电磁仿真概述ppt课件

1、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方法等软件仿真基本问题的方法n掌握利用掌握利用Ansys AIE软件进行模型修补和网格划分的方法软件进行模型修补和网格划分的方法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 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 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

2、 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GuassFaraday4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l 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l 提供比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Development processConcept phaseTest phaseProduction phaseNumber of possible fixe

3、sCost of making fixes5 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、成功地应用于电磁性能预测、设计的多个方面。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。n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。试。n仿真所具有的高效费比、灵活性可以大幅提高设计效率。仿真所具有的高效费比、灵活性可以大幅提高设计效率。6电磁仿真应用领域电磁仿真应用领域 EMC/EMI and System Design VerificationRCS/

4、ATRMicrowave EngineeringHigh-speed Circuits RelatedConnectorsbiomedicalWireless Comm.Laser &OptoelectronicsAntennasRF ComponentsFASTEST growing market and new challenges7MAXWELL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目的即为求解所有电磁仿真软件的最终目的即为求解麦克斯维方程组麦克斯维方程组o Et BE0 BtoooEJBMaxwell8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

5、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！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,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10电磁算法比较电磁算法比较Field methodSource methodBaseElectr

6、omagnetic fieldsCurrents and chargesEquationsDifferential equationsIntegral equationsDiscretisation3-dimensional2-dimensionalInfinity of space (open problem)Special ABCs must be introducedExact treatmentMethodsFinite Difference methods (FD)Finite Element methods (FEM)Method of Moments (MoM)Available

7、 codeXFDTD, Empire, SEMCAD, HFSS, CSTFEKO, IE3D, WIPL-D11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，减少未知量n 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n 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n微分算法微分算法n 稀疏矩阵，求解容易n 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（ABC、PML等）n 可计算规模较小n 适用于电小问题、波导器件问题n 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，

8、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n混合算法混合算法n 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 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 polynomsWeights: Linear polynoms- - 稀疏、对角矩

9、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

10、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 Subcircuit 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 Fie

11、ld E, H14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15时域时域 vs. 频域频域n互补互补l 通过FFT & IFFT，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: 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: 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

12、频域进行n VNA, spectrum 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n TDR, Oscilloscope, circuit simulations, etc.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 (CFL condition)n空间步长空间步长?l 几何不连续l 每个波长的采样点l 模型的纵横比n运行多久运行多久?l 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3

13、040 dB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l 采用隐式格式l 时域有限元等新算法l 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n网格尺寸网格尺寸?l 几何不连续l 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影响n关键技术包括关键技术包括: l 自适应网格剖分l 自适应扫频技术l 高阶基函数l 更高效的矩阵求解技术（预条件、迭代算法等）l 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

14、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l 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n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l 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，能够从数据中得到其物理意义19典型软件介绍典型软件介绍 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(比例数据仅供参考比例数据仅供参考):l 目前设

15、计工具还属于市场的主导, 但CAE仿真的市场增长潜力很大；n 主要的设计（ECAD）领域有：l 模拟电路、高速数字电路的设计；l 高频电路的设计(射频、微波、毫米波电路等)；l 复杂线缆网络的布线设计；l 芯片及其封装的设计等n 设计领域占有了近60%的市场, CAE占有近30%的市场份额l 几个新兴的发展领域, 市场增长会更为迅速：n 芯片及其封装的设计；n 芯片及其封装的EMI分析； n 高速电路的CAE分析；n 线缆的布线设计以及SI、EMI、EMS分析；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：

16、n Cadence (适用于大、中型企业)n Mentor (适用于大、中型企业)n Protel (适用于小型企业)n Zuken 等l 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.l 这些公司往往还提供信号完整性分析工具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：n Ansoft SIwave和Nexxim n CST PCB Studion Sigrity

17、Speed 2000n Apsimn Mentor Hyperlynx或Cadence等带的信号完整性分析模块l 由于PCB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行分析l 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24电磁领域市场分析电磁领域市场分析n高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:n Agilent的ADS软件n Ansoft的Designer软件n CST公司的CST Design Studio软件n 美国AWR公司的MW office产品l

18、分析：n 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；n 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HFSS软件有机结合n 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.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:n 法国IGE-XAO公司的电气设计产品n 法国达索公司的Catia产品n Mentor中也带有线缆的布线设计模块l 市场特点:n 该领域的市场增长

19、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；n 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:n 德国Simlab公司的CableMod软件n 格鲁吉亚EMCos公司的EMC Studio软件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：n 天线、天线阵列、天线罩、天线的布局分析；n 雷达目标的RCS分析及成像；n 射频、微波无源器件、微带匹配电路的分析；n 系统、设备的EMC；n 手机的SAR等l 该领域主要的产品:n Ansoft

20、公司的HFSS产品n EMSS公司的FEKO软件n CST公司的CST Microwave Studio软件n EField AB公司的Efield 雷达目标的RCS分析软件n 基于时域有限差分的软件如REMCOM公司的Xfdtd软件、Empire等n Zeland公司的IE3D、Fidelidy等n 美国Sonnet公司的Sonnet微带电路设计软件等n Emind、SEMCAD、FloEMC、Grasp、Redbase等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

21、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软件28FEKO的求解算法的求解算法UTDPOMOMFEM-MOMMLFMM电尺寸问题的复杂度29FEKOFEKO的典型应用领域的典型应用领域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

22、真软件l Maxwell 低频电磁仿真软件31CST 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32SimLab（CST PCB/Cable Studio）应用简介）应用简介nPCB板级板级EMC问题问题l 信号完整性（SI）n 信号的串扰（传导、辐射）n 信号的反射n 信号的延时n 信号的衰减n 信号的滤波l 电源完