1、各種計(jì)算電磁學(xué)方法比較和仿真軟件各種計(jì)算電磁學(xué)方法比較和仿真軟件 微波 EDA 仿真軟件與電磁場的數(shù)值算法密切相關(guān)，在介紹微波 EDA 軟件之前先簡要的介紹一下微波電磁場理論的數(shù)值算法。所有的數(shù)值算法都是建立在Maxwell 方程組之上的，了解Maxwell 方程是學(xué)習(xí)電磁場數(shù)值算法的基礎(chǔ)。 計(jì)算電磁學(xué)中有眾多不同的算法，如時(shí)域有限差分法（ FDTD ） 、時(shí)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

2、。 在頻域， 數(shù)值算法有： 有限元法 （ FEM - Finite ElementMethod ） 、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 ） 。 在時(shí)域， 數(shù)值算法有： 時(shí)域有限差分法（ FDTD - Finite Difference Time Domain ） ，和有限積分法（ FIT - Finite Integra

3、tion Technology ） 。這些方法中有解析法、半解析法和數(shù)值方法。數(shù)值方法中又分零階、一階、二階和高階方法。依照解析程度由低到高排列，依次是：時(shí)域有限差分法（ FDTD ） 、傳 輸線法（ TLM ） 、時(shí)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(jié)果的準(zhǔn)確度由高到低，分別是：解析法、半解析法、數(shù)值方法。在數(shù)值方法中，按照結(jié)果的準(zhǔn)確度有高到低，分別是：高階、二階、一階和零階。時(shí)域有限差分法（ FDTD

4、） 、時(shí)域有限積分法（ FITD ）、有限元法（ FEM ）、矩量法（ MoM ）、傳輸線法（ TLM ） 、 線方法 （ ML ） 是純粹的數(shù)值方法； 邊界元法 （ BEM ） 、 譜域法（SM）、模式匹配法（MM ）、橫向諧振法（TRM ）則 均具有較高的分辨率。模式匹配法（ MM ）是一個(gè)半解析法，倘若傳輸線的橫向模式是準(zhǔn)確可得的話。理論上，模式可以是連續(xù)譜。但由于數(shù)值求解精度的限制，通常要求橫向模式是離散 譜。這就要求橫向結(jié)構(gòu)上是無耗的。更通俗地講，就是無耗波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。換言之， MM 最適用于波導(dǎo)空腔、高 Q 且在能量傳輸?shù)哪骋痪S上結(jié)構(gòu)具有一定的均勻性。譬如，它適用于兩個(gè)圓柱腔在高度維上

5、的耦合的分析，但不適用于兩個(gè)葫蘆間的耦合分析，因?yàn)楹笳邲]有非常明確 的模式參與能量交換，人們只能將大量的模式一并考慮，這樣就降低了MM 的效用。 有限元法（ FEM ） 是一種一階純數(shù)值方法 （若用一階元的話） 。它適用于任何形狀的結(jié)構(gòu)，是一個(gè)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(yīng)用領(lǐng)域的效率將不如特殊方法。對(duì)于高 Q 空腔濾波器設(shè)計(jì)， MM 就遠(yuǎn)優(yōu)于 FEM 。如果想進(jìn)一步了解各種數(shù)值算法的具體實(shí)現(xiàn)， 可以參閱以下幾本書籍： Microwave Circuit Modeling Using Electromagnetic Field Simulation, Numeri

6、cal Techniques in Electromagnetics, Electromagmetic Simunation Using the FDTD Method ， Complex eletromagnetic problems and numerical Simulation Approaches 。 其中，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, FEKO , EastWave及 COMSOL ；使用

7、有限元法( FEM ) 的微波 EDA 軟件有HFSS 和 ANSYS ；使用時(shí)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 仿真軟件介紹 ADS ADS - Advanced Design System ，是 Agilent 公司推出的微波電路和通信系統(tǒng)仿真軟件， 是國內(nèi)各 大學(xué)和研究所使用最多的軟件之一。其功能非常強(qiáng)大，仿真 手段豐富多樣，可 實(shí)現(xiàn)包括時(shí)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(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn) 行成品率

