电磁仿真概述课件

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 课程目的了解电磁软件仿真领域及典型软件的特点电子系统仿真设计方法第一讲 电磁仿真概述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GuassFaraday科学研究的三大方法理论研究GuassFaraday仿真的特点和优势灵

2、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Development processConcept phaseTest phaseProduction phaseNumber of possible fixesCost of making fixes仿真的特点和优势灵活性Development process 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

3、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、成功地应用于电电磁仿真应用领域 EMC/EMI and System Design VerificationRCS/ATRMicrowave EngineeringHigh-speed Circuits RelatedConnectorsbiomedicalWireless Comm.Laser &OptoelectronicsAntennasRF ComponentsFASTEST growing market and new challenges电磁仿真应用领域

4、RCS/ATRMicrowave EngiMAXWELL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MaxwellMAXWELL方程组电磁理论的基础Maxwell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是否忽略位移电流决定了问题的类型！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,POGTD,UTDCT(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）微分方程方法有限元方法（FEM）有限差

5、分法（FDM）混合方法高频/低频混合方法微分/积分混合方法电磁分析方法发展及分类解析方法（19世纪前）电磁算法比较Field methodSource methodBaseElectromagnetic fieldsCurrents and chargesEquationsDifferential equationsIntegral equationsDiscretisation3-dimensional2-dimensionalInfinity of space (open problem)Special ABCs must be introducedExact treatmentMetho

6、dsFinite Difference methods (FD)Finite Element methods (FEM)Method of Moments (MoM)Available codeXFDTD, Empire, SEMCAD, HFSS, CSTFEKO, IE3D, WIPL-D电磁算法比较Field methodSource metho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

7、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不同类型算法的特点积分算法方程/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 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

8、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方程/基/权函数优点缺点FDM基于麦克斯韦方程的微分形式- 电磁计算基本步骤如何进行仿真

9、?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PECSIBCPMLPBCSPAIQMRICCGParametersS-parameter extractionSmith ChartV, I & ZPowersRCSAntenna ParametersJoule HeatSARTDR/TDT SPICE SubcircuitPortCurrent Density JMagnetic Field HElectric Field EPlane WaveFields E, H ContourE, H VectorConducting CurrentNear Field E

10、, HFar Field E, H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

11、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 testing电路相关的测量通常在时域进行TDR, Oscilloscope, circuit simulations, etc.时域 vs. 频域互补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

12、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时域仿真的关键问题时间步长?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）频域仿真的关键问题收敛条件?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

13、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典型软件介绍 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

14、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；电磁领域市场分析从上图我们得到的几点启示(比例数据仅供参考)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)Protel (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

15、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设计领域：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 StudioSigrity Speed 2000ApsimMentor 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速数字电路及芯片的分析领域：电磁领域

16、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HFSS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.电磁领域市场分析高频电路的设计领域:电磁领域市场分析复杂系统的线缆网络设计领域:

17、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复杂系统的线缆网络设计领域:电磁领域市场分析三维高频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

18、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、SEMCAD、FloEMC、Grasp、Redbase等电磁领域市场分析三维高频电磁场仿真分析领域：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

19、/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简介三维频域全波电磁场分析软件包FEKO的求解算法UTDPOMOMFEM-MOMMLFMM电尺寸问题的复杂度FEKO的求解算法UTDPOMOMFEM-MLFMM电尺寸问FEKO的典型应用领域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

20、真软件Maxwell 低频电磁仿真软件HFSS简介三维频域全波电磁场分析软件包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，几乎啥都有，看起来功能也都可以CST EMS低频电磁工作室CST PCB/Cable Studio电路板/电缆束工作室CST Particle Studio粒子工作室CST MWS简介三维时域全波电磁场分析软件包SimLab（CST PCB/Cable Studio）应用简介PCB板级EMC问题信号完整性（SI）信号的串扰（传导、辐射）信号的反射信

21、号的延时信号的衰减信号的滤波电源完整性（PI）电源/地的谐振电源/地电压的波动芯片的布局电磁干扰（EMI）辐射（近场、远场）特点时域、频域都需要分析场分析与电路分析结合多层介质平面结构SimLab（CST PCB/Cable Studio）应用SimLab（CST PCB/Cable Studio）应用简介复杂电缆束EMC问题信号完整性（SI）信号的串扰（传导、辐射）信号的反射信号的延时信号的衰减信号的滤波电磁干扰（EMI）辐射（近场、远场）EMC特点时域、频域都需要分析场分析与电路分析结合线束相对位置随机2D问题SimLab（CST PCB/Cable Studio）应用PCB (1)PCB (2)电缆互联系统走线引脚 (1)线缆终端 (1/2)走线引脚 (2)Connector (1)Connector (2)CSPICE Model