電磁仿真概述

1、課程目的課程目的n 了解電磁軟件仿真領(lǐng)域及典型軟件的特點了解電磁軟件仿真領(lǐng)域及典型軟件的特點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等軟件仿真基本問題的等軟件仿真基本問題的方法方法n 掌握利用掌握利用ansys aie軟件進行模型修補和軟件進行模型修補和網(wǎng)格劃分的方法網(wǎng)格劃分的方法n 具備利用軟件仿真解決工程問題的能力具備利用軟件仿真解決工程問題的能力 電子系統(tǒng)仿真設(shè)計方法電子系統(tǒng)仿真設(shè)計方法第一講第一講 電磁仿真概述電磁仿真概述科學研究的三大方法科學研究的三大方法n 理論研究理論研究l 數(shù)學方法、公式等l 物理理論、定理等n 實驗研究實驗研究l 化學實驗l 生

2、物實驗l n 數(shù)值模擬數(shù)值模擬l 第三大科學研究方法l 發(fā)展迅速，逐漸替代了部分實驗研究l 基于飛速發(fā)展的計算機技術(shù)l 各種工程、理論計算guassfaraday仿真的特點和優(yōu)勢仿真的特點和優(yōu)勢n 靈活性靈活性l 方便的調(diào)整幾何結(jié)構(gòu)、材料屬性、放置位置等關(guān)鍵參數(shù)方便的調(diào)整幾何結(jié)構(gòu)、材料屬性、放置位置等關(guān)鍵參數(shù)l 針對某一環(huán)節(jié)進行單獨分析針對某一環(huán)節(jié)進行單獨分析n 全面、深入全面、深入l 可以根據(jù)用戶要求分析任意部件、得到系統(tǒng)的任意電磁特性可以根據(jù)用戶要求分析任意部件、得到系統(tǒng)的任意電磁特性l 提供比測試豐富得多的信息提供比測試豐富得多的信息n 效果效果l 在虛擬原型上改進設(shè)計，確保設(shè)計一次成功

3、在虛擬原型上改進設(shè)計，確保設(shè)計一次成功development processconcept phasetest phaseproduction phasenumber of possible fixescost of making fixes 電磁場仿真的現(xiàn)狀和前景電磁場仿真的現(xiàn)狀和前景n電磁場仿真已經(jīng)廣泛地、成功地應(yīng)用于電電磁場仿真已經(jīng)廣泛地、成功地應(yīng)用于電磁性能預(yù)測、設(shè)計的多個方面。磁性能預(yù)測、設(shè)計的多個方面。n在理解待分析的問題、合理設(shè)置仿真模型在理解待分析的問題、合理設(shè)置仿真模型和求解參數(shù)的前提下，仿真完全可以代替和求解參數(shù)的前提下，仿真完全可以代替測試。測試。n仿真所具有的高效費比、

4、靈活性可以大幅仿真所具有的高效費比、靈活性可以大幅提高設(shè)計效率。提高設(shè)計效率。電磁仿真應(yīng)用領(lǐng)域電磁仿真應(yīng)用領(lǐng)域 emc/emi and system design verificationrcs/atrmicrowave engineeringhigh-speed circuits relatedconnectorsbiomedicalwireless comm.laser &optoelectronicsantennasrf componentsfastest growing market and new challengesmaxwell方程組方程組n 電磁理論的基礎(chǔ)電磁理論的基礎(chǔ)n 所有

5、電磁仿真軟件的最終所有電磁仿真軟件的最終目的即為求解麥克斯維方目的即為求解麥克斯維方程組程組o et be0 btoooejbmaxwell不同問題的特點不同問題的特點麥氏方程近似頻率分析方法0穩(wěn)態(tài)或靜態(tài)分析低準穩(wěn)態(tài)或低頻分析高全波高頻分析0t0t0t是否忽略位移電流決定了問題的類型！電磁分析方法發(fā)展及分類電磁分析方法發(fā)展及分類n 解析方法（解析方法（19世紀前）世紀前）l mie理論l wkb法n 高頻方法高頻方法l go,pol gtd,utdl ct(復(fù)射線法),sbr（彈跳射線法）n 低頻方法低頻方法l 積分方程方法n 矩量法（mom）n 多層快速多極子（mlfmm）l 微分方程方法n

