聊一下電磁仿真和常用的電磁仿真軟件

今天我們一起來聊一下電磁仿真軟件

當我們開始接觸電磁波和微波工程的時候，第一件事就是仿真。電磁仿真可以說是一個射頻工程師/微波工程師必備的技能之一。這個在射頻求職的時候體現(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用，最常見的就是ADS，HFSS和CST等，也足以體現(xiàn)仿真技能對一個射頻工程師的重要性。

仿真就是對實際物體進行模型模擬，以期改善實際產(chǎn)品的性能，找到最優(yōu)的設計方案。電磁仿真就是對物體的電磁性能進行仿真模擬，以代替昂貴的原型，并改進設計。我們知道，麥克斯韋方程組的解就是物體的電磁特性。費曼在一次演講中說到：有了電和磁，就有了光。其實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)直接導致了我們現(xiàn)在無處不連接的無線時代。麥克斯韋方程組的微分形式就表示了在一個點的電磁特性，那么積分形式就表示了這些點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。（當然，電磁計算方法還有很多，我們就不一一介紹了。暫時先看一下這三種最主要的。）

有限元法FEM

有限元法可以說是一種最通用的電磁計算方法，它適用于任意形狀，也適用于任意物理場的仿真。理查德·費曼在他的《物理學講義》一書中討論了如何分析物理問題。他提到，想要全面了解某個系統(tǒng)的特性，一種可行的方法是使用微分方程來描述這一系統(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)值計算方法?？茖W計算領域，常常需要求解各類微分方程，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，使用計算機輔助求解。

在射頻仿真中常用到的HFSS主要計算方法就是有限元FEM。HFSS是小木匠學習的第一款電磁仿真軟件，當時還是屬于ansoft 公司，現(xiàn)在成了Ansys軟件里面的一款應用。Ansys HFSS是3D電磁（EM）仿真軟件，用于設計和仿真高頻電子產(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軟件來設計通信系統(tǒng)，高級駕駛員輔助系統(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功能，實現(xiàn)了前所未有的超復雜系統(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，印象中還有學生版，當然還有網(wǎng)絡上的你懂我懂大家懂的版本了了。HFSS學習資源也很豐富。目前在賣的學習書籍也挺多的，個人比較推薦謝擁軍老師的《HFSS原理與工程應用》，其內(nèi)容涵蓋了微波技術原理到HFSS的仿真應用：第1章介紹了微波技術的基本理論和基礎知識；第2章講述了電磁場有限元方法的基本原理；第3章對軟件的界面、使用方法作了簡單介紹；第4章詳細給出了Ansoft HFSS的計算原理與使用技巧；第5章通過大量的工程實例使讀者能夠熟練掌握Ansoft HFSS軟件，對于實際工程問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的工程人員的工程手冊，也可作為高校相關專業(yè)的研究生和本科生的科研教學參考書。缺點就是書上案例偏少，并且出版于2009年，時間有點久遠，原理部分初學者學習比較吃力，有些案例仿真結(jié)果可能有偏差。但對于學習其仿真思想足夠了。

另外還有李明洋老師的《HFSS電磁仿真設計應用詳解》，是一本注重工程實踐的HFSS電磁仿真設計教程，全書共14章，前8章全面介紹了HFSS的設計流程、各種設計功能和具體使用操作。后6章主要通過實際工程設計實例講解HFSS在微波器件設計、天線設計、天線陣分析設計、高速數(shù)字信號完整性分析、諧振腔分析設計和SAR計算等方面的具體應用。本書體系完整、可讀性和工程應用性強，適合 HFSS初學者學習參考和具有一定HFSS使用基礎的讀者學習提高，也可供高等院校、研究院所、公司企業(yè)等從事微波射頻、電子通信領域的工程技術人員參閱。仿真案例比較多，比較適合初學者入門。小木匠最推薦的還是HFSS自帶的help文檔，之前記得有一個handbook的電子教程，800多頁的電子教程涵蓋了HFSS應用的方方面面?，F(xiàn)在不知道還有沒有，好長時間沒用過了。當然Ansys網(wǎng)站上也有很多案例教程可供學習。

