各種計(jì)算電磁學(xué)方法比較和仿真軟件

1、各種計(jì)算電磁學(xué)方法比較和仿真軟件各種計(jì)算電磁學(xué)方法比較和仿真軟件微波EDA仿真軟件與電磁場的數(shù)值算法密切相關(guān)，在介紹微波EDA軟件之前先簡要的介紹一下微波電磁場理論的數(shù)值算法。所有的數(shù)值算法都是建立在Maxwell方程組之上的，了解Maxwell方程是學(xué)習(xí)電磁場數(shù)值算法的基礎(chǔ)。計(jì)算電磁學(xué)中有眾多不同的算法，如時(shí)域有限差分法（FDTD）、時(shí)域有限積分法（FITD）、有限元法（FE）、矩量法（MoM）、邊界元法（BEM）、譜域法（SM）、傳輸線法（TLM）、模式匹配法（MM）、橫向諧振法（TRM）、線方法（ML）和解析法等等。在頻域，數(shù)值算法有：有限元法（FEM-FiniteElementMeth

2、od）、矩量法（MoM-MethodofMoments）,差分法（FDM-FiniteDifferenceMethods）,邊界元法（BEM-BoundaryElementMethod）,和傳輸線法（TLM-Transmission-Line-matrixMethod）。在時(shí)域，數(shù)值算法有:時(shí)域有限差分法（FDTD-FiniteDifferenceTimeDomain）,和有限積分法（FIT-FiniteIntegrationTechnology）。這些方法中有解析法、半解析法和數(shù)值方法。數(shù)值方法中又分零階、一階、二階和高階方法。依照解析程度由低到高排列，依次是：時(shí)域有限差分法（FDTD）、傳

3、輸線法（TLM）、時(shí)域有限積分法（FITD）、有限元法（FEM）、矩量法（MoM）、線方法（ML）、邊界元法（BEM）、譜域法（SM）、模式匹配法（MM）、橫向諧振法（TRM）、和解析法。依照結(jié)果的準(zhǔn)確度由高到低，分別是：解析法、半解析法、數(shù)值方法。在數(shù)值方法中，按照結(jié)果的準(zhǔn)確度有高到低，分別是：高階、二階、一階和零階。時(shí)域有限差分法（FDTD）、時(shí)域有限積分法（FITD）、有限元法（FEM）、矩量法（MoM）、傳輸線法（TLM）、線方法（ML）是純粹的數(shù)值方法；邊界元法（BEM）、譜域法（SM）、模式匹配法（MM）、橫向諧振法（TRM）則均具有較高的分辨率。模式匹配法（MM）是一個(gè)半解析法，

4、倘若傳輸線的橫向模式是準(zhǔn)確可得的話。理論上，模式可以是連續(xù)譜。但由于數(shù)值求解精度的限制，通常要求橫向模式是離散譜。這就要求橫向結(jié)構(gòu)上是無耗的。更通俗地講，就是無耗波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。換言之，MM最適用于波導(dǎo)空腔、高Q且在能量傳輸?shù)哪痪S上結(jié)構(gòu)具有一定的均勻性。譬如，它適用于兩個(gè)圓柱腔在高度維上的耦合的分析，但不適用于兩個(gè)葫蘆間的耦合分析，因?yàn)楹笳邲]有非常明確的模式參與能量交換，人們只能將大量的模式一并考慮，這樣就降低了MM的效用。有限元法（FEM）是一種一階純數(shù)值方法（若用一階元的話）。它適用于任何形狀的結(jié)構(gòu)，是一個(gè)通用的方法。但事物總是一分為二的。一般來說，通用方法在特殊應(yīng)用領(lǐng)域的效率將不如特殊方法。

5、對(duì)于高Q空腔濾波器設(shè)計(jì)，MM就遠(yuǎn)優(yōu)于FEM。如果想進(jìn)一步了解各種數(shù)值算法的具體實(shí)現(xiàn)，可以參閱以下幾本書籍：MicrowaveCircuitModelingUsingElectromagneticFieldSimulation,NumericalTechniquesinElectromagnetics,ElectromagmeticSimunationUsingtheFDTDMethod,ComplexeletromagneticproblemsandnumericalSimulationApproacheso其中，使用矩量法（MoM）的微波EDA軟件有ADS,Sonnet,AnsysDesig