6、 有限元方法（fem）n 有限差分法（fdm）l 混合方法n 高頻/低頻混合方法n 微分/積分混合方法電磁算法比較電磁算法比較field methodsource methodbaseelectromagnetic fieldscurrents and chargesequationsdifferential equationsintegral equationsdiscretisation3-dimensional2-dimensionalinfinity of space (open problem)special abcs must be introducedexact treatmen

7、tmethodsfinite difference methods (fd)finite element methods (fem)method of moments (mom)available codexfdtd, empire, semcad, hfss, cstfeko, ie3d, wipl-d不同類型算法的特點不同類型算法的特點n 積分算法積分算法n 在目標表面剖分二維網(wǎng)格，減少未知量在目標表面剖分二維網(wǎng)格，減少未知量n 考慮了所有網(wǎng)格單元之間的耦合相互作用考慮了所有網(wǎng)格單元之間的耦合相互作用n 矩陣為滿陣，求解困難矩陣為滿陣，求解困難n 同等網(wǎng)格剖分尺度前提下，算法精度最高同等網(wǎng)

8、格剖分尺度前提下，算法精度最高n 適合處理輻射、散射、電磁兼容等開域問題適合處理輻射、散射、電磁兼容等開域問題n 微分算法微分算法n 稀疏矩陣，求解容易稀疏矩陣，求解容易n 三維體網(wǎng)格剖分，未知量多三維體網(wǎng)格剖分，未知量多n 必須對開放邊界進行近似處理（必須對開放邊界進行近似處理（abc、pml等）等）n 可計算規(guī)模較小可計算規(guī)模較小n 適用于電小問題、波導(dǎo)器件問題適用于電小問題、波導(dǎo)器件問題n 時域軟件適合處理系統(tǒng)的時域響應(yīng)、寬帶響應(yīng)時域軟件適合處理系統(tǒng)的時域響應(yīng)、寬帶響應(yīng)n 高頻算法高頻算法n 基于射線方法，考慮局部性效應(yīng)、不考慮二次源的作用基于射線方法，考慮局部性效應(yīng)、不考慮二次源的作用

9、n 適合處理電大、平滑結(jié)構(gòu)問題適合處理電大、平滑結(jié)構(gòu)問題n 混合算法混合算法n 結(jié)合高頻結(jié)合高頻/精確方法的優(yōu)點，在精度、速度、計算規(guī)模間取得平衡精確方法的優(yōu)點，在精度、速度、計算規(guī)模間取得平衡方程方程/基基/權(quán)函數(shù)權(quán)函數(shù)優(yōu)點優(yōu)點缺點缺點fdm有限差分基于麥克斯韋方程的微分形式base: quadratic polynomsweights: dirac functions- 稀疏、對角矩陣- 適用于不均勻介質(zhì)- 編程實現(xiàn)簡單- 需要全空間劃分網(wǎng)格- 處理無邊界開域問題麻煩-邊界條件-數(shù)值色散大fem有限元基于麥克斯韋方程的微分形式base: linear polynomsweights: li

10、near polynoms- - 稀疏、對角矩陣- 適用于不均勻介質(zhì)- 適用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)- 需要全空間劃分網(wǎng)格-處理無邊界開域問題麻煩-編程實現(xiàn)算法較難mom/bem矩量法和邊界元基于麥克斯韋方程的積分形式base: constant polynomsweights: greens functions- 只對邊界劃分網(wǎng)格，無需全空間網(wǎng)格劃分- 適用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)- 適用于無邊界的開域問題- 稀疏矩陣是滿陣-處理非均勻介質(zhì)較難主流電磁算法比較主流電磁算法比較電磁計算基本步驟電磁計算基本步驟n如何進行仿真?設(shè)置物理環(huán)境設(shè)置物理環(huán)境建立幾何模型建立幾何模型劃分網(wǎng)格劃分網(wǎng)格 邊界條件邊界條件激勵源激勵源矩陣

