EMCUBE_Overview课件

1、仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation中仿科技January 19, 2022EM.CUBE 整体介绍仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovationEM.CUBE EM.CUBE 简要概括简要概括2多尺度多引擎电磁仿真工具多尺度多引擎电磁仿真工具模块化的架构模块化的架构CubeCAD前处理模块提供了一个通用的，参数化的三维前处理模块提供了一个通用的，参数化的三维CAD建模环境，同时包括各种网格生成功能建模环境，同时包括各种网格生成功能

2、模拟引擎作为插件，使用模拟引擎作为插件，使用ASCII码输入和输出数据文件码输入和输出数据文件在同一平台下共享所有的数据可视化和计算，模型生成，在同一平台下共享所有的数据可视化和计算，模型生成， 扫描和优化工具扫描和优化工具仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation计算电磁学计算电磁学(CEM)(CEM)3CEM 方法可以分作三大类：方法可以分作三大类：静态静态 & 准静态准静态 (低频低频)全波全波 (通用通用&精确精确)渐进渐进 (高频高频) 全波算法是

3、将麦克斯韦方程组的动态场形式离散化，再全波算法是将麦克斯韦方程组的动态场形式离散化，再求解每个网格单元上降阶的离散方程。求解每个网格单元上降阶的离散方程。仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovationWHAT TO SOLVE & HOW TO SOLVE IT?WHAT TO SOLVE & HOW TO SOLVE IT?4为给定的问题选择一个适合的数值算法一直是电磁模拟的一为给定的问题选择一个适合的数值算法一直是电磁模拟的一大难题。大难题。我们常常会找到不

4、止一种的数值算法来求解同一个问题。我们常常会找到不止一种的数值算法来求解同一个问题。由于准确性，计算效率，结构和材料的复杂度和几何精度的由于准确性，计算效率，结构和材料的复杂度和几何精度的不同，不同的算法对于计算资源的要求也各不一样。不同，不同的算法对于计算资源的要求也各不一样。仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation模型模型 &数据库数据库模拟引擎模拟引擎网格生成网格生成CAD建模建模后处理与后处理与可视化可视化EM.CUBE EM.CUBE 架构图架构图CUB

5、ECUBEEM.CUBE仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovationEM.CUBE EM.CUBE 模拟引擎模拟引擎6FDTD (Open MP & GPU 加速加速)Planar MoM, Wire MoM and Surface MoM (MPI & AIM 加速加速)SBR 光线追踪光线追踪(k-d 树算法加速树算法加速)(迭代）物理光学法迭代）物理光学法(Open MP)3D 静态静态 & 2D 准静态准静态 (传输线传输线)集成集成EMAG电

6、路模拟工具（电路模拟工具（ B2.Spice A/D ）：模拟）：模拟电路，数字电路及混合信号电路仿真器电路，数字电路及混合信号电路仿真器仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation优势优势7更快的学习曲线更快的学习曲线: 统一的界面，共同的输入输出平台，不同的模拟引统一的界面，共同的输入输出平台，不同的模拟引擎（全波，渐进，静态，等等）擎（全波，渐进，静态，等等）基准测试环境：基准测试环境：使用各种算法进行快速的测试与验证使用各种算法进行快速的测试与验证(V&V)

7、更多的选择性更多的选择性: 没有一种单一的数值算法能够解决所有的仿真问题没有一种单一的数值算法能够解决所有的仿真问题多尺度混合仿真多尺度混合仿真: 利用惠更斯表面数据，惠更斯源激励和其它的界面利用惠更斯表面数据，惠更斯源激励和其它的界面功能实现混合仿真功能实现混合仿真分布式计算分布式计算: 在一个或多个远程或联网的计算机上实现并行计算，比在一个或多个远程或联网的计算机上实现并行计算，比如高性能计算平台（如高性能计算平台（HPC）易扩展易扩展: 可快速转变的引擎接口与集成化可快速转变的引擎接口与集成化仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation仿 真 智 领

8、 创 新Simulating inspires innovationFDTD FDTD 模拟模拟 vs. Planar vs. Planar 矩量法矩量法 模拟模拟Planar 矩量法网格: 216 单元无限大均匀衬底FDTD 网格: 55 23 27 =34,155 单元 有限衬底复合材料成分8仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovationEM.TEMPO:EM.CUBEs FDTD EM.TEMPO:EM.CUBEs FDTD 模块模块材料类型材料类型: : 完美电导体（P