6、ner,MicrowaveOffice,ZelandIE3D,AnsysEsemble,SuperNEC,FEKO,EastWave及COMSOL;使用有限元法（FEM）的微波EDA軟件有HFSS和ANSYS;使用時(shí)域有限差分法（FDTD）的微波EDA軟件有EMPIRE和XFDTD,使用有限積分法（FITD）的微波EDA軟件有CSTMicrowaveStudio。主流電磁場仿真軟件介紹ADSADS-AdvancedDesignSystem,是Agilent公司推由的微波電路和通信系統(tǒng)仿真軟件，是國內(nèi)各大學(xué)和研究所使用最多的軟件之一。其功能非常強(qiáng)大，仿真手段豐富多樣，可實(shí)現(xiàn)包括時(shí)域和頻域、數(shù)字與

7、模擬、線性與非線性、噪聲等多種仿真分析手段，并可對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行成品率分析與優(yōu)化，從而大大提高了復(fù)雜電路的設(shè)計(jì)效率，是非常優(yōu)秀的微波電路、系統(tǒng)信號(hào)鏈路的設(shè)計(jì)工具。主要應(yīng)用于：射頻和微波電路的設(shè)計(jì)，通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，DSP設(shè)計(jì)和向量仿真。AnsysDesigner是Ansys公司推由的微波電路和通信系統(tǒng)仿真軟件；它采用了最新的窗口技術(shù)，是第一個(gè)將高頻電路系統(tǒng)，版圖和電磁場仿真工具無縫地集成到同一個(gè)環(huán)境的設(shè)計(jì)工具，這種集成不是簡單和接口集成，其關(guān)鍵是AnsysDesigner獨(dú)有的"按需求解"的技術(shù)，它使你能夠根據(jù)需要選擇求解器，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)計(jì)過程的完全控制。AnsysDesign

8、er實(shí)現(xiàn)了“所見即所得”的自動(dòng)化版圖功能，版圖與原理圖自動(dòng)同步，大大提高了版圖設(shè)計(jì)效率。同時(shí),Ansys還能方便地與其它設(shè)計(jì)軟件集成到一起，并可以和測試儀器連接，完成各種設(shè)計(jì)任務(wù)，如頻率合成器，鎖相環(huán)，通信系統(tǒng)，雷達(dá)系統(tǒng)以及放大器，混頻器，濾波器，移相器，功率分配器，合成器和微帶天線等。主要應(yīng)用于：射頻和微波電路的設(shè)計(jì)，通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，電路板和模塊設(shè)計(jì)，部件設(shè)計(jì)。AnsysHFSS是Ansys公司推由的三維電磁仿真軟件；是世界上第一個(gè)商業(yè)化的三維結(jié)構(gòu)電磁場仿真軟件，業(yè)界公認(rèn)的三維電磁場設(shè)計(jì)和分析的電子設(shè)計(jì)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。HFSS提供了一簡潔直觀的用戶設(shè)計(jì)接口、精確自適應(yīng)的場解器、擁有空前電性能分析能

9、力的功能強(qiáng)大后處理器，能計(jì)算任意形狀三維無源結(jié)構(gòu)的S參數(shù)和全波電磁場。HFSS軟件擁有強(qiáng)大的天線設(shè)計(jì)功能，它可以計(jì)算天線參量，如增益、方向性、遠(yuǎn)場方向圖剖面、遠(yuǎn)場3D圖和3dB帶寬;繪制極化特性，包括球形場分量、圓極化場分量、Ludwig第三定義場分量和軸比。使用HFSS,可以計(jì)算：基本電磁場數(shù)值解和開邊界問題，近遠(yuǎn)場輻射問題；端口特征阻抗和傳輸常數(shù)；S參數(shù)和相應(yīng)埠阻抗的歸一化S參數(shù)；結(jié)構(gòu)的本征模或諧振解。而且，由AnsysHFSS和AnsysDesigner構(gòu)成的Ansys高頻解決方案，是目前唯一以物理原型為基礎(chǔ)的高頻設(shè)計(jì)解決方案，提供了從系統(tǒng)到電路直至部件級(jí)的快速而精確的設(shè)計(jì)手段，覆蓋了高

