聊一下電磁仿真和常用的電磁仿真軟件

今天我們一起來(lái)聊一下電磁仿真軟件

當(dāng)我們開(kāi)始接觸電磁波和微波工程的時(shí)候，第一件事就是仿真。電磁仿真可以說(shuō)是一個(gè)射頻工程師/微波工程師必備的技能之一。這個(gè)在射頻求職的時(shí)候體現(xiàn)的很明白，基本上所有的射頻工程師職位的要求都是要求掌握一到兩種仿真軟件的應(yīng)用，最常見(jiàn)的就是ADS，HFSS和CST等，也足以體現(xiàn)仿真技能對(duì)一個(gè)射頻工程師的重要性。

仿真就是對(duì)實(shí)際物體進(jìn)行模型模擬，以期改善實(shí)際產(chǎn)品的性能，找到最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。電磁仿真就是對(duì)物體的電磁性能進(jìn)行仿真模擬，以代替昂貴的原型，并改進(jìn)設(shè)計(jì)。我們知道，麥克斯韋方程組的解就是物體的電磁特性。費(fèi)曼在一次演講中說(shuō)到：有了電和磁，就有了光。其實(shí)這里的光不僅僅是一種電磁波，更是一種光明，電磁波的發(fā)現(xiàn)直接導(dǎo)致了我們現(xiàn)在無(wú)處不連接的無(wú)線時(shí)代。麥克斯韋方程組的微分形式就表示了在一個(gè)點(diǎn)的電磁特性，那么積分形式就表示了這些點(diǎn)的電磁特性的積分就是整體的電磁特性。

這里就引出了電磁仿真的方法：有限元法FEM，有限積分/差分法和矩量法MOM。（當(dāng)然，電磁計(jì)算方法還有很多，我們就不一一介紹了。暫時(shí)先看一下這三種最主要的。）

有限元法FEM

有限元法可以說(shuō)是一種最通用的電磁計(jì)算方法，它適用于任意形狀，也適用于任意物理場(chǎng)的仿真。理查德·費(fèi)曼在他的《物理學(xué)講義》一書(shū)中討論了如何分析物理問(wèn)題。他提到，想要全面了解某個(gè)系統(tǒng)的特性，一種可行的方法是使用微分方程來(lái)描述這一系統(tǒng)在不同情況下的特性，并分析方程的解。他還進(jìn)一步指出：“只有一種精確的方法能夠表述物理定律，就是使用微分方程?！?有限元法FEM(finite element method)是一種高效能、常用的數(shù)值計(jì)算方法?？茖W(xué)計(jì)算領(lǐng)域，常常需要求解各類(lèi)微分方程，而許多微分方程的解析解一般很難得到，使用有限元法將微分方程離散化后，可以編制程序，使用計(jì)算機(jī)輔助求解。

在射頻仿真中常用到的HFSS主要計(jì)算方法就是有限元FEM。HFSS是小木匠學(xué)習(xí)的第一款電磁仿真軟件，當(dāng)時(shí)還是屬于ansoft 公司，現(xiàn)在成了Ansys軟件里面的一款應(yīng)用。Ansys HFSS是3D電磁（EM）仿真軟件，用于設(shè)計(jì)和仿真高頻電子產(chǎn)品，例如天線，天線陣列，RF或微波組件，高速互連，濾波器，連接器，IC封裝和印刷電路板。全球工程師使用Ansys HFSS軟件來(lái)設(shè)計(jì)通信系統(tǒng)，高級(jí)駕駛員輔助系統(tǒng)（ADAS），衛(wèi)星和物聯(lián)網(wǎng)（IoT）產(chǎn)品中的高頻，高速電子產(chǎn)品。最新的2021 R1版本在HFSS中引入了突破性的增強(qiáng)功能，實(shí)現(xiàn)了前所未有的超復(fù)雜系統(tǒng)的仿真，例如PCB，IC封裝和系統(tǒng)EMI分析。

