电磁仿真概述

1、编辑课件编辑课件1课程目的课程目的n 了解电磁软件仿真领域及典型软件的特点了解电磁软件仿真领域及典型软件的特点n 了解基本的算法原理了解基本的算法原理n 掌握掌握FEKO和和HFSS等软件仿真基本问题的等软件仿真基本问题的方法方法n 掌握利用掌握利用Ansys AIE软件进行模型修补和软件进行模型修补和网格划分的方法网格划分的方法n 具备利用软件仿真解决工程问题的能力具备利用软件仿真解决工程问题的能力 编辑课件编辑课件2电子系统仿真设计方法电子系统仿真设计方法第一讲第一讲 电磁仿真概述电磁仿真概述编辑课件编辑课件3科学研究的三大方法科学研究的三大方法n 理论研究理论研究l 数学方法、公式等l

2、物理理论、定理等n 实验研究实验研究l 化学实验l 生物实验l n 数值模拟数值模拟l 第三大科学研究方法l 发展迅速，逐渐替代了部分实验研究l 基于飞速发展的计算机技术l 各种工程、理论计算GuassFaraday编辑课件编辑课件4仿真的特点和优势仿真的特点和优势n 灵活性灵活性l 方便的调整几何结构、材料属性、放置位置等关键参数方便的调整几何结构、材料属性、放置位置等关键参数l 针对某一环节进行单独分析针对某一环节进行单独分析n 全面、深入全面、深入l 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l 提供比测试丰富得多的信息提供比

3、测试丰富得多的信息n 效果效果l 在虚拟原型上改进设计，确保设计一次成功在虚拟原型上改进设计，确保设计一次成功Development processConcept phaseTest phaseProduction phaseNumber of possible fixesCost of making fixes编辑课件编辑课件5 电磁场仿真的现状和前景电磁场仿真的现状和前景n电磁场仿真已经广泛地、成功地应用于电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。磁性能预测、设计的多个方面。n在理解待分析的问题、合理设置仿真模型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

4、，仿真完全可以代替和求解参数的前提下，仿真完全可以代替测试。测试。n仿真所具有的高效费比、灵活性可以大幅仿真所具有的高效费比、灵活性可以大幅提高设计效率。提高设计效率。编辑课件编辑课件6电磁仿真应用领域电磁仿真应用领域 EMC/EMI and System Design VerificationRCS/ATRMicrowave EngineeringHigh-speed Circuits RelatedConnectorsbiomedicalWireless Comm.Laser &OptoelectronicsAntennasRF ComponentsFASTEST growing

5、market and new challenges编辑课件编辑课件7MAXWELL方程组方程组n 电磁理论的基础电磁理论的基础n 所有电磁仿真软件的最终所有电磁仿真软件的最终目的即为求解麦克斯维方目的即为求解麦克斯维方程组程组o Et BE0 BtoooEJBMaxwell编辑课件编辑课件8不同问题的特点不同问题的特点麦氏方程近似频率分析方法0稳态或静态分析低准稳态或低频分析高全波高频分析0t0t0t是否忽略位移电流决定了问题的类型！编辑课件编辑课件9电磁分析方法发展及分类电磁分析方法发展及分类n 解析方法（解析方法（19世纪前）世纪前）l MIE理论l WKB法n 高频方法高频方法l GO,

6、POl GTD,UTDl CT(复射线法),SBR（弹跳射线法）n 低频方法低频方法l 积分方程方法n 矩量法（MoM）n 多层快速多极子（MLFMM）l 微分方程方法n 有限元方法（FEM）n 有限差分法（FDM）l 混合方法n 高频/低频混合方法n 微分/积分混合方法编辑课件编辑课件10电磁算法比较电磁算法比较Field methodSource methodBaseElectromagnetic fieldsCurrents and chargesEquationsDifferential equationsIntegral equationsDiscretisation3-dimens

7、ional2-dimensionalInfinity of space (open problem)Special ABCs must be introducedExact treatmentMethodsFinite Difference methods (FD)Finite Element methods (FEM)Method of Moments (MoM)Available codeXFDTD, Empire, SEMCAD, HFSS, CSTFEKO, IE3D, WIPL-D编辑课件编辑课件11不同类型算法的特点不同类型算法的特点n 积分算法积分算法n 在目标表面剖分二维网格，

