電磁仿真概述課件

1、課程目的了解電磁軟件仿真領(lǐng)域及典型軟件的特點了解基本的算法原理掌握FEKO和HFSS等軟件仿真基本問題的方法掌握利用Ansys AIE軟件進行模型修補和網(wǎng)格劃分的方法具備利用軟件仿真解決工程問題的能力 課程目的了解電磁軟件仿真領(lǐng)域及典型軟件的特點電子系統(tǒng)仿真設(shè)計方法第一講 電磁仿真概述電子系統(tǒng)仿真設(shè)計方法第一講 電磁仿真概述科學研究的三大方法理論研究數(shù)學方法、公式等物理理論、定理等實驗研究化學實驗生物實驗數(shù)值模擬第三大科學研究方法發(fā)展迅速，逐漸替代了部分實驗研究基于飛速發(fā)展的計算機技術(shù)各種工程、理論計算GuassFaraday科學研究的三大方法理論研究GuassFaraday仿真的特點和優(yōu)勢靈

2、活性方便的調(diào)整幾何結(jié)構(gòu)、材料屬性、放置位置等關(guān)鍵參數(shù)針對某一環(huán)節(jié)進行單獨分析全面、深入可以根據(jù)用戶要求分析任意部件、得到系統(tǒng)的任意電磁特性提供比測試豐富得多的信息效果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仿真的特點和優(yōu)勢靈活性Development process 電磁場仿真的現(xiàn)狀和前景電磁場仿真已經(jīng)廣泛地、成功地應(yīng)用于電磁性能預測、設(shè)計的多個方面。在理解待分析的問題、合理設(shè)置仿真模型和求解參

3、數(shù)的前提下，仿真完全可以代替測試。仿真所具有的高效費比、靈活性可以大幅提高設(shè)計效率。 電磁場仿真的現(xiàn)狀和前景電磁場仿真已經(jīng)廣泛地、成功地應(yīng)用于電電磁仿真應(yīng)用領(lǐng)域 EMC/EMI and System Design VerificationRCS/ATRMicrowave EngineeringHigh-speed Circuits RelatedConnectorsbiomedicalWireless Comm.Laser &OptoelectronicsAntennasRF ComponentsFASTEST growing market and new challenges電磁仿真應(yīng)用領(lǐng)域

4、RCS/ATRMicrowave EngiMAXWELL方程組電磁理論的基礎(chǔ)所有電磁仿真軟件的最終目的即為求解麥克斯維方程組MaxwellMAXWELL方程組電磁理論的基礎(chǔ)Maxwell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是否忽略位移電流決定了問題的類型！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)電磁分析方法發(fā)展及分類解析方法（19世紀前）MIE理論WKB法高頻方法GO,POGTD,UTDCT(復射線法),SBR（彈跳射線法）低頻方法積分方程方法矩量法（MoM）多層快速多極子（MLFMM）微分方程方法有限元方法（FEM）有限差

5、分法（FDM）混合方法高頻/低頻混合方法微分/積分混合方法電磁分析方法發(fā)展及分類解析方法（19世紀前）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 treatmentMetho

6、dsFinite Difference methods (FD)Finite Element methods (FEM)Method of Moments (MoM)Available codeXFDTD, Empire, SEMCAD, HFSS, CSTFEKO, IE3D, WIPL-D電磁算法比較Field methodSource metho不同類型算法的特點積分算法在目標表面剖分二維網(wǎng)格，減少未知量考慮了所有網(wǎng)格單元之間的耦合相互作用矩陣為滿陣，求解困難同等網(wǎng)格剖分尺度前提下，算法精度最高適合處理輻射、散射、電磁兼容等開域問題微分算法稀疏矩陣，求解容易三維體網(wǎng)格剖分，未知量多必須對

