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1、课程目的,了解电磁软件仿真领域及典型软件的特点 了解基本的算法原理 掌握FEKO和HFSS等软件仿真基本问题的方法 掌握利用Ansys AIE软件进行模型修补和网格划分的方法 具备利用软件仿真解决工程问题的能力,电子系统仿真设计方法,第一讲 电磁仿真概述,科学研究的三大方法,理论研究 数学方法、公式等 物理理论、定理等 实验研究 化学实验 生物实验 数值模拟 第三大科学研究方法 发展迅速，逐渐替代了部分实验研究 基于飞速发展的计算机技术 各种工程、理论计算,Guass,Faraday,仿真的特点和优势,灵活性 方便的调整几何结构、材料属性、放置位置等关键参数 针对某一环节进行单独分析 全面、深
2、入 可以根据用户要求分析任意部件、得到系统的任意电磁特性 提供比测试丰富得多的信息 效果 在虚拟原型上改进设计，确保设计一次成功,电磁场仿真的现状和前景,电磁场仿真已经广泛地、成功地应用于电磁性能预测、设计的多个方面。 在理解待分析的问题、合理设置仿真模型和求解参数的前提下，仿真完全可以代替测试。 仿真所具有的高效费比、灵活性可以大幅提高设计效率。,电磁仿真应用领域,EMC/EMI and System Design Verification,RCS/ATR,Microwave Engineering,High-speed Circuits Related,Connectors,biomedi
3、cal,Wireless Comm.,Laser & Optoelectronics,Antennas,RF Components,FASTEST growing market and new challenges,MAXWELL方程组,电磁理论的基础 所有电磁仿真软件的最终目的即为求解麦克斯维方程组,Maxwell,不同问题的特点,是否忽略位移电流决定了问题的类型！,电磁分析方法发展及分类,解析方法（19世纪前） MIE理论 WKB法 高频方法 GO,PO GTD,UTD CT(复射线法),SBR（弹跳射线法） 低频方法 积分方程方法 矩量法（MoM） 多层快速多极子（MLFMM） 微分方程
4、方法 有限元方法（FEM） 有限差分法（FDM） 混合方法 高频/低频混合方法 微分/积分混合方法,电磁算法比较,不同类型算法的特点,积分算法 在目标表面剖分二维网格，减少未知量 考虑了所有网格单元之间的耦合相互作用 矩阵为满阵，求解困难 同等网格剖分尺度前提下，算法精度最高 适合处理辐射、散射、电磁兼容等开域问题 微分算法 稀疏矩阵，求解容易 三维体网格剖分，未知量多 必须对开放边界进行近似处理（ABC、PML等） 可计算规模较小 适用于电小问题、波导器件问题 时域软件适合处理系统的时域响应、宽带响应 高频算法 基于射线方法，考虑局部性效应、不考虑二次源的作用 适合处理电大、平滑结构问题 混
5、合算法 结合高频/精确方法的优点，在精度、速度、计算规模间取得平衡,方程/基/权函数,优点,缺点,FDM 有限差分,基于麦克斯韦方程的微分形式 Base: Quadratic polynoms Weights: Dirac functions,- 稀疏、对角矩阵 - 适用于不均匀介质 - 编程实现简单,- 需要全空间划分网格 - 处理无边界开域问题麻烦 边界条件 数值色散大,FEM 有限元,基于麦克斯韦方程的微分形式 Base: Linear polynoms Weights: Linear polynoms,- - 稀疏、对角矩阵 - 适用于不均匀介质 - 适用于复杂结构,- 需要全空间划分
6、网格 处理无边界开域问题麻烦 编程实现算法较难,MOM/BEM 矩量法和边界元,基于麦克斯韦方程的积分形式 Base: Constant polynoms Weights: Greens functions,- 只对边界划分网格，无需全空间网格划分 - 适用于复杂结构 - 适用于无边界的开域问题,- 稀疏矩阵是满阵 -处理非均匀介质较难,主流电磁算法比较,电磁计算基本步骤,如何进行仿真?,设置物理环境,建立几何模型,划分网格,边界条件,激励源,矩阵求解,结果,材料属性 单位 ,PEC SIBC PML PBC,SPAI QMR ICCG,Parameters S-parameter extra
7、ction Smith Chart V, I & Z Powers RCS Antenna Parameters Joule Heat SAR TDR/TDT SPICE Subcircuit,Port Current Density J Magnetic Field H Electric Field E Plane Wave,Fields E, H Contour E, H Vector Conducting Current Near Field E, H Far Field E, H,电磁分析数值方法的一般步骤,物理问题,数学抽象,计算机程序,求解,结果输出、显示,恢复物理意义,数学,计算
8、机,物理,仿真人员所做的主要工作,仿真软件的核心部分,仿真软件提供友好的界面实现以上功能,时域 vs. 频域,互补 通过FFT & IFFT，结果可以转换 理想情况下，结果应该一致。但实际上，数值色散等误差导致结果不同 没有最好的方法！不同方法适用于不同的应用 频域适用: 窄带、特定已知的频带、稳态问题、材料属性随频率变化 时域适用: 宽带、瞬态脉冲响应、未知频带的问题、材料属性时变 电磁场相关的测量通常在频域进行 VNA, spectrum analyzer, anechoic chamber testing, GTEM/TEM CELL, EMC, materials properties
