1、課程目的課程目的n 了解電磁軟件仿真領域及典型軟件的特點了解電磁軟件仿真領域及典型軟件的特點n 了解基本的算法原理了解基本的算法原理n 掌握掌握FEKO和和HFSS等軟件仿真基本問題的等軟件仿真基本問題的方法方法n 掌握利用掌握利用Ansys AIE軟件進行模型修補和軟件進行模型修補和網格劃分的方法網格劃分的方法n 具備利用軟件仿真解決工程問題的能力具備利用軟件仿真解決工程問題的能力 2009年系統級電磁兼容技術培訓內部資料，注意保密！電子系統仿真設計方法電子系統仿真設計方法第一講第一講 電磁仿真概述電磁仿真概述科學研究的三大方法科學研究的三大方法n 理論研究理論研究l 數學方法、公式等數學方

2、法、公式等l 物理理論、定理等物理理論、定理等n 實驗研究實驗研究l 化學實驗化學實驗l 生物實驗生物實驗l n 數值模擬數值模擬l 第三大科學研究方法第三大科學研究方法l 發展迅速，逐漸替代了部分發展迅速，逐漸替代了部分實驗研究實驗研究l 基于飛速發展的計算機技術基于飛速發展的計算機技術l 各種工程、理論計算各種工程、理論計算GuassFaraday仿真的特點和優勢仿真的特點和優勢n 靈活性靈活性l 方便的調整幾何結構、材料屬性、放置位置等關鍵參數方便的調整幾何結構、材料屬性、放置位置等關鍵參數l 針對某一環節進行單獨分析針對某一環節進行單獨分析n 全面、深入全面、深入l 可以根據用戶要求分

3、析任意部件、得到系統的任意電磁特性可以根據用戶要求分析任意部件、得到系統的任意電磁特性l 提供比測試豐富得多的信息提供比測試豐富得多的信息n 效果效果l 在虛擬原型上改進設計，確保設計一次成功在虛擬原型上改進設計，確保設計一次成功Development processConcept phaseTest phaseProduction phaseNumber of possible fixesCost of making fixes 電磁場仿真的現狀和前景電磁場仿真的現狀和前景n電磁場仿真已經廣泛地、成功地應用于電電磁場仿真已經廣泛地、成功地應用于電磁性能預測、設計的多個方面。磁性能預測、設計的

4、多個方面。n在理解待分析的問題、合理設置仿真模型在理解待分析的問題、合理設置仿真模型和求解參數的前提下，仿真完全可以代替和求解參數的前提下，仿真完全可以代替測試。測試。n仿真所具有的高效費比、靈活性可以大幅仿真所具有的高效費比、靈活性可以大幅提高設計效率。提高設計效率。電磁仿真應用領域電磁仿真應用領域 EMC/EMI and System Design VerificationRCS/ATRMicrowave EngineeringHigh-speed Circuits RelatedConnectorsbiomedicalWireless Comm.Laser &Optoelectronic

5、sAntennasRF ComponentsFASTEST growing market and new challengesMAXWELL方程組方程組n 電磁理論的基礎電磁理論的基礎n 所有電磁仿真軟件的最終所有電磁仿真軟件的最終目的即為求解麥克斯維方目的即為求解麥克斯維方程組程組o Et BE0 BtoooEJBMaxwell不同問題的特點不同問題的特點麥氏方程近似頻率分析方法0穩態或靜態分析低準穩態或低頻分析高全波高頻分析0t0t0t是否忽略位移電流決定了問題的類型！電磁分析方法發展及分類電磁分析方法發展及分類n 解析方法（解析方法（19世紀前）世紀前）l MIE理論理論l WKB法法n

6、 高頻方法高頻方法l GO,POl GTD,UTDl CT(復射線法復射線法),SBR（彈跳射線法（彈跳射線法）n 低頻方法低頻方法l 積分方程方法積分方程方法n 矩量法（矩量法（MoM）n 多層快速多極子（多層快速多極子（MLFMM）l 微分方程方法微分方程方法n 有限元方法（有限元方法（FEM）n 有限差分法（有限差分法（FDM）l 混合方法混合方法n 高頻高頻/低頻混合方法低頻混合方法n 微分微分/積分混合方法積分混合方法電磁算法比較電磁算法比較Field methodSource methodBaseElectromagnetic fieldsCurrents and chargesE