7、開放邊界進行近似處理（ABC、PML等）可計算規(guī)模較小適用于電小問題、波導器件問題時域軟件適合處理系統(tǒng)的時域響應(yīng)、寬帶響應(yīng)高頻算法基于射線方法，考慮局部性效應(yīng)、不考慮二次源的作用適合處理電大、平滑結(jié)構(gòu)問題混合算法結(jié)合高頻/精確方法的優(yōu)點，在精度、速度、計算規(guī)模間取得平衡不同類型算法的特點積分算法方程/基/權(quán)函數(shù)優(yōu)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

8、方程的微分形式Base: Linear polynomsWeights: Linear polynoms- - 稀疏、對角矩陣- 適用于不均勻介質(zhì)- 適用于復雜結(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方程/基/權(quán)函數(shù)優(yōu)點缺點FDM基于麥克斯韋方程的微分形式- 電磁計算基本步驟如何進行仿真

9、?設(shè)置物理環(huán)境建立幾何模型劃分網(wǎng)格 邊界條件激勵源矩陣求解結(jié)果材料屬性 單位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電磁計算基本步驟如何進行仿真?設(shè)置物理環(huán)境建立幾何模型劃分網(wǎng)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)果時域 vs. 頻域互補通過FFT & IFFT，結(jié)果可以轉(zhuǎn)換理想情況下，結(jié)果應(yīng)該一致。但實際上，數(shù)值色散等誤差導致結(jié)果不同沒有最好的方法！不同方法適用于不同的應(yīng)用頻域適用: 窄帶、特定已知的頻帶、穩(wěn)態(tài)問題、材料屬性隨頻率變化時域適用: 寬帶、瞬態(tài)脈沖響應(yīng)、未知頻帶的問題、材料

11、屬性時變電磁場相關(guān)的測量通常在頻域進行VNA, spectrum analyzer, anechoic chamber testing, GTEM/TEM CELL, EMC, materials properties testing電路相關(guān)的測量通常在時域進行TDR, Oscilloscope, circuit simulations, etc.時域 vs. 頻域互補時域仿真的關(guān)鍵問題時間步長?穩(wěn)定性條件 (CFL condition)空間步長?幾何不連續(xù)每個波長的采樣點模型的縱橫比運行多久?理想情況下，要求能量通過耗散或輻射達到穩(wěn)態(tài)實際情況下，能量降低3040 dB即可關(guān)鍵技術(shù)包括: 非均

12、勻網(wǎng)格、子網(wǎng)格、共形網(wǎng)格等采用隱式格式時域有限元等新算法時域仿真的關(guān)鍵問題時間步長?頻域仿真的關(guān)鍵問題收斂條件?S 參數(shù)網(wǎng)格尺寸?幾何不連續(xù)每個波長的采樣點掃頻分析?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關(guān)鍵技術(shù)包括: 自適應(yīng)網(wǎng)格剖分自適應(yīng)掃頻技術(shù)高階基函數(shù)更高效的矩陣求解技術(shù)（預條件、迭代算法等）頻域仿真的關(guān)鍵問題收斂條件?電磁仿真沒能發(fā)揮應(yīng)有作用的主要原因如何從實際問題出發(fā)建立合理的仿真模型要求對實際問題的物理機制的深刻理解要求對電磁計算方法的深刻理解要求對軟件功能的深刻理解如何能得到可信的結(jié)果要求對軟件使用、功能的深刻把握要求有豐富的設(shè)計經(jīng)驗如何利用得到的