9、 testing 电路相关的测量通常在时域进行 TDR, Oscilloscope, circuit simulations, etc.,时域仿真的关键问题,时间步长? 稳定性条件 (CFL condition) 空间步长? 几何不连续 每个波长的采样点 模型的纵横比 运行多久? 理想情况下，要求能量通过耗散或辐射达到稳态 实际情况下，能量降低3040 dB即可 关键技术包括: 非均匀网格、子网格、共形网格等 采用隐式格式 时域有限元等新算法 ,频域仿真的关键问题,收敛条件? S 参数 网格尺寸? 几何不连续 每个波长的采样点 扫频分析? 快速扫频分析为确定系统的特征提供了手段，但在谐振等情况
10、下精度可能受影响 关键技术包括: 自适应网格剖分 自适应扫频技术 高阶基函数 更高效的矩阵求解技术（预条件、迭代算法等） ,电磁仿真没能发挥应有作用的主要原因,如何从实际问题出发建立合理的仿真模型 要求对实际问题的物理机制的深刻理解 要求对电磁计算方法的深刻理解 要求对软件功能的深刻理解 如何能得到可信的结果 要求对软件使用、功能的深刻把握 要求有丰富的设计经验 如何利用得到的仿真结果指导设计 要求对物理概念有深刻的理解，能够从数据中得到其物理意义,典型软件介绍,电磁领域市场需求,电磁领域市场需求及份额比例分布图,电磁领域市场分析,从上图我们得到的几点启示(比例数据仅供参考): 目前设计工具还
11、属于市场的主导, 但CAE仿真的市场增长潜力很大； 主要的设计（ECAD）领域有： 模拟电路、高速数字电路的设计； 高频电路的设计(射频、微波、毫米波电路等)； 复杂线缆网络的布线设计； 芯片及其封装的设计等 设计领域占有了近60%的市场, CAE占有近30%的市场份额 几个新兴的发展领域, 市场增长会更为迅速： 芯片及其封装的设计； 芯片及其封装的EMI分析； 高速电路的CAE分析； 线缆的布线设计以及SI、EMI、EMS分析；,电磁领域市场分析,高速数字电路及芯片的设计领域： 该领域市场存在的几家竞争产品有： Cadence (适用于大、中型企业) Mentor (适用于大、中型企业) P
12、rotel (适用于小型企业) Zuken 等 Protel最先进入中国市场, 非常适合于小型企业, 但在高密度电路板的设计和芯片设计等方面能力有限, Cadence、Mentor的市场份额在逐步增加, 非常适合于高密度板和芯片的设计. 这些公司往往还提供信号完整性分析工具,电磁领域市场分析,高速数字电路及芯片的分析领域： 该领域市场存在的几家竞争产品有： Ansoft SIwave和Nexxim CST PCB Studio Sigrity Speed 2000 Apsim Mentor Hyperlynx或Cadence等带的信号完整性分析模块 由于PCB电路的复杂性，这些软件在高密度电路
13、板的分析方面能力有限，只能对某些细节问题进行分析 相对来说，SIwave、 Cadence、Mentor的市场份额较大，使用上由于可以与其配套产品联合仿真，作用也更大,电磁领域市场分析,高频电路的设计领域: 在该领域主要的垄断产品有: Agilent的ADS软件 Ansoft的Designer软件 CST公司的CST Design Studio软件 美国AWR公司的MW office产品 分析： Agilent占有很大的市场份额, 结合高频电磁测试仪器的垄断地位，竞争优势更加明显； Ansoft的Designer软件在该领域属于第二的位置, 它的优势在于他们的产品自成体系, 可以和成熟的HFS
14、S软件有机结合 AWR的MW office软件也是一款很好的射频、微波电路设计软件, 非常适合于小型企业来购买使用.,电磁领域市场分析,复杂系统的线缆网络设计领域: 在该领域主要的设计产品有: 法国IGE-XAO公司的电气设计产品 法国达索公司的Catia产品 Mentor中也带有线缆的布线设计模块 市场特点: 该领域的市场增长潜力大, 有航空、航天、兵器、电子、汽车等各个领域都具有较大的市场； 是一个新兴的市场增长点。 复杂系统线缆网络的分析领域 该领域的主要分析软件有: 德国Simlab公司的CableMod软件 格鲁吉亚EMCos公司的EMC Studio软件,电磁领域市场分析,三维高频
15、电磁场仿真分析领域： 该领域的应用主要应用有： 天线、天线阵列、天线罩、天线的布局分析； 雷达目标的RCS分析及成像； 射频、微波无源器件、微带匹配电路的分析； 系统、设备的EMC； 手机的SAR等 该领域主要的产品: Ansoft公司的HFSS产品 EMSS公司的FEKO软件 CST公司的CST Microwave Studio软件 EField AB公司的Efield 雷达目标的RCS分析软件 基于时域有限差分的软件如REMCOM公司的Xfdtd软件、Empire等 Zeland公司的IE3D、Fidelidy等 美国Sonnet公司的Sonnet微带电路设计软件等 Emind、SEMCA
16、D、FloEMC、Grasp、Redbase等,FEKO简介,三维频域全波电磁场分析软件包 通用性 基于矩量法/多层快速多级子 混合高频PO/GO/UTD、有限元算法 适合求解辐射、散射、EMC问题 电大尺寸处理能力强 同公司主要产品：Magus快速天线设计软件,FEKO的求解算法,UTD,PO,MOM,FEM- MOM,MLFMM,电尺寸,问题的复杂度,FEKO的典型应用领域,HFSS简介,三维频域全波电磁场分析软件包 基于有限元算法，划分四面体网格 采用矢量有限元、自适应网格、快速扫频等特色技术 适合求解微波器件、微带电路、小尺寸的辐射和散射问题 软件对各类问题的适应性很好 同公司主要产品 Designer射频电子学仿真软件 SIwave PCB板仿真软件 Maxwell 低频电磁仿真软件,CST MWS简介,三维时域全波电磁场分析软件包 基于有限体积法算法 适合求解微波器件、微带电路、小尺寸的辐射和散射问题 适合处理宽带问题，处理单频、窄带更难 同公司主要产品 非常全，几乎啥都