9、EC）, 完美磁导体（PMC）, 均匀电介质, 各向异性电介质, 色散, 来自数据库或用函数表征的非均质材料边界条件边界条件: : PEC, PMC,卷积完全匹配层（CPML）, 周期性 (采用在水平方位上固定恒定波数的方法)激发源的种类激发源的种类: : 集总源, 波导源(TEmn 和 TMmn 模式), 平面波, 高斯光束(HGmn 模式), 分布源, 惠更斯源集总元件集总元件: : 电阻器, 电容, 电感, 非线性二极管网格网格: : 自适应时域有限差分网格（Yee mesh），自动匹配材料和模型几何观察量观察量: : 场分布(时域 & 频域), 时域近场, 远场图,单、双站雷达

10、散射截面（RCS）, S/Y/Z 参数, 惠更斯表面数据,反射和透射系数, k-beta图, 能量图, 等等.9仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovationEM.CUBE: FDTD EM.CUBE: FDTD 模块模块TE10 波导馈电式号角天线激发下的抛物线盘状反射器辐射场微带馈电的半球形介质谐振天线聚焦高斯光束经过双层负折射率左手材料的传播情况仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation仿 真 智 领 创 新Simulating i

11、nspires innovationEM.CUBE: FDTD EM.CUBE: FDTD 模块模块紧凑型磁介天线（紧凑型磁介天线（Compact Magneto-Dielectric Antennas）仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovationEM.CUBE: FDTD EM.CUBE: FDTD 模块模块模拟一个立方卫星（模拟一个立方卫星（Cube Satellite）12仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation仿 真 智 领

12、创 新Simulating inspires innovationEM.CUBE: EM.CUBE: 基于基于GPUGPU加速的加速的FDTDFDTD引擎引擎幻影战斗机幻影战斗机模型频率模型频率: 600 MHz激发源类型激发源类型: 平面波源总单元数总单元数: 25 Million总模拟时间总模拟时间: 15 minutes总模拟时间=网格生成时间+ FDTD 循环时间 +辐射场后处理计算时间模型频率模型频率 400 MHz激发源类型激发源类型: 半波偶极子天线总单元数总单元数: 16 Million总模拟时间总模拟时间: 6 minutes提速提速 50 x 仿 真 智 领 创 新Simu

13、lating inspires innovation仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovationEM.CUBE: EM.CUBE: 基于基于GPUGPU加速的加速的FDTDFDTD引擎引擎F-16战隼式战斗机战隼式战斗机模型频率模型频率: 800 MHz激发源类型激发源类型: 平面波源总单元数总单元数: 26 Million总模拟时间总模拟时间: 12 minutes总模拟时间=网格生成时间+ FDTD 循环时间 +辐射场后处理计算时间F-15鹰式战斗机鹰式战斗机模型频率模型频率 400 MHz激发源类型激发源类型: 半波偶极子天线总单元数总单元数: 30

14、Million总模拟时间总模拟时间: 18minutes仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation周期性结构的周期性结构的FDTDFDTD周期性结构受到任意角度的周期性结构受到任意角度的平面波入射激励平面波入射激励在使用FDTD模拟周期性问题时，k k 2 k 2 保持为恒定值，所要计算的解为(f, )的函数lxy15仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovat

15、ion频域全波求解器频域全波求解器矩量法矩量法(MOM) 并矢格林函数法（并矢格林函数法（Dyadic GreensFunction Solution）电偶极矩产生的电场电偶极矩产生的电场磁偶极矩产生的电场磁偶极矩产生的电场电偶极矩产生的磁场电偶极矩产生的磁场磁偶极矩产生的磁场磁偶极矩产生的磁场16GE J GE M GH J GHM仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation 模拟中用电压源表征金属微带(PEC)上的间隙激励（gap source）模拟中用一个电流源表征缝隙

16、上的间隙激励（gap source）I 0, j 2,3,.1V111 jIZ用集总单元（电路）来建立缝隙间的欧姆关系17gap源源 &集总电路集总电路 & 基于基于prony算法的端口特性分析算法的端口特性分析 仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovationEM.CUBEEM.CUBE中的矩量法（中的矩量法（MoMMoM）求解器）求解器18平面矩量法（平面矩量法（Planar MoM）: 混台位积分公式(MPIE)适用于平面结构的仿真，谱域公式则适用于周期性结