時域有限差分（FDTD）

時域有限差分（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，場值會隨著時間一步一步地更新。使用這種方法，單個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用，包括天線設計，微波電路，生物/電磁效應和光子學。計算機速度和存儲容量的最新發(fā)展使FDTD求解器越來越受到設計人員的歡迎。這種方法特別適合于無線設計。

以時域有限差分/積分法為主要算法的是CST Microwave Studio，原來屬于CST公司，現(xiàn)在被法國達索收購了。目前CST仿真工作室也集成了多種電磁仿真技術，例如有限元方法（FEM），有限積分技術（FIT）和傳輸線矩陣方法（TLM））訪問多個電磁（EM）仿真求解器。這些代表了用于高頻仿真任務的最強大的通用求解器。由于天線，微波組件和電子設備的性能必須安裝在工作環(huán)境中，因此通信系統(tǒng)的設計今天變得越來越具有挑戰(zhàn)性。SIMULIA CST Studio Suite 2021引入了一系列新的增強和改進功能，以提高建模，網(wǎng)格劃分和求解器技術的多功能性和性能，從而完全解決了這些問題。此外，在整合 3D體驗平臺實現(xiàn)無縫協(xié)作的工作流程，甚至在不同的團隊和部門。用戶將能夠快速對產(chǎn)品進行必要的更改，從而提高工程效率并進一步促進創(chuàng)新。

個人感覺CST的宏功能比較好用，可以自己開發(fā)一些設計工具以提高仿真效率。很早之前學習CST的時候，有一本CST中國團隊編寫的一本書《CST中文教程》，現(xiàn)在網(wǎng)絡上已經(jīng)買不到了。有興趣的同學可以網(wǎng)絡搜索一下電子版。當然個人還是推薦學習軟件的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，當然還有一些像Sonnet，F(xiàn)EKO，EMpro等等，不知道現(xiàn)在有多少同學在用。當然國內(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。不知道有沒有同學用過……

矩量法（MoM）

在用于解決EM問題的所有技術中，矩量法（MoM）是最難實現(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)值計算方法，當離散化時，可以得出結(jié)構(gòu)的耦合矩陣方程式。

MoM的優(yōu)勢在于，它僅需要計算邊界值，而不是整個問題空間中的所有值。這對于具有較小的表面/體積比的問題非常有效，并且非常適合于模擬非常復雜的結(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。

小木匠學習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（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，是國內(nèi)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(xiàn)包括時域和頻域、數(shù)字與模擬、線性與非線性、噪聲等多種仿真分析手段，并可對設計結(jié)果進行成品率分析與優(yōu)化，從而大大提高了復雜電路的設計效率，是非 常優(yōu)秀的微波電路、系統(tǒng)信號鏈路的設計工具。

主要應用于：射頻和微波電路的設計，通信系統(tǒng)的設計，DSP設計和向量仿真?，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)設計的SystemVue以及面向集成電路Goldengate。

不得不說，現(xiàn)在的電磁仿真軟件更新真的挺快的，但越來越好嗎，有時候真不覺得。功能確實是越來越強大了。ADS的學習，國內(nèi)可買到的書就比較多了。個人比較推薦韓國人寫的這本《微波電路設計：使用ADS的方法與途徑》，電子科技大學張玉興教授翻譯。本書是微波電路設計的完整指南，闡述微波電路中的基本概念、無源和有源器件、傳輸線理論，以及高頻測量的基本知識。主要內(nèi)容包括：低噪聲放大器的設計、功率放大器的設計、微波振蕩器的設計、鎖相環(huán)的設計和混頻器的設計，重點討論了微波集成電路的分類和作用、無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新的微波仿真設計實例。本書適合作為電類專業(yè)高年級本科生和研究生的教材，對微波電路設計工程師也具有很高的參考價值。

仿真軟件，只有正確使用才會達到其應有的效果，首先要確保操作設置的準確，模型的準確，其次要保證網(wǎng)格劃分的足夠。還有就是仿真和實際加工誤差的經(jīng)驗值。把實際經(jīng)驗與仿真精度都考慮進去，這樣的仿真才是最有效的，也是最準確的。軟件也只是軟件，人永遠還是第一位的。

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