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計算電磁學各種方法比較和電磁仿真軟件推薦

發布時間:2018-06-13

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計算電磁學中有眾多不同的算法,如時域有限差分法(FDTD)、時域有限積分法(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,數值算法有:有限元法(FEM - Finite Element Method)、矩量法(MoM - Method of Moments),差分法(FDM - Finite Difference Methods),邊界元法( BEM - Boundary Element Method),和傳輸線法(TLM - Transmission-Line-matrix Method)。

這些方法中有解析法、半解析法和數值方法。數值方法中又分零階、一階、二階和高階方法。按照結果的準確度從高到低,分別是:高階、二階、一階和零階。

依照解析程度由低到高排列,依次是:時域有限差分法(FDTD)、傳 輸線法(TLM)、時域有限積分法(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。

依照結果的準確度由高到低,分別是:解析法、半解析法、數值方法。

模式匹配法(MM)是一個半解析法,倘若傳輸線的橫向模式是準確可得的話。理論上,模式可以是連續譜。但由於數值求解精度的限製,通常要求橫向模式是離散譜。這就要求橫向結構上是無耗的。更通俗地講,就是無耗波導結構。換言之,MM 最適用於波導空腔、高Q且在能量傳輸的某一維上結構具有一定的均勻性。譬如,它適用於兩個圓柱腔在高度維上的耦合的分析,但不適用於兩個葫蘆間的耦合分析,因為後者沒有非常明確 的模式參與能量交換,人們隻能將大量的模式一並考慮,這樣就降低了MM 的效用。

有限元法(FEM)是一種一階純數值方法(若用一階元的話)。它適用於任何形狀的結構,是一個通用的方法。但事物總是一分為二的。一般來說,通用方法在特殊應用領域的效率將不如特殊方法。對於高Q空腔濾波器設計,MM就遠優於FEM。

使用矩量法( MoM)的微波EDA軟件有ADS,Sonnet,ANSYS Designer,Microwave Office, Zeland IE3D,ANSYS Esemble,Super NEC和FEKO;使用有限元法(FEM)的微波EDA軟件有HFSS和ANSYS;使用時域有限差分法(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CST Microwave Studio。

主流電磁場仿真軟件分析

ADS

ADS - Advanced Design System,是Agilent公司推出的微波電路和通信係統仿真軟件,是國內各大學和研究所使用最多的軟件之一。其功能非常強大,仿真手段豐富多樣,可 實現包括時域和頻域、數字與模擬、線性與非線性、噪聲等多種仿真分析手段,並可對設計結果進行成品率分析與優化,從而大大提高了複雜電路的設計效率,是非 常優秀的微波電路、係統信號鏈路的設計工具。主要應用於:射頻和微波電路的設計,通信係統的設計,DSP設計和向量仿真。

ANSYS Designer

ANSYS公司推出的微波電路和通信係統仿真軟件;它采用了最新的窗口技術,是第一個將高頻電路係統,版圖和電磁場仿真工具無縫地集成到同一個環境的設計工具,這種集成不是簡單和接口集成,其關鍵是ANSYS Designer獨有的"按需求解"的技術,它使你能夠根據需要選擇求解器,從而實現對設計過程的完全控製。

ANSYS Designer實現了“所見即所得”的自動化版圖功能,版圖與原理圖自動同步,大大提高了版圖設計效率。同時,Ansys還能方便地與其它設計軟件集成到一起,並可以和測試儀器連接,完成各種設計任務,如頻率合成器、鎖相環、通信係統、雷達係統以及放大器、混頻器、濾波器、移相器、功率分配器、合成器和微帶天線等。主要應用於:射頻和微波電路的設計、通信係統的設計、電路板和模塊設計、部件設計。

ANSYS HFSS

ANSYS公司推出的三維電磁仿真軟件;是世界上第一個商業化的三維結構電磁場仿真軟件,業界公認的三維電磁場設計和分析的電子設計工業標準。HFSS提供了一簡潔直觀的用戶設計接口、精確自適應的場解器、擁有空前電性能分析能力的功能強大後處理器,能計算任意形狀三維無源結構的S參數和全波電磁場。HFSS軟件擁有強大的天線設計功能,它可以計算天線參量,如增益、方向性、遠場方向圖剖麵、遠場3D圖和3dB帶寬;繪製極化特性,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,可以計算:

①基本電磁場數值解和開邊界問題,近遠場輻射問題;

②端口特征阻抗和傳輸常數;

③S參數和相應埠阻抗的歸一化S參數;

④結構的本征模或諧振解。而且,由ANSYS HFSS和ANSYSDesigner構成的Ansys高頻解決方案,是目前唯一以物理原型為基礎的高頻設計解決方案,提供了從係統到電路直至部件級的快速而精確的設計手段,覆蓋了高頻設計的所有環節。

Microwave Office

AWR公司推出的微波EDA軟件,為微波平麵電路設計提供了最完整,最快速和最精確的解答。它是通過兩個仿真器來對微波平麵電路進行模擬和仿真的。對於由集總組件構成的電路,用電路的方法來處理較為簡便;該軟件設有 "VoltaireXL" 的仿真器來處理集總組件構成的微波平麵電路問題。