17、构的仿真。上述结构中还包含若干数量的衬底层，金属组件、凹槽、垂直互联及介电薄层等。线矩量法（线矩量法（Wire MoM）: Pocklington 积分方程求解金属线框结构面矩量法（面矩量法（Surface MoM）: 使用电磁场积分公式EFIE/MFIE/CFIE和PMCHWT模拟集成各类金属组件、绝缘介质和复合组件的面结构和体结构，并支持MPI和AIM加速激发源的种类激发源的种类: 间隙激励源（Gap sources），短偶极源，平面波, 惠更斯源，以及S参数计算（基于Prony算法）的非嵌入式源网格网格: 适用于线MoM和面MoM计算的三角形网格，适用于3D平面MoM计算的三角形/四边形

18、混合网格，并且同时支持局部网格控制及STL格式网格对象的输入和输出仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovationEM.CUBE: EM.CUBE: 平面（平面（Planar MoMPlanar MoM）模块）模块模拟截取一角的U型CP贴片天线19Wilkinson功率分配器功率分配器仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovationEM.CUBE: EM.CUBE:

19、 平面（平面（Planar MoMPlanar MoM）模块）模块64个单元的矩形贴片天线阵列位于三层上下有金属盘的导体衬底上传统传统矩量法矩量法NCCBFNCCBF矩量法矩量法系统规模（单元数）11,728336线性系统延拓时间354 sec354 sec(BiCG)(BiCG)199 Iterations199 Iterations2 sec (LU)2 sec (LU)总计算时间504 sec152 secNCCBF:数值构造特征基函数（Numerically Constructed Characteristic Basis Functions）仿 真 智 领 创 新Simulating

20、 inspires innovation仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovationEM.CUBE:EM.CUBE:面矩量法（面矩量法（Surface MoM Surface MoM ）模块）模块SMOM 网格网格在平面波法向入射激励下两个相邻在平面波法向入射激励下两个相邻PEC球的辐射场球的辐射场分析分析N = 2280单个单个CPU进行进行165次迭代的总计算时间：次迭代的总计算时间：327 sec 使用使用8核核CPU经经165次迭代次迭代MPI并行计算时间：并行计算时间：52 sec 仿 真 智 领 创 新Simulating inspires i

21、nnovation仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovationEM.CUBE: 面矩量法（面矩量法（Surface MoM ）模块）模块带有缝隙的中空波导雷达散射界带有缝隙的中空波导雷达散射界面面RCS分析分析22仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovationEM.CUBE: SBR 光线追踪光线追踪捕食者无人机在城市上空飞行捕食者无人机在城市上空飞行仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation仿 真

22、智 领 创 新Simulating inspires innovationEM.CUBE: SBR EM.CUBE: SBR 光线追踪光线追踪位置位置A位置位置 B位置位置C24仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovationEM.CUBE: SBR EM.CUBE: SBR 光线追踪光线追踪25仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovationEM.CUBE: EM

23、.CUBE: 迭代物理光学法迭代物理光学法 (IPO) (IPO)广义积分方程广义积分方程:仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovationEM.CUBE: EM.CUBE: 迭代物理光学法迭代物理光学法 (IPO) (IPO)广义广义 IPO算法算法:J(0) (r) 1 n Hinc (r)M(0) (r) 1 n Einc (r)仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation仿 真 智 领 创 新Simulating inspires i

24、nnovationEM.CUBE: EM.CUBE: 迭代物理光学法迭代物理光学法 (IPO) (IPO)在频率在频率1.0 GHz下的下的三面角反射器三面角反射器FDTD: E-FieldFDTD: H-FieldIPO: E-FieldIPO: H-FieldFDTD方法:网格数: 12.3 million cells GPU 加速计算速度 243 MCells/s总计算时间: 175 secIPO方法:网格数: 5600 三角形网格单元Open-MP 加速经过4次迭代至收敛总计算时间: 55 sec28仿 真 智 领 创 新Simulating inspires innovation仿 真 智 领 创 新Simulating inspires i