电磁仿真软件的应用

今天我们一起来聊一下电磁仿真软件当我们开始接触电磁波和微波工程的时候，第一件事就是仿真。电磁仿真可以说是一个射频工程师/微波工程师必备的技能之一。这个在射频求职的时候体现的很明白，基本上所有的射频工程师职位的要求都是要求掌握一到两种仿真软件的应用，最常见的就是ads，hfss和cst等，也足以体现仿真技能对一个射频工程师的重要性。
仿真就是对实际物体进行模型模拟，以期改善实际产品的性能，找到最优的设计方案。电磁仿真就是对物体的电磁性能进行仿真模拟，以代替昂贵的原型，并改进设计。我们知道，麦克斯韦方程组的解就是物体的电磁特性。费曼在一次演讲中说到：有了电和磁，就有了光。其实这里的光不仅仅是一种电磁波，更是一种光明，电磁波的发现直接导致了我们现在无处不连接的无线时代。麦克斯韦方程组的微分形式就表示了在一个点的电磁特性，那么积分形式就表示了这些点的电磁特性的积分就是整体的电磁特性。这里就引出了电磁仿真的方法：有限元法fem，有限积分/差分法和矩量法mom。（当然，电磁计算方法还有很多，我们就不一一介绍了。暂时先看一下这三种最主要的。）有限元法fem 有限元法可以说是一种最通用的电磁计算方法，它适用于任意形状，也适用于任意物理场的仿真。理查德·费曼在他的《物理学讲义》一书中讨论了如何分析物理问题。他提到，想要全面了解某个系统的特性，一种可行的方法是使用微分方程来描述这一系统在不同情况下的特性，并分析方程的解。他还进一步指出：“只有一种精确的方法能够表述物理定律，就是使用微分方程。” 有限元法fem(finite element method)是一种高效能、常用的数值计算方法。科学计算领域，常常需要求解各类微分方程，而许多微分方程的解析解一般很难得到，使用有限元法将微分方程离散化后，可以编制程序，使用计算机辅助求解。在射频仿真中常用到的hfss主要计算方法就是有限元fem。hfss是小木匠学习的第一款电磁仿真软件，当时还是属于ansoft 公司，现在成了ansys软件里面的一款应用。ansys hfss是3d电磁（em）仿真软件，用于设计和仿真高频电子产品，例如天线，天线阵列，rf或微波组件，高速互连，滤波器，连接器，ic封装和印刷电路板。全球工程师使用ansys hfss软件来设计通信系统，高级驾驶员辅助系统（adas），卫星和物联网（iot）产品中的高频，高速电子产品。最新的2021 r1版本在hfss中引入了突破性的增强功能，实现了前所未有的超复杂系统的仿真，例如pcb，ic封装和系统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 提供了软件的试用版本，印象中还有学生版，当然还有网络上的你懂我懂大家懂的版本了了。 hfss学习资源也很丰富。目前在卖的学习书籍也挺多的，个人比较推荐谢拥军老师的《hfss原理与工程应用》，其内容涵盖了微波技术原理到hfss的仿真应用：第1章介绍了微波技术的基本理论和基础知识；第2章讲述了电磁场有限元方法的基本原理；第3章对软件的界面、使用方法作了简单介绍；第4章详细给出了ansoft hfss的计算原理与使用技巧；第5章通过大量的工程实例使读者能够熟练掌握ansoft hfss软件，对于实际工程问题给出正确的仿真解决方案。可作为高等院校、研究院所、公司等从事射频微波技术的工程人员的工程手册，也可作为高校相关专业的研究生和本科生的科研教学参考书。缺点就是书上案例偏少，并且出版于2009年，时间有点久远，原理部分初学者学习比较吃力，有些案例仿真结果可能有偏差。但对于学习其仿真思想足够了。
另外还有李明洋老师的《hfss电磁仿真设计应用详解》，是一本注重工程实践的hfss电磁仿真设计教程，全书共14章，前8章全面介绍了hfss的设计流程、各种设计功能和具体使用操作。后6章主要通过实际工程设计实例讲解hfss在微波器件设计、天线设计、天线阵分析设计、高速数字信号完整性分析、谐振腔分析设计和sar计算等方面的具体应用。本书体系完整、可读性和工程应用性强，适合 hfss初学者学习参考和具有一定hfss使用基础的读者学习提高，也可供高等院校、研究院所、公司企业等从事微波射频、电子通信领域的工程技术人员参阅。仿真案例比较多，比较适合初学者入门。小木匠最推荐的还是hfss自带的help文档，之前记得有一个handbook的电子教程，800多页的电子教程涵盖了hfss应用的方方面面。现在不知道还有没有，好长时间没用过了。当然ansys网站上也有很多案例教程可供学习。
时域有限差分（fdtd）