11、求解矩陣求解結(jié)果結(jié)果 材料屬性材料屬性 單位單位 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 ne

12、ar field e, h far field e, h電磁分析數(shù)值方法的一般步驟電磁分析數(shù)值方法的一般步驟物理問題數(shù)學抽象計算機程序求解結(jié)果輸出、顯示恢復(fù)物理意義數(shù)學計算機物理仿真人員所做的主要工作仿真軟件的核心部分仿真軟件提供友好的界面實現(xiàn)以上功能時域時域 vs. 頻域頻域n 互補互補l 通過通過fft & ifft，結(jié)果可以轉(zhuǎn)換，結(jié)果可以轉(zhuǎn)換l 理想情況下，結(jié)果應(yīng)該一致。但實際上，數(shù)值色散等誤差導(dǎo)致結(jié)果不理想情況下，結(jié)果應(yīng)該一致。但實際上，數(shù)值色散等誤差導(dǎo)致結(jié)果不同同n 沒有最好的方法！不同方法適用于不同的應(yīng)用沒有最好的方法！不同方法適用于不同的應(yīng)用l 頻域適用頻域適用: 窄帶、特定已知

13、的頻帶、穩(wěn)態(tài)問題、材料屬性隨頻率變化窄帶、特定已知的頻帶、穩(wěn)態(tài)問題、材料屬性隨頻率變化l 時域適用時域適用: 寬帶、瞬態(tài)脈沖響應(yīng)、未知頻帶的問題、材料屬性時變寬帶、瞬態(tài)脈沖響應(yīng)、未知頻帶的問題、材料屬性時變l 電磁場相關(guān)的測量通常在頻域進行電磁場相關(guān)的測量通常在頻域進行n vna, spectrum analyzer, anechoic chamber testing, gtem/tem cell, emc, materials properties testingl 電路相關(guān)的測量通常在時域進行電路相關(guān)的測量通常在時域進行n tdr, oscilloscope, circuit simula

14、tions, etc.時域仿真的關(guān)鍵問題時域仿真的關(guān)鍵問題n 時間步長時間步長?l 穩(wěn)定性條件穩(wěn)定性條件 (cfl condition)n 空間步長空間步長?l 幾何不連續(xù)幾何不連續(xù)l 每個波長的采樣點每個波長的采樣點l 模型的縱橫比模型的縱橫比n 運行多久運行多久?l 理想情況下，要求能量通過耗散或輻射達到穩(wěn)態(tài)理想情況下，要求能量通過耗散或輻射達到穩(wěn)態(tài)l 實際情況下，能量降低實際情況下，能量降低3040 db即可即可n 關(guān)鍵技術(shù)包括關(guān)鍵技術(shù)包括: l 非均勻網(wǎng)格、子網(wǎng)格、共形網(wǎng)格等非均勻網(wǎng)格、子網(wǎng)格、共形網(wǎng)格等l 采用隱式格式采用隱式格式l 時域有限元等新算法時域有限元等新算法l 頻域仿真的

15、關(guān)鍵問題頻域仿真的關(guān)鍵問題n 收斂條件收斂條件?l s 參數(shù)參數(shù)n 網(wǎng)格尺寸網(wǎng)格尺寸?l 幾何不連續(xù)幾何不連續(xù)l 每個波長的采樣點每個波長的采樣點n 掃頻分析掃頻分析?n 快速掃頻分析為確定系統(tǒng)的特征提供了手段，但在諧振等情況下精度可能受快速掃頻分析為確定系統(tǒng)的特征提供了手段，但在諧振等情況下精度可能受影響影響n關(guān)鍵技術(shù)包括關(guān)鍵技術(shù)包括: l自適應(yīng)網(wǎng)格剖分自適應(yīng)網(wǎng)格剖分l自適應(yīng)掃頻技術(shù)自適應(yīng)掃頻技術(shù)l高階基函數(shù)高階基函數(shù)l更高效的矩陣求解技術(shù)（預(yù)條件、迭代算法等）更高效的矩陣求解技術(shù)（預(yù)條件、迭代算法等）l電磁仿真沒能發(fā)揮應(yīng)有作用的主要原因電磁仿真沒能發(fā)揮應(yīng)有作用的主要原因n如何從實際問題出發(fā)