13、仿真結(jié)果指導設(shè)計要求對物理概念有深刻的理解，能夠從數(shù)據(jù)中得到其物理意義電磁仿真沒能發(fā)揮應(yīng)有作用的主要原因如何從實際問題出發(fā)建立合理典型軟件介紹 典型軟件介紹 電磁領(lǐng)域市場需求電磁領(lǐng)域市場需求及份額比例分布圖電磁領(lǐng)域市場需求電磁領(lǐng)域市場需求及份額比例分布圖電磁領(lǐng)域市場分析從上圖我們得到的幾點啟示(比例數(shù)據(jù)僅供參考):目前設(shè)計工具還屬于市場的主導, 但CAE仿真的市場增長潛力很大；主要的設(shè)計（ECAD）領(lǐng)域有：模擬電路、高速數(shù)字電路的設(shè)計；高頻電路的設(shè)計(射頻、微波、毫米波電路等)；復雜線纜網(wǎng)絡(luò)的布線設(shè)計；芯片及其封裝的設(shè)計等設(shè)計領(lǐng)域占有了近60%的市場, CAE占有近30%的市場份額幾個新興的發(fā)

14、展領(lǐng)域, 市場增長會更為迅速：芯片及其封裝的設(shè)計；芯片及其封裝的EMI分析； 高速電路的CAE分析；線纜的布線設(shè)計以及SI、EMI、EMS分析；電磁領(lǐng)域市場分析從上圖我們得到的幾點啟示(比例數(shù)據(jù)僅供參考)電磁領(lǐng)域市場分析高速數(shù)字電路及芯片的設(shè)計領(lǐng)域：該領(lǐng)域市場存在的幾家競爭產(chǎn)品有：Cadence (適用于大、中型企業(yè))Mentor (適用于大、中型企業(yè))Protel (適用于小型企業(yè))Zuken 等Protel最先進入中國市場, 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)計等方面能力有限, Cadence、Mentor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.這些公司往

15、往還提供信號完整性分析工具電磁領(lǐng)域市場分析高速數(shù)字電路及芯片的設(shè)計領(lǐng)域：電磁領(lǐng)域市場分析高速數(shù)字電路及芯片的分析領(lǐng)域：該領(lǐng)域市場存在的幾家競爭產(chǎn)品有：Ansoft SIwave和Nexxim CST PCB StudioSigrity Speed 2000ApsimMentor Hyperlynx或Cadence等帶的信號完整性分析模塊由于PCB電路的復雜性，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)問題進行分析相對來說，SIwave、 Cadence、Mentor的市場份額較大，使用上由于可以與其配套產(chǎn)品聯(lián)合仿真，作用也更大電磁領(lǐng)域市場分析高速數(shù)字電路及芯片的分析領(lǐng)域：電磁領(lǐng)域

16、市場分析高頻電路的設(shè)計領(lǐng)域:在該領(lǐng)域主要的壟斷產(chǎn)品有:Agilent的ADS軟件Ansoft的Designer軟件CST公司的CST Design Studio軟件美國AWR公司的MW office產(chǎn)品分析：Agilent占有很大的市場份額, 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；Ansoft的Designer軟件在該領(lǐng)域?qū)儆诘诙奈恢? 它的優(yōu)勢在于他們的產(chǎn)品自成體系, 可以和成熟的HFSS軟件有機結(jié)合AWR的MW office軟件也是一款很好的射頻、微波電路設(shè)計軟件, 非常適合于小型企業(yè)來購買使用.電磁領(lǐng)域市場分析高頻電路的設(shè)計領(lǐng)域:電磁領(lǐng)域市場分析復雜系統(tǒng)的線纜網(wǎng)絡(luò)設(shè)計領(lǐng)域:

17、在該領(lǐng)域主要的設(shè)計產(chǎn)品有:法國IGE-XAO公司的電氣設(shè)計產(chǎn)品法國達索公司的Catia產(chǎn)品Mentor中也帶有線纜的布線設(shè)計模塊市場特點:該領(lǐng)域的市場增長潛力大, 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；是一個新興的市場增長點。 復雜系統(tǒng)線纜網(wǎng)絡(luò)的分析領(lǐng)域該領(lǐng)域的主要分析軟件有:德國Simlab公司的CableMod軟件格魯吉亞EMCos公司的EMC Studio軟件電磁領(lǐng)域市場分析復雜系統(tǒng)的線纜網(wǎng)絡(luò)設(shè)計領(lǐng)域:電磁領(lǐng)域市場分析三維高頻電磁場仿真分析領(lǐng)域：該領(lǐng)域的應(yīng)用主要應(yīng)用有：天線、天線陣列、天線罩、天線的布局分析；雷達目標的RCS分析及成像；射頻、微波無源器件、微帶匹配電路