8、分析與優(yōu)化，從而大大提高了復(fù)雜電路的設(shè)計(jì)效 率，是非 常優(yōu)秀的微波電路、系統(tǒng)信號(hào)鏈路的設(shè)計(jì)工具。主要應(yīng)用于： 射頻和微波電路的設(shè)計(jì)， 通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)， DSP 設(shè)計(jì)和向量仿真。 Ansys Designer 是 Ansys 公司推出的微 波電路和通信系統(tǒng)仿真軟件；它采用了最新的窗口技術(shù)，是第一個(gè)將高頻電路系統(tǒng),版圖和電磁場仿真工具無縫地集成到同一個(gè)環(huán)境的設(shè)計(jì)工具，這種集成不是簡單和接口集成 ,其關(guān)鍵是 Ansys Designer 獨(dú)有的 "按需求解 " 的技術(shù) ,它使你能夠根據(jù)需要選擇求解器,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)計(jì)過程的完全控制。Ansys Designer 實(shí)現(xiàn)了“所見即所得”

9、的自動(dòng)化版圖功能，版圖與原理圖自動(dòng)同步，大大提高了版圖設(shè)計(jì)效率。同時(shí) ,Ansys 還能方便地與其它設(shè)計(jì)軟件集成到一起，并可以和測(cè)試儀器連接，完成各種設(shè)計(jì)任務(wù)，如頻率合成器，鎖相環(huán)，通信系統(tǒng)，雷達(dá)系統(tǒng)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(yīng)用于：射頻和微波電路的設(shè)計(jì)，通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，電路板和模塊設(shè)計(jì)，部件設(shè)計(jì)。 Ansys HFSS 是 Ansys 公司推出的三維電磁仿真軟件；是世界上第一個(gè)商業(yè)化的三維結(jié)構(gòu)電磁場仿真軟件，業(yè)界公認(rèn)的三維電磁場設(shè)計(jì)和分析的電子設(shè)計(jì)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。 HFSS 提供了一簡潔直觀的用戶設(shè)計(jì)接口、精確自適應(yīng)的場解器、擁有空前電性能分析能力的功

10、能強(qiáng)大后處理器，能計(jì)算任意形狀三維無源結(jié)構(gòu)的 S 參數(shù)和全 波電磁場。HFSS 軟件擁有強(qiáng)大的天線設(shè)計(jì)功能， 它可以計(jì)算天線參量，如增益、 方向性、 遠(yuǎn)場方向圖剖面、 遠(yuǎn)場 3D 圖和 3dB 帶寬；繪制極化特性，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(jì)算： 基本電磁場數(shù)值解和開邊界問題，近遠(yuǎn)場輻射問題； 端口特征阻抗和傳輸常數(shù)； S參數(shù)和相應(yīng)埠阻抗的歸一化S參數(shù)； 結(jié)構(gòu)的本征?；蛑C振解。而且，由 Ansys HFSS 和 AnsysDesigner 構(gòu)成的 Ansys 高頻解決方案，是目前唯一以物理原型為基礎(chǔ)的高頻設(shè)計(jì)解決方案，提供了從系統(tǒng)到

11、電路直至部件級(jí)的快速而精確的設(shè)計(jì)手 段，覆蓋了高頻設(shè)計(jì)的所有環(huán)節(jié)。 Microwave Office 是 AWR 公司推出的微波 EDA 軟件，為微波平面電路設(shè)計(jì)提供了最完整, 最快速和最精確的解答。它是通過兩個(gè)仿真器來對(duì)微波平面電路進(jìn)行模擬和仿真的。對(duì)于由集總組件構(gòu)成的電路，用電路的方法來處理較為簡便；該軟件設(shè)有"VoltaireXL"的仿真器來處理集總組件構(gòu)成的微波平面電路問題。而對(duì)于由具體的微帶幾何圖形構(gòu)成的分布參數(shù)微波平面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面結(jié)構(gòu)的三維電磁場的問題。 "

12、VoltaireXL" 仿真器內(nèi)設(shè)一個(gè)組件庫，在建立電路模型時(shí)，可以調(diào)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(yīng)晶體管，二極管等等。 "EMSight" 仿真器是一個(gè)三維電磁場模擬程序包，可用于平面高頻電路和天線結(jié)構(gòu)的分析。特點(diǎn)是把修正譜域矩量法與直觀 的窗口圖形用戶接口 (GUI )技術(shù)結(jié)合起來，使得計(jì)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制電路 (PCB )等電路的電氣特性。XFDTD是Remcom