8、减少未知量在目标表面剖分二维网格，减少未知量n 考虑了所有网格单元之间的耦合相互作用考虑了所有网格单元之间的耦合相互作用n 矩阵为满阵，求解困难矩阵为满阵，求解困难n 同等网格剖分尺度前提下，算法精度最高同等网格剖分尺度前提下，算法精度最高n 适合处理辐射、散射、电磁兼容等开域问题适合处理辐射、散射、电磁兼容等开域问题n 微分算法微分算法n 稀疏矩阵，求解容易稀疏矩阵，求解容易n 三维体网格剖分，未知量多三维体网格剖分，未知量多n 必须对开放边界进行近似处理（必须对开放边界进行近似处理（ABC、PML等）等）n 可计算规模较小可计算规模较小n 适用于电小问题、波导器件问题适用于电小问题、波导器

9、件问题n 时域软件适合处理系统的时域响应、宽带响应时域软件适合处理系统的时域响应、宽带响应n 高频算法高频算法n 基于射线方法，考虑局部性效应、不考虑二次源的作用基于射线方法，考虑局部性效应、不考虑二次源的作用n 适合处理电大、平滑结构问题适合处理电大、平滑结构问题n 混合算法混合算法n 结合高频结合高频/精确方法的优点，在精度、速度、计算规模间取得平衡精确方法的优点，在精度、速度、计算规模间取得平衡编辑课件编辑课件12方程方程/基基/权函数权函数优点优点缺点缺点FDM有限差分基于麦克斯韦方程的微分形式Base: Quadratic polynomsWeights: Dirac functio

10、ns- 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 polynomsWeights: 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 polynomsWeights: 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

11、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主流电磁算法比较编辑课件编辑课件13电磁计算基本步骤电磁计算基本步骤n如何进行仿真?设置物理环境设置物理环境建立几何模型建立几何模型划分网格划分网格 边界条件边界条件激励源激励源矩阵求解矩阵求解结果结果 材料属性材料属性 单位单位 PEC SIBC PML PBC SPAI QMR ICCGParameters S-parameter extraction Smith Chart V, I & Z Powers RCS Antenna Parameters Joule Heat SAR TDR/TDT SPICE Su

12、bcircuit Port Current Density J Magnetic Field H Electric Field E Plane WaveFields E, H Contour E, H Vector Conducting Current Near Field E, H Far Field E, H编辑课件编辑课件14电磁分析数值方法的一般步骤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编辑课件编辑课件15时域时域 vs. 频域频域n 互补互补l 通过通过

13、FFT & IFFT，结果可以转换，结果可以转换l 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同n 没有最好的方法！不同方法适用于不同的应用没有最好的方法！不同方法适用于不同的应用l 频域适用频域适用: 窄带、特定已知的频带、稳态问题、材料属性随频率变化窄带、特定已知的频带、稳态问题、材料属性随频率变化l 时域适用时域适用: 宽带、瞬态脉冲响应、未知频带的问题、材料属性时变宽带、瞬态脉冲响应、未知频带的问题、材料属性时变l 电磁场相关的测量通常在频域进行电磁场相关的测量通常在频域进行n VNA, spect

14、rum analyzer, anechoic chamber testing, GTEM/TEM CELL, EMC, materials properties testingl 电路相关的测量通常在时域进行电路相关的测量通常在时域进行n TDR, Oscilloscope, circuit simulations, etc.编辑课件编辑课件16时域仿真的关键问题时域仿真的关键问题n 时间步长时间步长?l 稳定性条件稳定性条件 (CFL condition)n 空间步长空间步长?l 几何不连续几何不连续l 每个波长的采样点每个波长的采样点l 模型的纵横比模型的纵横比n 运行多久运行多久?l 理

15、想情况下，要求能量通过耗散或辐射达到稳态理想情况下，要求能量通过耗散或辐射达到稳态l 实际情况下，能量降低实际情况下，能量降低3040 dB即可即可n 关键技术包括关键技术包括: l 非均匀网格、子网格、共形网格等非均匀网格、子网格、共形网格等l 采用隐式格式采用隐式格式l 时域有限元等新算法时域有限元等新算法l 编辑课件编辑课件17频域仿真的关键问题频域仿真的关键问题n 收敛条件收敛条件?l S 参数参数n 网格尺寸网格尺寸?l 几何不连续几何不连续l 每个波长的采样点每个波长的采样点n 扫频分析扫频分析?n 快速扫频分析为确定系统的特征提供了手段，但在谐振等情况下精度可能受快速扫频分析为确

16、定系统的特征提供了手段，但在谐振等情况下精度可能受影响影响n关键技术包括关键技术包括: l自适应网格剖分自适应网格剖分l自适应扫频技术自适应扫频技术l高阶基函数高阶基函数l更高效的矩阵求解技术（预条件、迭代算法等）更高效的矩阵求解技术（预条件、迭代算法等）l编辑课件编辑课件18电磁仿真没能发挥应有作用的主要原因电磁仿真没能发挥应有作用的主要原因n如何从实际问题出发建立合理的仿真模型如何从实际问题出发建立合理的仿真模型l要求对实际问题的物理机制的深刻理解要求对实际问题的物理机制的深刻理解l要求对电磁计算方法的深刻理解要求对电磁计算方法的深刻理解l要求对软件功能的深刻理解要求对软件功能的深刻理解n