18、的分析；系統(tǒng)、設(shè)備的EMC；手機的SAR等該領(lǐng)域主要的產(chǎn)品:Ansoft公司的HFSS產(chǎn)品EMSS公司的FEKO軟件CST公司的CST Microwave Studio軟件EField AB公司的Efield 雷達目標的RCS分析軟件基于時域有限差分的軟件如REMCOM公司的Xfdtd軟件、Empire等Zeland公司的IE3D、Fidelidy等美國Sonnet公司的Sonnet微帶電路設(shè)計軟件等Emind、SEMCAD、FloEMC、Grasp、Redbase等電磁領(lǐng)域市場分析三維高頻電磁場仿真分析領(lǐng)域：FEKO簡介三維頻域全波電磁場分析軟件包通用性基于矩量法/多層快速多級子混合高頻PO

19、/GO/UTD、有限元算法適合求解輻射、散射、EMC問題電大尺寸處理能力強同公司主要產(chǎn)品：Magus快速天線設(shè)計軟件FEKO簡介三維頻域全波電磁場分析軟件包FEKO的求解算法UTDPOMOMFEM-MOMMLFMM電尺寸問題的復雜度FEKO的求解算法UTDPOMOMFEM-MLFMM電尺寸問FEKO的典型應(yīng)用領(lǐng)域FEKO的典型應(yīng)用領(lǐng)域HFSS簡介三維頻域全波電磁場分析軟件包基于有限元算法，劃分四面體網(wǎng)格采用矢量有限元、自適應(yīng)網(wǎng)格、快速掃頻等特色技術(shù)適合求解微波器件、微帶電路、小尺寸的輻射和散射問題軟件對各類問題的適應(yīng)性很好同公司主要產(chǎn)品Designer射頻電子學仿真軟件SIwave PCB板仿

20、真軟件Maxwell 低頻電磁仿真軟件HFSS簡介三維頻域全波電磁場分析軟件包CST MWS簡介三維時域全波電磁場分析軟件包基于有限體積法算法適合求解微波器件、微帶電路、小尺寸的輻射和散射問題適合處理寬帶問題，處理單頻、窄帶更難同公司主要產(chǎn)品非常全，幾乎啥都有，看起來功能也都可以CST EMS低頻電磁工作室CST PCB/Cable Studio電路板/電纜束工作室CST Particle Studio粒子工作室CST MWS簡介三維時域全波電磁場分析軟件包SimLab（CST PCB/Cable Studio）應(yīng)用簡介PCB板級EMC問題信號完整性（SI）信號的串擾（傳導、輻射）信號的反射信

21、號的延時信號的衰減信號的濾波電源完整性（PI）電源/地的諧振電源/地電壓的波動芯片的布局電磁干擾（EMI）輻射（近場、遠場）特點時域、頻域都需要分析場分析與電路分析結(jié)合多層介質(zhì)平面結(jié)構(gòu)SimLab（CST PCB/Cable Studio）應(yīng)用SimLab（CST PCB/Cable Studio）應(yīng)用簡介復雜電纜束EMC問題信號完整性（SI）信號的串擾（傳導、輻射）信號的反射信號的延時信號的衰減信號的濾波電磁干擾（EMI）輻射（近場、遠場）EMC特點時域、頻域都需要分析場分析與電路分析結(jié)合線束相對位置隨機2D問題SimLab（CST PCB/Cable Studio）應(yīng)用PCB (1)PCB (2)電纜互聯(lián)系統(tǒng)走線引腳 (1)線纜終端 (1/2)走線引腳 (2)Connector (1)Connector (2)CSPICE Model