7、quationsDifferential equationsIntegral equationsDiscretisation3-dimensional2-dimensionalInfinity of space (open problem)Special ABCs must be introducedExact treatmentMethodsFinite Difference methods (FD)Finite Element methods (FEM)Method of Moments (MoM)Available codeXFDTD, Empire, SEMCAD, HFSS, CST

8、FEKO, IE3D, WIPL-D不同類型算法的特點不同類型算法的特點n 積分算法積分算法n 在目標表面剖分二維網格，減少未知量在目標表面剖分二維網格，減少未知量n 考慮了所有網格單元之間的耦合相互作用考慮了所有網格單元之間的耦合相互作用n 矩陣為滿陣，求解困難矩陣為滿陣，求解困難n 同等網格剖分尺度前提下，算法精度最高同等網格剖分尺度前提下，算法精度最高n 適合處理輻射、散射、電磁兼容等開域問題適合處理輻射、散射、電磁兼容等開域問題n 微分算法微分算法n 稀疏矩陣，求解容易稀疏矩陣，求解容易n 三維體網格剖分，未知量多三維體網格剖分，未知量多n 必須對開放邊界進行近似處理（必須對開放邊界進

9、行近似處理（ABC、PML等）等）n 可計算規模較小可計算規模較小n 適用于電小問題、波導器件問題適用于電小問題、波導器件問題n 時域軟件適合處理系統的時域響應、寬帶響應時域軟件適合處理系統的時域響應、寬帶響應n 高頻算法高頻算法n 基于射線方法，考慮局部性效應、基于射線方法，考慮局部性效應、不考慮二次源的作用不考慮二次源的作用n 適合處理電大、平滑結構問題適合處理電大、平滑結構問題n 混合算法混合算法n 結合高頻結合高頻/精確方法的優點，在精度、速度、計算規模間取得平衡精確方法的優點，在精度、速度、計算規模間取得平衡方程方程/基基/權函數權函數優點優點缺點缺點FDM有限差分基于麥克斯韋方程的

10、微分形式Base: Quadratic polynomsWeights: Dirac functions- 稀疏、對角矩陣- 適用于不均勻介質- 編程實現簡單- 需要全空間劃分網格- 處理無邊界開域問題麻煩-邊界條件-數值色散大FEM有限元基于麥克斯韋方程的微分形式Base: Linear polynomsWeights: Linear polynoms- - 稀疏、對角矩陣- 適用于不均勻介質- 適用于復雜結構- 需要全空間劃分網格-處理無邊界開域問題麻煩-編程實現算法較難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: G

11、reens functions- 只對邊界劃分網格，無需全空間網格劃分- 適用于復雜結構- 適用于無邊界的開域問題- 稀疏矩陣是滿陣-處理非均勻介質較難主流電磁算法比較主流電磁算法比較電磁計算基本步驟電磁計算基本步驟n如何進行仿真?設置物理環境設置物理環境建立幾何模型建立幾何模型劃分網格劃分網格 邊界條件邊界條件激勵源激勵源矩陣求解矩陣求解結果結果 材料屬性材料屬性 單位單位 PEC SIBC PML PBC SPAI QMR ICCGParameters S-parameter extraction Smith Chart V, I & Z Powers RCS Antenna Parame

12、ters Joule Heat SAR TDR/TDT SPICE Subcircuit Port Current Density J Magnetic Field H Electric Field E Plane WaveFields E, H Contour E, H Vector Conducting Current Near Field E, H Far Field E, H電磁分析數值方法的一般步驟電磁分析數值方法的一般步驟物理問題數學抽象計算機程序求解結果輸出、顯示恢復物理意義數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以上功能時域時域 vs.