10、頻設(shè)計(jì)的所有環(huán)節(jié)。MicrowaveOffice是AWR公司推由的微波EDA軟件，為微波平面電路設(shè)計(jì)提供了最完整，最快速和最精確的解答。它是通過兩個(gè)仿真器來對(duì)微波平面電路進(jìn)行模擬和仿真的。對(duì)于由集總組件構(gòu)成的電路，用電路的方法來處理較為簡便；該軟件設(shè)有"VoltaireXL"的仿真器來處理集總組件構(gòu)成的微波平面電路問題。而對(duì)于由具體的微帶幾何圖形構(gòu)成的分布參數(shù)微波平面電路則采用場的方法較為有效；該軟件采用的是"EMSight"的仿真器來處理任何多層平面結(jié)構(gòu)的三維電磁場的問題。"VoltaireXL"仿真器內(nèi)設(shè)一個(gè)組件庫，在建立電路模型

11、時(shí)，可以調(diào)由微波電路所用的組件，其中無源器件有電感、電阻、電容、諧振電路、微帶線、帶狀線、同軸線等等，非線性器件有雙極晶體管，場效應(yīng)晶體管，二極管等等。"EMSight"仿真器是一個(gè)三維電磁場模擬程序包，可用于平面高頻電路和天線結(jié)構(gòu)的分析。特點(diǎn)是把修正譜域矩量法與直觀的窗口圖形用戶接口（GUI）技術(shù)結(jié)合起來，使得計(jì)算速度加快許多。MWO可以分析射頻集成電路（RFIC）、微波單片集成電路（MMIC）、微帶貼片天線和高速印制電路（PCB）等電路的電氣特性。XFDTD是Remcom公司推由的基于時(shí)域有限差分法（FDTD）的三維全波電磁場仿真軟件。XFDTD用戶接口友好、計(jì)算準(zhǔn)確；

12、但XFDTD本身沒有優(yōu)化功能，須通過第三方軟件Engineous完成優(yōu)化。該軟件最早用于仿真蜂窩電話，長于手機(jī)天線和SAR計(jì)算?，F(xiàn)在廣泛用于無線、微波電路、雷達(dá)散射計(jì)算，化學(xué)、光學(xué)、陸基警戒雷達(dá)和生物組織仿真。ZelandIE3DIE3D是一個(gè)基于矩量法的電磁場仿真工具，可以解決多層介質(zhì)環(huán)境下的三維金屬結(jié)構(gòu)的電流分布問題。IE3D可分為MGRID、MODUA和PATTERNVIEW三部分；MGRID為IE3D的前處理套件，功能有建立電路結(jié)構(gòu)、設(shè)定基板與金屬材料的參數(shù)和設(shè)定模擬仿真參數(shù)；MOODUA是IE3D的核心執(zhí)行套件，可執(zhí)行電磁場的模擬仿真計(jì)算、性能參數(shù)（Smith園圖，S參數(shù)等）計(jì)算和執(zhí)

13、行參數(shù)優(yōu)化計(jì)算；PATTERNVIEW是IE3D的后處理套件，可以將仿真計(jì)算結(jié)果，電磁場的分布以等高線或向量場的形式顯示由來。IE3D仿真結(jié)果包括S、Y、Z參數(shù)，VWSR,RLC等效電路，電流分布，近場分布和輻射方向圖，方向性，效率和RCS等；應(yīng)用范圍主要是在微波射頻電路、多層印刷電路板、平面微帶天線設(shè)計(jì)的分析與設(shè)計(jì)。CSTMICROWAVESTUDIO是德國CST（ComputerSimulationTechnology）公司推由的高頻三維電磁場仿真軟件。廣泛應(yīng)用于移動(dòng)通信、無線通信（藍(lán)牙系統(tǒng)）、信號(hào)集成和電磁兼容等領(lǐng)域。MICROWAVESTUDIO使用簡潔，能為用戶的高頻設(shè)計(jì)提供直觀的電