HFSS的仿真精度是毋庸置疑的，但是有限元法由于其通用性又限制了其仿真效率。Ansys 提供了軟件的試用版本，印象中還有學(xué)生版，當(dāng)然還有網(wǎng)絡(luò)上的你懂我懂大家懂的版本了了。HFSS學(xué)習(xí)資源也很豐富。目前在賣(mài)的學(xué)習(xí)書(shū)籍也挺多的，個(gè)人比較推薦謝擁軍老師的《HFSS原理與工程應(yīng)用》，其內(nèi)容涵蓋了微波技術(shù)原理到HFSS的仿真應(yīng)用：第1章介紹了微波技術(shù)的基本理論和基礎(chǔ)知識(shí)；第2章講述了電磁場(chǎng)有限元方法的基本原理；第3章對(duì)軟件的界面、使用方法作了簡(jiǎn)單介紹；第4章詳細(xì)給出了Ansoft HFSS的計(jì)算原理與使用技巧；第5章通過(guò)大量的工程實(shí)例使讀者能夠熟練掌握Ansoft HFSS軟件，對(duì)于實(shí)際工程問(wèn)題給出正確的仿真解決方案。可作為高等院校、研究院所、公司等從事射頻微波技術(shù)的工程人員的工程手冊(cè)，也可作為高校相關(guān)專(zhuān)業(yè)的研究生和本科生的科研教學(xué)參考書(shū)。缺點(diǎn)就是書(shū)上案例偏少，并且出版于2009年，時(shí)間有點(diǎn)久遠(yuǎn)，原理部分初學(xué)者學(xué)習(xí)比較吃力，有些案例仿真結(jié)果可能有偏差。但對(duì)于學(xué)習(xí)其仿真思想足夠了。

另外還有李明洋老師的《HFSS電磁仿真設(shè)計(jì)應(yīng)用詳解》，是一本注重工程實(shí)踐的HFSS電磁仿真設(shè)計(jì)教程，全書(shū)共14章，前8章全面介紹了HFSS的設(shè)計(jì)流程、各種設(shè)計(jì)功能和具體使用操作。后6章主要通過(guò)實(shí)際工程設(shè)計(jì)實(shí)例講解HFSS在微波器件設(shè)計(jì)、天線設(shè)計(jì)、天線陣分析設(shè)計(jì)、高速數(shù)字信號(hào)完整性分析、諧振腔分析設(shè)計(jì)和SAR計(jì)算等方面的具體應(yīng)用。本書(shū)體系完整、可讀性和工程應(yīng)用性強(qiáng)，適合 HFSS初學(xué)者學(xué)習(xí)參考和具有一定HFSS使用基礎(chǔ)的讀者學(xué)習(xí)提高，也可供高等院校、研究院所、公司企業(yè)等從事微波射頻、電子通信領(lǐng)域的工程技術(shù)人員參閱。仿真案例比較多，比較適合初學(xué)者入門(mén)。小木匠最推薦的還是HFSS自帶的help文檔，之前記得有一個(gè)handbook的電子教程，800多頁(yè)的電子教程涵蓋了HFSS應(yīng)用的方方面面?，F(xiàn)在不知道還有沒(méi)有，好長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)用過(guò)了。當(dāng)然Ansys網(wǎng)站上也有很多案例教程可供學(xué)習(xí)。

時(shí)域有限差分（FDTD）

時(shí)域有限差分（FDTD）算法以顯式方式求解麥克斯韋方程組。FDTD方法利用由矩形或Yee單元構(gòu)建的網(wǎng)格，其中隨著電磁波在結(jié)構(gòu)中傳播，場(chǎng)值會(huì)隨著時(shí)間一步一步地更新。使用這種方法，單個(gè)FDTD仿真可以提供超寬頻率范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)。由于FDTD具有簡(jiǎn)單，魯棒的特性，并且能夠結(jié)合多種非線性材料和器件，因此經(jīng)常被用于研究各種應(yīng)用，包括天線設(shè)計(jì)，微波電路，生物/電磁效應(yīng)和光子學(xué)。計(jì)算機(jī)速度和存儲(chǔ)容量的最新發(fā)展使FDTD求解器越來(lái)越受到設(shè)計(jì)人員的歡迎。這種方法特別適合于無(wú)線設(shè)計(jì)。

以時(shí)域有限差分/積分法為主要算法的是CST Microwave Studio，原來(lái)屬于CST公司，現(xiàn)在被法國(guó)達(dá)索收購(gòu)了。目前CST仿真工作室也集成了多種電磁仿真技術(shù)，例如有限元方法（FEM），有限積分技術(shù)（FIT）和傳輸線矩陣方法（TLM））訪問(wèn)多個(gè)電磁（EM）仿真求解器。這些代表了用于高頻仿真任務(wù)的最強(qiáng)大的通用求解器。由于天線，微波組件和電子設(shè)備的性能必須安裝在工作環(huán)境中，因此通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)今天變得越來(lái)越具有挑戰(zhàn)性。SIMULIA CST Studio Suite 2021引入了一系列新的增強(qiáng)和改進(jìn)功能，以提高建模，網(wǎng)格劃分和求解器技術(shù)的多功能性和性能，從而完全解決了這些問(wèn)題。此外，在整合 3D體驗(yàn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)無(wú)縫協(xié)作的工作流程，甚至在不同的團(tuán)隊(duì)和部門(mén)。用戶將能夠快速對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行必要的更改，從而提高工程效率并進(jìn)一步促進(jìn)創(chuàng)新。