17、如何能得到可信的结果如何能得到可信的结果l要求对软件使用、功能的深刻把握要求对软件使用、功能的深刻把握l要求有丰富的设计经验要求有丰富的设计经验n如何利用得到的仿真结果指导设计如何利用得到的仿真结果指导设计l要求对物理概念有深刻的理解，能够从数据中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得到其物理意义编辑课件编辑课件19典型软件介绍典型软件介绍 编辑课件编辑课件20电磁领域市场需求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需求及份额比例分布图编辑课件编辑课件21电磁领域市场分析电磁领域市场分析n从上图我们得到的几点启示从上图我们得到的几点启示(比例数据仅供比例数

18、据仅供参考参考):l目前设计工具还属于市场的主导目前设计工具还属于市场的主导, 但但CAE仿真仿真的市场增长潜力很大；的市场增长潜力很大；n主要的设计（主要的设计（ECAD）领域有：）领域有：l模拟电路、高速数字电路的设计；模拟电路、高速数字电路的设计；l高频电路的设计高频电路的设计(射频、微波、毫米波电路等射频、微波、毫米波电路等)；l复杂线缆网络的布线设计；复杂线缆网络的布线设计；l芯片及其封装的设计等芯片及其封装的设计等n设计领域占有了近设计领域占有了近60%的市场的市场, CAE占有近占有近30%的市的市场份额场份额l几个新兴的发展领域几个新兴的发展领域, 市场增长会更为迅速：市场增长

19、会更为迅速：n芯片及其封装的设计；芯片及其封装的设计；n芯片及其封装的芯片及其封装的EMI分析；分析； n高速电路的高速电路的CAE分析；分析；n线缆的布线设计以及线缆的布线设计以及SI、EMI、EMS分析；分析；编辑课件编辑课件22电磁领域市场分析电磁领域市场分析n高速数字电路及芯片的设计领域：高速数字电路及芯片的设计领域：l该领域市场存在的几家竞争产品有：该领域市场存在的几家竞争产品有：nCadence (适用于大、中型企业适用于大、中型企业)nMentor (适用于大、中型企业适用于大、中型企业)nProtel (适用于小型企业适用于小型企业)nZuken 等等lProtel最先进入中国

20、市场最先进入中国市场, 非常适合于小型企业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但在高密度电路板的设计和芯片设计等方面能力有限有限, Cadence、Mentor的市场份额在逐步增加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非常适合于高密度板和芯片的设计.l这些公司往往还提供信号完整性分析工具这些公司往往还提供信号完整性分析工具编辑课件编辑课件23电磁领域市场分析电磁领域市场分析n高速数字电路及芯片的分析领域：高速数字电路及芯片的分析领域：l该领域市场存在的几家竞争产品有：该领域市场存在的几家竞争产品有：nAnsoft SIwave和和Nexxim nCS

21、T PCB StudionSigrity Speed 2000nApsimnMentor Hyperlynx或或Cadence等带的信号完整性分析等带的信号完整性分析模块模块l由于由于PCB电路的复杂性，这些软件在高密度电路电路的复杂性，这些软件在高密度电路板的分析方面能力有限，只能对某些细节问题进板的分析方面能力有限，只能对某些细节问题进行分析行分析l相对来说，相对来说，SIwave、 Cadence、Mentor的市场份的市场份额较大，使用上由于可以与其配套产品联合仿真额较大，使用上由于可以与其配套产品联合仿真，作用也更大，作用也更大编辑课件编辑课件24电磁领域市场分析电磁领域市场分析n高

22、频电路的设计领域高频电路的设计领域:l在该领域主要的垄断产品有在该领域主要的垄断产品有:nAgilent的的ADS软件软件nAnsoft的的Designer软件软件nCST公司的公司的CST Design Studio软件软件n美国美国AWR公司的公司的MW office产品产品l分析：分析：nAgilent占有很大的市场份额占有很大的市场份额, 结合高频电磁测试仪器的结合高频电磁测试仪器的垄断地位，竞争优势更加明显；垄断地位，竞争优势更加明显；nAnsoft的的Designer软件在该领域属于第二的位置软件在该领域属于第二的位置, 它的优它的优势在于他们的产品自成体系势在于他们的产品自成体系