14、磁特性。MICROWAVESTUDIO除了主要的時(shí)域求解器模塊外，還為莫些特殊應(yīng)用提供本征模及頻域求解器模塊。CAD文件的導(dǎo)入功能及SPICE參量的提取增強(qiáng)了設(shè)計(jì)的可能性并縮短了設(shè)計(jì)時(shí)間。另外，由于MICROWAVESTUDIO的開放性體系結(jié)構(gòu)能為其它仿真軟件提供鏈接，使MICROWAVESTUDIO與其它設(shè)計(jì)環(huán)境相集成。Sonnet是一種基于矩量法的電磁仿真軟件，提供面向3D平面高頻電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)以及在微波、毫米波領(lǐng)域和電磁兼容/電磁干擾設(shè)計(jì)的EDA工具。SonnetTM應(yīng)用于平面高頻電磁場分析，頻率從1MHz到幾千GHz。主要的應(yīng)用有：微帶匹配網(wǎng)絡(luò)、微帶電路、微帶濾波器、帶狀線電路、帶狀線濾

15、波器、過孔（層的連接或接地）、偶合線分析、PCB板電路分析、PCB板干擾分析、橋式螺線電感器、平面高溫超導(dǎo)電路分析、毫米波集成電路（MMIC）設(shè)計(jì)和分析、混合匹配的電路分析、HDI和LTCC轉(zhuǎn)換、單層或多層傳輸線的精確分析、多層的平面的電路分析、單層或多層的平面天線分析、平面天線陣分析、平面偶合孔的分析等。FEKOFEKO是德語FeldberechnungbeiKorpernmitbeliebigerOberflache（任意復(fù)雜電磁場計(jì)算）首字母的縮寫。本產(chǎn)品用于復(fù)雜形狀三維物體的電磁場分析。FEKO是針對(duì)天線設(shè)計(jì)、天線布局與電磁兼容性分析而開發(fā)的專業(yè)電磁場分析軟件，從嚴(yán)格的電磁場積分方程由

16、發(fā)，以經(jīng)典的矩量法（MOM:MethodOfMoment）為基礎(chǔ)，采用了多層快速多級(jí)子（MLFMM:Multi-LevelFastMultipoleMethod）算法在保持精度的前提下大大提高了計(jì)算效率，并將矩量法與經(jīng)典的高頻分析方法（物理光學(xué)PO:PhysicalOptics,一致性繞射理論UTD:UniformTheoryofDiffraction）無縫結(jié)合，從而非常適合于分析天線設(shè)計(jì)、雷達(dá)散射截面（RCS）、開域輻射、電磁兼容中的各類電磁場分析問題。5.0以后的Feko版本更是混合了有限元法（FEM:FiniteElementMethod）,能更精確的處理多層電介質(zhì)（如多層介質(zhì)雷達(dá)罩）、

17、生物體吸收率的問題。Feko通常處理問題的方法是：對(duì)于電小結(jié)構(gòu)的天線等電磁場問題，F(xiàn)EKO采用完全的矩量法進(jìn)行分析，保證了結(jié)果的高精度。對(duì)于具有電小與電大尺寸混合的結(jié)構(gòu)，F(xiàn)EKO既可以采用高效的基于矩量法的多層快速多極子法，又可以將問題分解后選用合適的混合方法（如用矩量法、多層快速多級(jí)子分析電小結(jié)構(gòu)部分，而用高頻方法分析電大結(jié)構(gòu)部分），從而保證了高精度和高效率的完美結(jié)合，因此在處理電大尺寸問題如天線設(shè)計(jì)、RCS計(jì)算等方面，其速度和精度均無以倫比。采用以上的技術(shù)路線，F(xiàn)eko可以針對(duì)不同的具體問題選取不同的方法來進(jìn)行快速精確的仿真分析，使得應(yīng)用更加靈活，適用范圍更廣泛，突破了單一數(shù)值計(jì)算方法只能

18、局限于莫一類電磁問題的限制。由于Feko基于嚴(yán)格的積分方程，因此它不需要建立吸收邊界條件，沒有數(shù)值色散誤差，在計(jì)算電大尺寸問題時(shí)不會(huì)因尺寸增加而誤差增大。而且，F(xiàn)eko支持工程中的各種激勵(lì)、模式，可以構(gòu)建任意結(jié)構(gòu)、材料的模型，根據(jù)用戶要求可以考慮多種不同層面的問題。除了計(jì)算內(nèi)核的高效率和強(qiáng)大的功能外，F(xiàn)eko還具有友好的用戶接口、完善的前后處理功能以及良好的接口兼容性。Feko前處理的建模功能提供了各種規(guī)則幾何體的直接創(chuàng)建，支持全參數(shù)化的幾何尺寸輸入，可以進(jìn)行多種布爾操作和旋轉(zhuǎn)、扭曲、螺旋、拉伸等操作。此外，幾乎所有目前的主流CAD軟件建立的模型都可以直接輸入到Feko中進(jìn)行計(jì)算，這一功能大大