16、建立合理的仿真模型如何從實際問題出發(fā)建立合理的仿真模型l要求對實際問題的物理機制的深刻理解要求對實際問題的物理機制的深刻理解l要求對電磁計算方法的深刻理解要求對電磁計算方法的深刻理解l要求對軟件功能的深刻理解要求對軟件功能的深刻理解n如何能得到可信的結(jié)果如何能得到可信的結(jié)果l要求對軟件使用、功能的深刻把握要求對軟件使用、功能的深刻把握l要求有豐富的設(shè)計經(jīng)驗要求有豐富的設(shè)計經(jīng)驗n如何利用得到的仿真結(jié)果指導(dǎo)設(shè)計如何利用得到的仿真結(jié)果指導(dǎo)設(shè)計l要求對物理概念有深刻的理解，能夠從數(shù)據(jù)中要求對物理概念有深刻的理解，能夠從數(shù)據(jù)中得到其物理意義得到其物理意義典型軟件介紹典型軟件介紹 電磁領(lǐng)域市場需求電磁領(lǐng)域

17、市場需求電磁領(lǐng)域市場需求及份額比例分布圖電磁領(lǐng)域市場需求及份額比例分布圖電磁領(lǐng)域市場分析電磁領(lǐng)域市場分析n從上圖我們得到的幾點啟示從上圖我們得到的幾點啟示(比例數(shù)據(jù)僅供比例數(shù)據(jù)僅供參考參考):l目前設(shè)計工具還屬于市場的主導(dǎo)目前設(shè)計工具還屬于市場的主導(dǎo), 但但cae仿真仿真的市場增長潛力很大；的市場增長潛力很大；n主要的設(shè)計（主要的設(shè)計（ecad）領(lǐng)域有：）領(lǐng)域有：l模擬電路、高速數(shù)字電路的設(shè)計；模擬電路、高速數(shù)字電路的設(shè)計；l高頻電路的設(shè)計高頻電路的設(shè)計(射頻、微波、毫米波電路等射頻、微波、毫米波電路等)；l復(fù)雜線纜網(wǎng)絡(luò)的布線設(shè)計；復(fù)雜線纜網(wǎng)絡(luò)的布線設(shè)計；l芯片及其封裝的設(shè)計等芯片及其封裝的設(shè)

18、計等n設(shè)計領(lǐng)域占有了近設(shè)計領(lǐng)域占有了近60%的市場的市場, cae占有近占有近30%的的市場份額市場份額l幾個新興的發(fā)展領(lǐng)域幾個新興的發(fā)展領(lǐng)域, 市場增長會更為迅速：市場增長會更為迅速：n芯片及其封裝的設(shè)計；芯片及其封裝的設(shè)計；n芯片及其封裝的芯片及其封裝的emi分析；分析； n高速電路的高速電路的cae分析；分析；n線纜的布線設(shè)計以及線纜的布線設(shè)計以及si、emi、ems分析；分析；電磁領(lǐng)域市場分析電磁領(lǐng)域市場分析n高速數(shù)字電路及芯片的設(shè)計領(lǐng)域：高速數(shù)字電路及芯片的設(shè)計領(lǐng)域：l該領(lǐng)域市場存在的幾家競爭產(chǎn)品有：該領(lǐng)域市場存在的幾家競爭產(chǎn)品有：ncadence (適用于大、中型企業(yè)適用于大、中型

19、企業(yè))nmentor (適用于大、中型企業(yè)適用于大、中型企業(yè))nprotel (適用于小型企業(yè)適用于小型企業(yè))nzuken 等等lprotel最先進入中國市場最先進入中國市場, 非常適合于小型企業(yè)非常適合于小型企業(yè), 但在高密度電路板的設(shè)計和芯片設(shè)計等方面能力但在高密度電路板的設(shè)計和芯片設(shè)計等方面能力有限有限, cadence、mentor的市場份額在逐步增加的市場份額在逐步增加, 非常適合于高密度板和芯片的設(shè)計非常適合于高密度板和芯片的設(shè)計.l這些公司往往還提供信號完整性分析工具這些公司往往還提供信號完整性分析工具電磁領(lǐng)域市場分析電磁領(lǐng)域市場分析n高速數(shù)字電路及芯片的分析領(lǐng)域：高速數(shù)字電路及