13、頻域頻域n 互補互補l 通過通過FFT & IFFT，結果可以轉換，結果可以轉換l 理想情況下，結果應該一致。但實際上，數值色散等誤差導致結果不理想情況下，結果應該一致。但實際上，數值色散等誤差導致結果不同同n 沒有最好的方法！不同方法適用于不同的應用沒有最好的方法！不同方法適用于不同的應用l 頻域適用頻域適用: 窄帶、特定已知的頻帶、穩態問題、材料屬性隨頻率變化窄帶、特定已知的頻帶、穩態問題、材料屬性隨頻率變化l 時域適用時域適用: 寬帶、瞬態脈沖響應、未知頻帶的問題、材料屬性時變寬帶、瞬態脈沖響應、未知頻帶的問題、材料屬性時變l 電磁場相關的測量通常在頻域進行電磁場相關的測量通常在頻域進行

14、n VNA, spectrum analyzer, anechoic chamber testing, GTEM/TEM CELL, EMC, materials properties testingl 電路相關的測量通常在時域進行電路相關的測量通常在時域進行n TDR, Oscilloscope, circuit simulations, etc.時域仿真的關鍵問題時域仿真的關鍵問題n 時間步長時間步長?l 穩定性條件穩定性條件 (CFL condition)n 空間步長空間步長?l 幾何不連續幾何不連續l 每個波長的采樣點每個波長的采樣點l 模型的縱橫比模型的縱橫比n 運行多久運行多久?l

15、 理想情況下，要求能量通過耗散或輻射達到穩態理想情況下，要求能量通過耗散或輻射達到穩態l 實際情況下，能量降低實際情況下，能量降低3040 dB即可即可n 關鍵技術包括關鍵技術包括: l 非均勻網格、子網格、共形網格等非均勻網格、子網格、共形網格等l 采用隱式格式采用隱式格式l 時域有限元等新算法時域有限元等新算法l 頻域仿真的關鍵問題頻域仿真的關鍵問題n 收斂條件收斂條件?l S 參數參數n 網格尺寸網格尺寸?l 幾何不連續幾何不連續l 每個波長的采樣點每個波長的采樣點n 掃頻分析掃頻分析?n 快速掃頻分析為確定系統的特征提供了手段，但在諧振等情況下精度可能受快速掃頻分析為確定系統的特征提供

16、了手段，但在諧振等情況下精度可能受影響影響n關鍵技術包括關鍵技術包括: l自適應網格剖分自適應網格剖分l自適應掃頻技術自適應掃頻技術l高階基函數高階基函數l更高效的矩陣求解技術（預條件、迭代算法等）更高效的矩陣求解技術（預條件、迭代算法等）l電磁仿真沒能發揮應有作用的主要原因電磁仿真沒能發揮應有作用的主要原因n如何從實際問題出發建立合理的仿真模型如何從實際問題出發建立合理的仿真模型l要求對實際問題的物理機制的深刻理解要求對實際問題的物理機制的深刻理解l要求對電磁計算方法的深刻理解要求對電磁計算方法的深刻理解l要求對軟件功能的深刻理解要求對軟件功能的深刻理解n如何能得到可信的結果如何能得到可信的

17、結果l要求對軟件使用、功能的深刻把握要求對軟件使用、功能的深刻把握l要求有豐富的設計經驗要求有豐富的設計經驗n如何利用得到的仿真結果指導設計如何利用得到的仿真結果指導設計l要求對物理概念有深刻的理解，能夠從數據中要求對物理概念有深刻的理解，能夠從數據中得到其物理意義得到其物理意義2009年系統級電磁兼容技術培訓內部資料，注意保密！典型軟件介紹典型軟件介紹 電磁領域市場需求電磁領域市場需求電磁領域市場需求及份額比例分布圖電磁領域市場需求及份額比例分布圖電磁領域市場分析電磁領域市場分析n從上圖我們得到的幾點啟示從上圖我們得到的幾點啟示(比例數據僅供比例數據僅供參考參考):l目前設計工具還屬于市場的

18、主導目前設計工具還屬于市場的主導, 但但CAE仿真仿真的市場增長潛力很大；的市場增長潛力很大；n主要的設計（主要的設計（ECAD）領域有：）領域有：l模擬電路、高速數字電路的設計；模擬電路、高速數字電路的設計；l高頻電路的設計高頻電路的設計(射頻、微波、毫米波電路等射頻、微波、毫米波電路等)；l復雜線纜網絡的布線設計；復雜線纜網絡的布線設計；l芯片及其封裝的設計等芯片及其封裝的設計等n設計領域占有了近設計領域占有了近60%的市場的市場, CAE占有近占有近30%的的市場份額市場份額l幾個新興的發展領域幾個新興的發展領域, 市場增長會更為迅速：市場增長會更為迅速：n芯片及其封裝的設計；芯片及其封