19、簡化了復(fù)雜模型的構(gòu)建難度。Feko友好的用戶接口使得用戶對(duì)解的設(shè)置和控制變得輕松自如，保證了具備電磁場基礎(chǔ)的用戶可以在短時(shí)間內(nèi)完全掌握Feko的用法。獨(dú)特的循環(huán)控制進(jìn)一步增強(qiáng)了分析和控制的能力。功能強(qiáng)大完善的后處理模塊可以得由所有關(guān)心的物理量，包括S參數(shù)、阻抗、方向圖、增益、極化、場分布、電流、電荷、RCS、SAR等，并可以以非常直觀、靈活的二維、三維、動(dòng)畫、圖表及文件等方式輸由。止匕外，除了常規(guī)分析外，F(xiàn)eko還具備自適應(yīng)頻率采樣的寬帶智能化掃頻技術(shù)、時(shí)域分析功能和優(yōu)化設(shè)計(jì)功能，滿足了不同用戶的需求，節(jié)省了設(shè)計(jì)時(shí)間。其中尤為值得說明的是，自適應(yīng)掃頻技術(shù)這一技術(shù)的應(yīng)用非常顯著地提高了掃頻分析的

20、速度，多參數(shù)優(yōu)化大大減少了優(yōu)化的工作量,增強(qiáng)了優(yōu)化的效果。EastWaveEastWave是基于嚴(yán)格的時(shí)域有限差分算法（FDTD）和近似的物理光學(xué)算法（PO）等的軟件系統(tǒng)。經(jīng)過十多年長期研發(fā)，東峻在嚴(yán)格全波FDTD算法方面取得系列突破，在保證計(jì)算精度的前提下，EastWave軟件在計(jì)算速度上比國際同類算法軟件提高十至上百倍，使大量“電大”或“超大”的天線罩、天線陣、RCS、RCS熱點(diǎn)成像和電磁兼容等“國際難題”成為可嚴(yán)格計(jì)算的問題，同時(shí)，也使大量優(yōu)化設(shè)計(jì)難題成為能夠利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行自動(dòng)優(yōu)化的問題。EastWave在電磁/光電材料建模方面也是領(lǐng)先的，能夠進(jìn)行幾乎所有電磁/光電材料（金屬、色散、超材

21、料、吸收、非線性、增益、旋光、手征等）的建模，使得大量因?yàn)椴牧蠌?fù)雜而不能仿真的問題成為可仿真的。另外，東峻還開發(fā)了獨(dú)特PO算法，單機(jī)可算“上萬波長體系”的問題，也可將FDTD與PO混合，從而能“比較嚴(yán)格地”解決巨型（千倍波長以上）體系的問題。EastWave軟件目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航天、航空、中電、船舶、兵器部、移動(dòng)通信、電磁環(huán)境、激光、LED、非線性、超材料等行業(yè)，為新器件設(shè)計(jì)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了堅(jiān)強(qiáng)的基礎(chǔ)。COMSOLCOMSOLMultiphysics起源于MATLAB的Toolbox,最初命名為Toolbox1.0o后來改名為Femlab1.0（FEM為有限元，LAB是取自于Matlab）,

22、這個(gè)名字也一直沿用到Femlab3.1。從2005年3.2版本開始，正式命名為COMSOLMultiphysics,從3.2的版本開始，正式命名為COMSOLMultiphysics,因?yàn)镃OMSOL公司除了Femlab外又推由了COMSOLScript和COMSOLReactionEngineering等一系列相關(guān)軟件。這兩款軟件也相當(dāng)于Femlab的工具箱，也是為了滿足科研人員更高的要求。如在COMSOLScript中，你可以自己編程得到自己想要的模型并求解；你也可以通過編程在COMSOLMultiphysics基礎(chǔ)上開發(fā)新的適用本專業(yè)的軟件，也就是一個(gè)二次開發(fā)工具。所以COMSOL只是個(gè)公司名，軟件名應(yīng)該是COMSOLMultiphysics。Multiphy