20、芯片的分析領(lǐng)域：l該領(lǐng)域市場存在的幾家競爭產(chǎn)品有：該領(lǐng)域市場存在的幾家競爭產(chǎn)品有：nansoft siwave和和nexxim ncst pcb studionsigrity speed 2000napsimnmentor hyperlynx或或cadence等帶的信號完整性分析等帶的信號完整性分析模塊模塊l由于由于pcb電路的復(fù)雜性，這些軟件在高密度電路電路的復(fù)雜性，這些軟件在高密度電路板的分析方面能力有限，只能對某些細節(jié)問題進板的分析方面能力有限，只能對某些細節(jié)問題進行分析行分析l相對來說，相對來說，siwave、 cadence、mentor的市場的市場份額較大，使用上由于可以與其配套產(chǎn)

21、品聯(lián)合仿份額較大，使用上由于可以與其配套產(chǎn)品聯(lián)合仿真，作用也更大真，作用也更大電磁領(lǐng)域市場分析電磁領(lǐng)域市場分析n高頻電路的設(shè)計領(lǐng)域高頻電路的設(shè)計領(lǐng)域:l在該領(lǐng)域主要的壟斷產(chǎn)品有在該領(lǐng)域主要的壟斷產(chǎn)品有:nagilent的的ads軟件軟件nansoft的的designer軟件軟件ncst公司的公司的cst design studio軟件軟件n美國美國awr公司的公司的mw office產(chǎn)品產(chǎn)品l分析：分析：nagilent占有很大的市場份額占有很大的市場份額, 結(jié)合高頻電磁測試儀器的結(jié)合高頻電磁測試儀器的壟斷地位，競爭優(yōu)勢更加明顯；壟斷地位，競爭優(yōu)勢更加明顯；nansoft的的designer軟

22、件在該領(lǐng)域?qū)儆诘诙奈恢密浖谠擃I(lǐng)域?qū)儆诘诙奈恢? 它的優(yōu)它的優(yōu)勢在于他們的產(chǎn)品自成體系勢在于他們的產(chǎn)品自成體系, 可以和成熟的可以和成熟的hfss軟件有軟件有機結(jié)合機結(jié)合nawr的的mw office軟件也是一款很好的射頻、微波電路軟件也是一款很好的射頻、微波電路設(shè)計軟件設(shè)計軟件, 非常適合于小型企業(yè)來購買使用非常適合于小型企業(yè)來購買使用.電磁領(lǐng)域市場分析電磁領(lǐng)域市場分析n復(fù)雜系統(tǒng)的線纜網(wǎng)絡(luò)設(shè)計領(lǐng)域復(fù)雜系統(tǒng)的線纜網(wǎng)絡(luò)設(shè)計領(lǐng)域:l在該領(lǐng)域主要的設(shè)計產(chǎn)品有在該領(lǐng)域主要的設(shè)計產(chǎn)品有:n法國法國ige-xao公司的電氣設(shè)計產(chǎn)品公司的電氣設(shè)計產(chǎn)品n法國達索公司的法國達索公司的catia產(chǎn)品產(chǎn)品nme

23、ntor中也帶有線纜的布線設(shè)計模塊中也帶有線纜的布線設(shè)計模塊l市場特點市場特點:n該領(lǐng)域的市場增長潛力大該領(lǐng)域的市場增長潛力大, 有航空、航天、兵器、電有航空、航天、兵器、電子、汽車等各個領(lǐng)域都具有較大的市場；子、汽車等各個領(lǐng)域都具有較大的市場；n是一個新興的市場增長點。是一個新興的市場增長點。 n復(fù)雜系統(tǒng)線纜網(wǎng)絡(luò)的分析領(lǐng)域復(fù)雜系統(tǒng)線纜網(wǎng)絡(luò)的分析領(lǐng)域l該領(lǐng)域的主要分析軟件有該領(lǐng)域的主要分析軟件有:n德國德國simlab公司的公司的cablemod軟件軟件n格魯吉亞格魯吉亞emcos公司的公司的emc studio軟件軟件電磁領(lǐng)域市場分析電磁領(lǐng)域市場分析n 三維高頻電磁場仿真分析領(lǐng)域：三維高頻電