23、, 可以和成熟的可以和成熟的HFSS软件有软件有机结合机结合nAWR的的MW office软件也是一款很好的射频、微波电路软件也是一款很好的射频、微波电路设计软件设计软件, 非常适合于小型企业来购买使用非常适合于小型企业来购买使用.编辑课件编辑课件25电磁领域市场分析电磁领域市场分析n复杂系统的线缆网络设计领域复杂系统的线缆网络设计领域:l在该领域主要的设计产品有在该领域主要的设计产品有:n法国法国IGE-XAO公司的电气设计产品公司的电气设计产品n法国达索公司的法国达索公司的Catia产品产品nMentor中也带有线缆的布线设计模块中也带有线缆的布线设计模块l市场特点市场特点:n该领域的市场

24、增长潜力大该领域的市场增长潜力大, 有航空、航天、兵器、电有航空、航天、兵器、电子、汽车等各个领域都具有较大的市场；子、汽车等各个领域都具有较大的市场；n是一个新兴的市场增长点。是一个新兴的市场增长点。 n复杂系统线缆网络的分析领域复杂系统线缆网络的分析领域l该领域的主要分析软件有该领域的主要分析软件有:n德国德国Simlab公司的公司的CableMod软件软件n格鲁吉亚格鲁吉亚EMCos公司的公司的EMC Studio软件软件编辑课件编辑课件26电磁领域市场分析电磁领域市场分析n 三维高频电磁场仿真分析领域：三维高频电磁场仿真分析领域：l 该领域的应用主要应用有：该领域的应用主要应用有：n

25、天线、天线阵列、天线罩、天线的布局分析；天线、天线阵列、天线罩、天线的布局分析；n 雷达目标的雷达目标的RCS分析及成像；分析及成像；n 射频、微波无源器件、微带匹配电路的分析；射频、微波无源器件、微带匹配电路的分析；n 系统、设备的系统、设备的EMC；n 手机的手机的SAR等等l 该领域主要的产品该领域主要的产品:n Ansoft公司的公司的HFSS产品产品n EMSS公司的公司的FEKO软件软件n CST公司的公司的CST Microwave Studio软件软件n EField AB公司的公司的Efield 雷达目标的雷达目标的RCS分析软件分析软件n 基于时域有限差分的软件如基于时域有

26、限差分的软件如REMCOM公司的公司的Xfdtd软件、软件、Empire等等n Zeland公司的公司的IE3D、Fidelidy等等n 美国美国Sonnet公司的公司的Sonnet微带电路设计软件等微带电路设计软件等n Emind、SEMCAD、FloEMC、Grasp、Redbase等等编辑课件编辑课件27FEKO简介简介n 三维频域全波电磁场分析软件包三维频域全波电磁场分析软件包l 通用性l 基于矩量法/多层快速多级子l 混合高频PO/GO/UTD、有限元算法l 适合求解辐射、散射、EMC问题l 电大尺寸处理能力强n 同公司主要产品：同公司主要产品：Magus快速天线设计软件快速天线设计

27、软件编辑课件编辑课件28FEKO的求解算法的求解算法UTDPOMOMFEM-MOMMLFMM电尺寸问题的复杂度编辑课件编辑课件29FEKOFEKO的典型应用领域的典型应用领域编辑课件编辑课件30HFSS简介简介n 三维频域全波电磁场分析软件包三维频域全波电磁场分析软件包l 基于有限元算法，划分四面体网格l 采用矢量有限元、自适应网格、快速扫频等特色技术l 适合求解微波器件、微带电路、小尺寸的辐射和散射问题l 软件对各类问题的适应性很好n 同公司主要产品同公司主要产品l Designer射频电子学仿真软件l SIwave PCB板仿真软件l Maxwell 低频电磁仿真软件编辑课件编辑课件31C

28、ST MWS简介简介n 三维时域全波电磁场分析软件包三维时域全波电磁场分析软件包l 基于有限体积法算法l 适合求解微波器件、微带电路、小尺寸的辐射和散射问题l 适合处理宽带问题，处理单频、窄带更难n 同公司主要产品同公司主要产品l 非常全，几乎啥都有，看起来功能也都可以l CST EMS低频电磁工作室l CST PCB/Cable Studio电路板/电缆束工作室l CST Particle Studio粒子工作室编辑课件编辑课件32SimLab（CST PCB/Cable Studio）应用简介）应用简介n PCB板级板级EMC问题问题l 信号完整性（信号完整性（SI）n 信号的串扰（传导、辐射）信号的串扰（传导、辐射）n 信号的反射信号的反射n 信号的延时信号的延时n 信号的衰减信号的衰减n 信号的滤波信号的滤波l 电源完整性（电源完整性（PI）n 电源电源/地的谐振地的谐振n 电源电源/地电压的波动