而對於由具體的微帶幾何圖形構成的分布參數微波平麵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麵結構的三維電磁場的問題。"VoltaireXL" 仿真器內設一個組件庫,在建立電路模型時,可以調出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, 場效應晶體管,二極管等等。

"EMSight"仿真器是一個三維電磁場模擬程序包,可用於平麵高頻電路和天線結構的分析。特點是把修正譜域矩量法與直觀 的窗口圖形用戶接口(GUI)技術結合起來,使得計算速度加快許多。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製電路(PCB)等電路的電氣特性。

XFDTD

是Remcom公司推出的基於時域有限差分法(FDTD)的三維全波電磁場仿真軟件。XFDTD用戶接口友好、計算準確;但XFDTD本身沒有優化功能,須通過第三方軟件Engineous完成優化。該軟件最早用於仿真蜂窩電話,長於手機天線和SAR計算。現在廣泛用於無線、微波電路、雷達散射計算,化學、光學、陸基警戒雷達和生物組織仿真。

Zeland IE3D

IE3D是一個基於矩量法的電磁場仿真工具,可以解決多層介質環境下的三維金屬結構的電流分布問題。

IE3D可分為MGRID、MODUA和PATTERNVIEW三部分;MGRID為IE3D的前處理套件,功能有建立電路結構、設定基板與金屬材料的參數和設定模擬仿真參數;MOODUA是IE3D的核心執行套件,可執行電磁場的模擬仿真計算、性能參數(Smith園圖,S參數等)計算和執行參數優化計算;PATTERNVIEW是IE3D 的後處理套件,可以將仿真計算結果,電磁場的分布以等高線或向量場的形式顯示出來。

IE3D仿真結果包括S、Y、Z參數,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;應用範圍主要是在微波射頻電路、多層印刷電路板、平麵微帶天線設計的分析與設計。

CST MICROWAVE STUDIO

是德國CST(Computer Simulation Technology)公司推出的高頻三維電磁場仿真軟件。廣泛應用於移動通信、無線通信(藍牙係統)、信號集成和電磁兼容等領域。

MICROWAVE STUDIO使用簡潔,能為用戶的高頻設計提供直觀的電磁特性。MICROWAVE STUDIO 除了主要的時域求解器模塊外,還為某些特殊應用提供本征模及頻域求解器模塊。

CAD文件的導入功能及SPICE參量的提取增強了設計的可能性並縮短了設計時間。另外,由於MICROWAVE STUDIO的開放性體係結構能為其它仿真軟件提供鏈接,使MICROWAVE STUDIO 與其它設計環境相集成。

Sonnet

是一種基於矩量法的電磁仿真軟件,提供麵向3D平麵高頻電路設計係統以及在微波、毫米波領域和電磁兼容/電磁幹擾設計的EDA工具。SonnetTM應用於平麵高頻電磁場分析,頻率從1MHz到幾千GHz。

主要的應用有:微帶匹配網絡、微帶電路、微帶濾波器、帶狀線電路、帶狀線濾波器、過孔(層的連接或接地)、偶合線分析、PCB板電路分析、PCB 板幹擾分析、橋式螺線電感器、平麵高溫超導電路分析、毫米波集成電路(MMIC)設計和分析、混合匹配的電路分析、HDI 和LTCC 轉換、單層或多層傳輸線的精確分析、多層的平麵的電路分析、單層或多層的平麵天線分析、平麵天線陣分析、平麵偶合孔的分析等。

FEKO

FEKO是德語Feldberechnung bei Korpern mit beliebiger Oberflache(任意複雜電磁場 計算)首字母的縮寫。

本6up中文網用於複雜形狀三維物體的電磁場分析。FEKO是針對天線設計、天線布局與電磁兼容性分析而開發的專業電磁場分析軟件,從嚴格的電磁場積分方程出發,以經典的矩量法(MOM:Method Of Moment)為基礎,采用了多層快速多級子(MLFMM:Multi-Level Fast Multipole Method)算法在保持精度的前提下大大提高了計算效率,並將矩量法與經典的高頻分析方法(物理光學PO:Physical Optics,一致性繞射理論UTD:Uniform Theory of Diffraction)無縫結合,從而非常適合於分析天線設計、雷達散射截麵(RCS)、開域輻射、電磁兼容中的各類電磁場分析問題。

5.0以後的Feko版本更是混合了有限元法(FEM:Finite Element Method),能更精確的處理多層電介質(如多層介質雷達罩)、生物體吸收率的問題。Feko通常處理問題的方法是:對於電小結構的天線等電磁場問 題,FEKO采用完全的矩量法進行分析,保證了結果的高精度。對於具有電小與電大尺寸混合的結構,FEKO既可以采用高效的基於矩量法的多層快速多極子 法,又可以將問題分解後選用合適的混合方法(如用矩量法、多層快速多級子分析電小結構部分,而用高頻方法分析電大結構部分),從而保證了高精度和高效率的完美結合,因此在處理電大尺寸問題如天線設計、RCS計算等方麵,其速度和精度均無以倫比。

采用以上的技術路線,Feko可以針對不同的具體問題選取不同的方法來進行快速精確的仿真分析,使得應用更加靈活,適用範圍更廣泛,突破了單一數值計算方法隻能局限於某一類電磁問題的限製。