19、裝的設計；n芯片及其封裝的芯片及其封裝的EMI分析；分析； n高速電路的高速電路的CAE分析；分析；n線纜的布線設計以及線纜的布線設計以及SI、EMI、EMS分析；分析；電磁領域市場分析電磁領域市場分析n高速數字電路及芯片的設計領域：高速數字電路及芯片的設計領域：l該領域市場存在的幾家競爭產品有：該領域市場存在的幾家競爭產品有：nCadence (適用于大、中型企業適用于大、中型企業)nMentor (適用于大、中型企業適用于大、中型企業)nProtel (適用于小型企業適用于小型企業)nZuken 等等lProtel最先進入中國市場最先進入中國市場, 非常適合于小型企業非常適合于小型企業,

20、但在高密度電路板的設計和芯片設計等方面能力但在高密度電路板的設計和芯片設計等方面能力有限有限, Cadence、Mentor的市場份額在逐步增加的市場份額在逐步增加, 非常適合于高密度板和芯片的設計非常適合于高密度板和芯片的設計.l這些公司往往還提供信號完整性分析工具這些公司往往還提供信號完整性分析工具電磁領域市場分析電磁領域市場分析n高速數字電路及芯片的分析領域：高速數字電路及芯片的分析領域：l該領域市場存在的幾家競爭產品有：該領域市場存在的幾家競爭產品有：nAnsoft SIwave和和Nexxim nCST PCB StudionSigrity Speed 2000nApsimnMent

21、or Hyperlynx或或Cadence等帶的信號完整性分析等帶的信號完整性分析模塊模塊l由于由于PCB電路的復雜性，這些軟件在高密度電路電路的復雜性，這些軟件在高密度電路板的分析方面能力有限，只能對某些細節問題進板的分析方面能力有限，只能對某些細節問題進行分析行分析l相對來說，相對來說，SIwave、 Cadence、Mentor的市場的市場份額較大，使用上由于可以與其配套產品聯合仿份額較大，使用上由于可以與其配套產品聯合仿真，作用也更大真，作用也更大電磁領域市場分析電磁領域市場分析n高頻電路的設計領域高頻電路的設計領域:l在該領域主要的壟斷產品有在該領域主要的壟斷產品有:nAgilent

22、的的ADS軟件軟件nAnsoft的的Designer軟件軟件nCST公司的公司的CST Design Studio軟件軟件n美國美國AWR公司的公司的MW office產品產品l分析：分析：nAgilent占有很大的市場份額占有很大的市場份額, 結合高頻電磁測試儀器的結合高頻電磁測試儀器的壟斷地位，競爭優勢更加明顯；壟斷地位，競爭優勢更加明顯；nAnsoft的的Designer軟件在該領域屬于第二的位置軟件在該領域屬于第二的位置, 它的優它的優勢在于他們的產品自成體系勢在于他們的產品自成體系, 可以和成熟的可以和成熟的HFSS軟件有軟件有機結合機結合nAWR的的MW office軟件也是一款很

23、好的射頻、微波電路軟件也是一款很好的射頻、微波電路設計軟件設計軟件, 非常適合于小型企業來購買使用非常適合于小型企業來購買使用.電磁領域市場分析電磁領域市場分析n復雜系統的線纜網絡設計領域復雜系統的線纜網絡設計領域:l在該領域主要的設計產品有在該領域主要的設計產品有:n法國法國IGE-XAO公司的電氣設計產品公司的電氣設計產品n法國達索公司的法國達索公司的Catia產品產品nMentor中也帶有線纜的布線設計模塊中也帶有線纜的布線設計模塊l市場特點市場特點:n該領域的市場增長潛力大該領域的市場增長潛力大, 有航空、航天、兵器、電有航空、航天、兵器、電子、汽車等各個領域都具有較大的市場；子、汽車