时域有限差分（fdtd）算法以显式方式求解麦克斯韦方程组。fdtd方法利用由矩形或yee单元构建的网格，其中随着电磁波在结构中传播，场值会随着时间一步一步地更新。使用这种方法，单个fdtd仿真可以提供超宽频率范围内的数据。由于fdtd具有简单，鲁棒的特性，并且能够结合多种非线性材料和器件，因此经常被用于研究各种应用，包括天线设计，微波电路，生物/电磁效应和光子学。计算机速度和存储容量的最新发展使fdtd求解器越来越受到设计人员的欢迎。这种方法特别适合于无线设计。以时域有限差分/积分法为主要算法的是cst microwave studio，原来属于cst公司，现在被法国达索收购了。目前cst仿真工作室也集成了多种电磁仿真技术，例如有限元方法（fem），有限积分技术（fit）和传输线矩阵方法（tlm））访问多个电磁（em）仿真求解器。这些代表了用于高频仿真任务的最强大的通用求解器。由于天线，微波组件和电子设备的性能必须安装在工作环境中，因此通信系统的设计今天变得越来越具有挑战性。 simulia cst studio suite 2021引入了一系列新的增强和改进功能，以提高建模，网格划分和求解器技术的多功能性和性能，从而完全解决了这些问题。此外，在整合 3d体验平台实现无缝协作的工作流程，甚至在不同的团队和部门。用户将能够快速对产品进行必要的更改，从而提高工程效率并进一步促进创新。个人感觉cst的宏功能比较好用，可以自己开发一些设计工具以提高仿真效率。很早之前学习cst的时候，有一本cst中国团队编写的一本书《cst中文教程》，现在网络上已经买不到了。有兴趣的同学可以网络搜索一下电子版。当然个人还是推荐学习软件的help里面的内容以及软件自带的仿真案例。
cst和hfss是比较常用的3d电磁仿真软件，当然还有一些像sonnet，feko，empro等等，不知道现在有多少同学在用。当然国内的3d电磁仿真软件也有一些：北京云道智造科技有限公司的simdroid，东峻科技的eastwave以及中望电磁仿真软件zwsim。不知道有没有同学用过……
矩量法（mom）
在用于解决em问题的所有技术中，矩量法（mom）是最难实现的方法之一。这是一种将麦克斯韦方程式转换为积分方程式的数值计算方法，当离散化时，可以得出结构的耦合矩阵方程式。 mom的优势在于，它仅需要计算边界值，而不是整个问题空间中的所有值。这对于具有较小的表面/体积比的问题非常有效，并且非常适合于模拟非常复杂的结构。以矩量法为主的微波软件有awr, ads，ansys designer，xfdtd, zeland ie3d， sonnet，feko等。小木匠学习使用的第一款射频电路仿真软件是ads，也是大家都比较熟悉的。ads全称（advanced design system），是agilent公司（现在的keysight 是德科技）推出的微波电路和通信系统仿真软件，是国内各大学和研究所使用最多的软件之一。其功能非常强大，仿真手段丰富多样，可实现包括时域和频域、数字与模拟、线性与非线性、噪声等多种仿真分析手段，并可对设计结果进行成品率分析与优化，从而大大提高了复杂电路的设计效率，是非常优秀的微波电路、系统信号链路的设计工具。主要应用于：射频和微波电路的设计，通信系统的设计，dsp设计和向量仿真。现在整合成了 pathwave ads，除了pathwave ads之外，还有面向三维仿真的 empro，面向系统设计的systemvue以及面向集成电路goldengate。不得不说，现在的电磁仿真软件更新真的挺快的，但越来越好吗，有时候真不觉得。功能确实是越来越强大了。 ads的学习，国内可买到的书就比较多了。个人比较推荐韩国人写的这本《微波电路设计：使用ads的方法与途径》，电子科技大学张玉兴教授翻译。本书是微波电路设计的完整指南，阐述微波电路中的基本概念、无源和有源器件、传输线理论，以及高频测量的基本知识。主要内容包括：低噪声放大器的设计、功率放大器的设计、微波振荡器的设计、锁相环的设计和混频器的设计，重点讨论了微波集成电路的分类和作用、无源元件的阻抗和等效电路、同轴微带传输线、有源器件和阻抗匹配。另外，还包括基于ads新的微波仿真设计实例。本书适合作为电类专业高年级本科生和研究生的教材，对微波电路设计工程师也具有很高的参考价值。
仿真软件，只有正确使用才会达到其应有的效果，首先要确保操作设置的准确，模型的准确，其次要保证网格划分的足够。还有就是仿真和实际加工误差的经验值。把实际经验与仿真精度都考虑进去，这样的仿真才是最有效的，也是最准确的。