的 RGB 节点替换掉另一个纹理节点。

9. 在纹理节点上，将源类型从Single Image(单个图像) 更改为Image Sequence(图像序列)，并用相应走线生成的图像数量更新Frames(帧数) 字段。

10. 将视图模式设置为rendered(渲染)，并将EMS_Plane定位在 PCB 纹理上相应走线的正上方 (你可能需要切换到一个场较强且覆盖大部分走线的帧)。

11. 选择EMS_Plane并在图像序列的第一帧和最后一帧应用任意类型的关键帧。

12. 在blendcfg.yaml中添加一个新的预设：

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

13. 运行pcbooth -b .blend -c ems_animation

提示

可以考虑创建一个新的 blend 文件，而不是直接使用picknblend的输出。在这个新文件中，将picknblend的输出作为链接的 blender 模型添加进来。这将允许你重复使用基础的 blender 模型来展示不同的走线仿真，并能防止gerber2blend/picknblend意外刷新模型。

结束语

虽然gerber2ems目前对复杂电源网络仿真支持有限，且大板子仍需高性能硬件支持，但它无疑为硬件开发者打开了信号仿真民主化的大门。下次做SI验证时，不妨让它帮你省下几千刀软件费！