24、磁場仿真分析領(lǐng)域：l 該領(lǐng)域的應(yīng)用主要應(yīng)用有：該領(lǐng)域的應(yīng)用主要應(yīng)用有：n 天線、天線陣列、天線罩、天線的布局分析；天線、天線陣列、天線罩、天線的布局分析；n 雷達目標的雷達目標的rcs分析及成像；分析及成像；n 射頻、微波無源器件、微帶匹配電路的分析；射頻、微波無源器件、微帶匹配電路的分析；n 系統(tǒng)、設(shè)備的系統(tǒng)、設(shè)備的emc；n 手機的手機的sar等等l 該領(lǐng)域主要的產(chǎn)品該領(lǐng)域主要的產(chǎn)品:n ansoft公司的公司的hfss產(chǎn)品產(chǎn)品n emss公司的公司的feko軟件軟件n cst公司的公司的cst microwave studio軟件軟件n efield ab公司的公司的efield 雷達目

25、標的雷達目標的rcs分析軟件分析軟件n 基于時域有限差分的軟件如基于時域有限差分的軟件如remcom公司的公司的xfdtd軟件、軟件、empire等等n zeland公司的公司的ie3d、fidelidy等等n 美國美國sonnet公司的公司的sonnet微帶電路設(shè)計軟件等微帶電路設(shè)計軟件等n emind、semcad、floemc、grasp、redbase等等feko簡介簡介n 三維頻域全波電磁場分析軟件包三維頻域全波電磁場分析軟件包l 通用性l 基于矩量法/多層快速多級子l 混合高頻po/go/utd、有限元算法l 適合求解輻射、散射、emc問題l 電大尺寸處理能力強n 同公司主要產(chǎn)品：

26、同公司主要產(chǎn)品：magus快速天線設(shè)計軟件快速天線設(shè)計軟件feko的求解算法的求解算法utdpomomfem-mommlfmm電尺寸問題的復(fù)雜度fekofeko的典型應(yīng)用領(lǐng)域的典型應(yīng)用領(lǐng)域hfss簡介簡介n 三維頻域全波電磁場分析軟件包三維頻域全波電磁場分析軟件包l 基于有限元算法，劃分四面體網(wǎng)格l 采用矢量有限元、自適應(yīng)網(wǎng)格、快速掃頻等特色技術(shù)l 適合求解微波器件、微帶電路、小尺寸的輻射和散射問題l 軟件對各類問題的適應(yīng)性很好n 同公司主要產(chǎn)品同公司主要產(chǎn)品l designer射頻電子學仿真軟件l siwave pcb板仿真軟件l maxwell 低頻電磁仿真軟件cst mws簡介簡介n 三

27、維時域全波電磁場分析軟件包三維時域全波電磁場分析軟件包l 基于有限體積法算法l 適合求解微波器件、微帶電路、小尺寸的輻射和散射問題l 適合處理寬帶問題，處理單頻、窄帶更難n 同公司主要產(chǎn)品同公司主要產(chǎn)品l 非常全，幾乎啥都有，看起來功能也都可以l cst ems低頻電磁工作室l cst pcb/cable studio電路板/電纜束工作室l cst particle studio粒子工作室simlab（cst pcb/cable studio）應(yīng)用簡介）應(yīng)用簡介n pcb板級板級emc問題問題l 信號完整性（信號完整性（si）n 信號的串擾（傳導(dǎo)、輻射）信號的串擾（傳導(dǎo)、輻射）n 信號的反射信號的反射n 信號的延時信號的延時n 信號的衰減信號的衰減n 信號的濾波信號的濾波l 電源完整性（電源完整性（pi）n 電源電源