個(gè)人感覺(jué)CST的宏功能比較好用，可以自己開(kāi)發(fā)一些設(shè)計(jì)工具以提高仿真效率。很早之前學(xué)習(xí)CST的時(shí)候，有一本CST中國(guó)團(tuán)隊(duì)編寫(xiě)的一本書(shū)《CST中文教程》，現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)上已經(jīng)買(mǎi)不到了。有興趣的同學(xué)可以網(wǎng)絡(luò)搜索一下電子版。當(dāng)然個(gè)人還是推薦學(xué)習(xí)軟件的Help里面的內(nèi)容以及軟件自帶的仿真案例。

CST和HFSS是比較常用的3D電磁仿真軟件，當(dāng)然還有一些像Sonnet，F(xiàn)EKO，EMpro等等，不知道現(xiàn)在有多少同學(xué)在用。當(dāng)然國(guó)內(nèi)的3D電磁仿真軟件也有一些：北京云道智造科技有限公司的Simdroid，東峻科技的Eastwave以及中望電磁仿真軟件ZWSim。不知道有沒(méi)有同學(xué)用過(guò)……

矩量法（MoM）

在用于解決EM問(wèn)題的所有技術(shù)中，矩量法（MoM）是最難實(shí)現(xiàn)的方法之一。這是一種將麥克斯韋方程式轉(zhuǎn)換為積分方程式的數(shù)值計(jì)算方法，當(dāng)離散化時(shí)，可以得出結(jié)構(gòu)的耦合矩陣方程式。

MoM的優(yōu)勢(shì)在于，它僅需要計(jì)算邊界值，而不是整個(gè)問(wèn)題空間中的所有值。這對(duì)于具有較小的表面/體積比的問(wèn)題非常有效，并且非常適合于模擬非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。以矩量法為主的微波軟件有AWR, ADS，Ansys Designer，XFDTD, Zeland IE3D， Sonnet，F(xiàn)EKO等。

小木匠學(xué)習(xí)使用的第一款射頻電路仿真軟件是ADS，也是大家都比較熟悉的。ADS全稱(chēng)（Advanced Design System），是Agilent公司（現(xiàn)在的keysight 是德科技）推出的微波電路和通信系統(tǒng)仿真軟件，是國(guó)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?，F(xiàn)在整合成了 Pathwave ADS，除了pathwave ADS之外，還有面向三維仿真的 EMPro，面向系統(tǒng)設(shè)計(jì)的SystemVue以及面向集成電路Goldengate。

不得不說(shuō)，現(xiàn)在的電磁仿真軟件更新真的挺快的，但越來(lái)越好嗎，有時(shí)候真不覺(jué)得。功能確實(shí)是越來(lái)越強(qiáng)大了。ADS的學(xué)習(xí)，國(guó)內(nèi)可買(mǎi)到的書(shū)就比較多了。個(gè)人比較推薦韓國(guó)人寫(xiě)的這本《微波電路設(shè)計(jì)：使用ADS的方法與途徑》，電子科技大學(xué)張玉興教授翻譯。本書(shū)是微波電路設(shè)計(jì)的完整指南，闡述微波電路中的基本概念、無(wú)源和有源器件、傳輸線理論，以及高頻測(cè)量的基本知識(shí)。主要內(nèi)容包括：低噪聲放大器的設(shè)計(jì)、功率放大器的設(shè)計(jì)、微波振蕩器的設(shè)計(jì)、鎖相環(huán)的設(shè)計(jì)和混頻器的設(shè)計(jì)，重點(diǎn)討論了微波集成電路的分類(lèi)和作用、無(wú)源元件的阻抗和等效電路、同軸微帶傳輸線、有源器件和阻抗匹配。另外，還包括基于ADS新的微波仿真設(shè)計(jì)實(shí)例。本書(shū)適合作為電類(lèi)專(zhuān)業(yè)高年級(jí)本科生和研究生的教材，對(duì)微波電路設(shè)計(jì)工程師也具有很高的參考價(jià)值。

仿真軟件，只有正確使用才會(huì)達(dá)到其應(yīng)有的效果，首先要確保操作設(shè)置的準(zhǔn)確，模型的準(zhǔn)確，其次要保證網(wǎng)格劃分的足夠。還有就是仿真和實(shí)際加工誤差的經(jīng)驗(yàn)值。把實(shí)際經(jīng)驗(yàn)與仿真精度都考慮進(jìn)去，這樣的仿真才是最有效的，也是最準(zhǔn)確的。軟件也只是軟件，人永遠(yuǎn)還是第一位的。

參考：

1，www.ansys.com2，www.3ds.com3，www.keysight.com4，EM Simulation Technology and When to Use It5，Ansys HFSS 的前世今生
6，電磁仿真軟件概述