24、等各個領域都具有較大的市場；n是一個新興的市場增長點。是一個新興的市場增長點。 n復雜系統線纜網絡的分析領域復雜系統線纜網絡的分析領域l該領域的主要分析軟件有該領域的主要分析軟件有:n德國德國Simlab公司的公司的CableMod軟件軟件n格魯吉亞格魯吉亞EMCos公司的公司的EMC Studio軟件軟件電磁領域市場分析電磁領域市場分析n 三維高頻電磁場仿真分析領域：三維高頻電磁場仿真分析領域：l 該領域的應用主要應用有：該領域的應用主要應用有：n 天線、天線陣列、天線罩、天線的布局分析；天線、天線陣列、天線罩、天線的布局分析；n 雷達目標的雷達目標的RCS分析及成像；分析及成像；n 射頻、

25、微波無源器件、微帶匹配電路的分析；射頻、微波無源器件、微帶匹配電路的分析；n 系統、設備的系統、設備的EMC；n 手機的手機的SAR等等l 該領域主要的產品該領域主要的產品:n Ansoft公司的公司的HFSS產品產品n EMSS公司的公司的FEKO軟件軟件n CST公司的公司的CST Microwave Studio軟件軟件n EField AB公司的公司的Efield 雷達目標的雷達目標的RCS分析軟件分析軟件n 基于時域有限差分的軟件如基于時域有限差分的軟件如REMCOM公司的公司的Xfdtd軟件、軟件、Empire等等n Zeland公司的公司的IE3D、Fidelidy等等n 美國美

26、國Sonnet公司的公司的Sonnet微帶電路設計軟件等微帶電路設計軟件等n Emind、SEMCAD、FloEMC、Grasp、Redbase等等FEKO簡介簡介n 三維頻域全波電磁場分析軟件包三維頻域全波電磁場分析軟件包l 通用性通用性l 基于矩量法基于矩量法/多層快速多級子多層快速多級子l 混合高頻混合高頻PO/GO/UTD、有限元算法、有限元算法l 適合求解輻射、散射、適合求解輻射、散射、EMC問題問題l 電大尺寸處理能力強電大尺寸處理能力強n 同公司主要產品：同公司主要產品：Magus快速天線設計軟件快速天線設計軟件FEKO的求解算法的求解算法UTDPOMOMFEM-MOMMLFMM

27、電尺寸問題的復雜度FEKOFEKO的典型應用領域的典型應用領域HFSS簡介簡介n 三維頻域全波電磁場分析軟件包三維頻域全波電磁場分析軟件包l 基于有限元算法，劃分四面體網格基于有限元算法，劃分四面體網格l 采用矢量有限元、自適應網格、快速掃頻等特色技術采用矢量有限元、自適應網格、快速掃頻等特色技術l 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求解微波器件、微帶電路、小尺寸的輻射和散射問題l 軟件對各類問題的適應性很好軟件對各類問題的適應性很好n 同公司主要產品同公司主要產品l Designer射頻電子學仿真軟件射頻電子學仿真軟件l SIwave PCB板仿真軟件板仿真軟件l Max

28、well 低頻電磁仿真軟件低頻電磁仿真軟件CST MWS簡介簡介n 三維時域全波電磁場分析軟件包三維時域全波電磁場分析軟件包l 基于有限體積法算法基于有限體積法算法l 適合求解微波器件、微帶電路、小尺寸的輻射適合求解微波器件、微帶電路、小尺寸的輻射和散射問題和散射問題l 適合處理寬帶問題，處理單頻、窄帶更難適合處理寬帶問題，處理單頻、窄帶更難n 同公司主要產品同公司主要產品l 非常全，幾乎啥都有，看起來功能也都可以非常全，幾乎啥都有，看起來功能也都可以l CST EMS低頻電磁工作室低頻電磁工作室l CST PCB/Cable Studio電路板電路板/電纜束工作室電纜束工作室l CST Particle Studio粒子工作室粒子工作室SimLab（CST PCB/Cable Studio）應用簡介）應用簡介n PCB板級板級EMC問題問題l 信號完整性（信號完整性（SI）n 信號的串擾（傳導、輻射）信號的串擾（傳導、輻射）n 信號的反射信號的反射n 信號的延時信號的延時n 信號的