13、公司推出的基于時(shí)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(jì)算準(zhǔn)確；但XFDTD 本身沒有優(yōu)化功能， 須通過第三方軟件Engineous完成優(yōu)化。該軟件最早用于仿真蜂窩電話，長于手機(jī)天線和SAR 計(jì)算?，F(xiàn)在廣泛用于無線、微波電路、雷達(dá)散射計(jì)算，化 學(xué)、 光學(xué)、 陸基警戒雷達(dá)和生物組織仿真。 Zeland IE3DIE3D 是一個(gè)基于矩量法的電磁場仿真工具，可以解決多層介質(zhì)環(huán)境下的三維金屬結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)、 設(shè)定基板

14、與金屬材料的參數(shù)和設(shè)定模擬仿真參數(shù)； MOODUA 是 IE3D 的核心執(zhí)行套件， 可執(zhí)行電磁場的模擬仿真計(jì)算、 性能參數(shù)( Smith園圖， S 參數(shù)等) 計(jì)算和執(zhí)行參數(shù)優(yōu)化計(jì)算； PATTERNVIEW是 IE3D 的后處理套件，可以將仿真計(jì)算結(jié)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(jié)果包括S、 Y 、 Z 參數(shù)， 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(yīng)用范圍主要是在微波射頻電路、多層印刷電路板、平面微帶天線設(shè)計(jì)的分析與設(shè)計(jì)。 CST MICROWA VE STUDIO 是德國 CST( Compute

15、r Simulation Technology )公司推出的高頻三維電磁場仿真軟件。 廣泛應(yīng)用于移動(dòng)通信、 無線通信 (藍(lán)牙系統(tǒng)) 、信號(hào)集成和電磁兼容等領(lǐng)域。 MICROWAVE STUDIO 使用簡潔，能為用戶的高頻設(shè)計(jì)提供直觀的電磁特性。MICROWA VE STUDIO 除了主要的時(shí)域求解器模塊外， 還為某些特殊應(yīng)用提供本征模及頻域求解器模塊。 CAD 文件的導(dǎo)入功能及 SPICE 參量的提取增強(qiáng)了設(shè)計(jì)的可能性并縮短了設(shè)計(jì) 時(shí)間。 另外， 由于 MICROWA VE STUDIO 的開放性體系結(jié)構(gòu)能為其它仿真軟件提供鏈接，使MICROWA VESTUDIO 與其它設(shè)計(jì)環(huán)境相集成。 So

16、nnet 是一種基于矩量法的電磁仿真軟件，提供面向 3D 平面高頻電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)以及在微波、毫米波領(lǐng)域和電磁兼容/ 電磁干擾設(shè)計(jì)的EDA 工具。 SonnetTM 應(yīng)用 于平面高頻電磁場分析， 頻率從1MHz 到幾千 GHz 。主要的應(yīng)用有：微帶匹配網(wǎng)絡(luò)、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 板干擾分析、橋式螺線電感器、平面高溫超導(dǎo)電路分析、毫米波集成電路 （ MMIC ） 設(shè)計(jì)和分析、 混合匹配的電路分析、 HDI和 LTCC 轉(zhuǎn)換、單層或多層傳輸線的精確分析、 多層的平面的電路分析、 單層或多層的平面天線分析、

17、平面天線陣分析、平面偶合孔的分析等。 FEKO FEKO 是德語Feldberechnung bei Korpern mit beliebiger Oberflache（ 任意復(fù)雜電磁場 計(jì)算）首字母的縮寫。本產(chǎn)品用于復(fù)雜形狀三維物體的電磁場分析。 FEKO 是針對(duì)天線設(shè)計(jì)、天線布局與電磁兼容性分析而開發(fā)的專業(yè)電磁場分析軟件，從嚴(yán)格的電磁場 積分方程出發(fā)， 以經(jīng)典的矩量法（ MOM ： Method OfMoment ）為基礎(chǔ)，采用了多層快速多級(jí)子（ MLFMM ：Multi-Level Fast Multipole Method ） 算法在保持精度的前提下大大提高了計(jì)算效率，并將矩量法與經(jīng)典

18、的高頻分析方法（物理光學(xué) PO： Physical Optics ，一致性繞射理論UTD ：Uniform Theory of Diffraction ） 無縫結(jié)合， 從而非常適合于分析天線設(shè)計(jì)、雷達(dá)散射截面（RCS ） 、開域輻射、電磁兼容中的各類電磁場分析問題。 5.0 以后的 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(zhì) （如多層介質(zhì)雷達(dá)罩） 、 生物體吸收率的問題。 Feko通常處理問題的方法是：對(duì)于電小結(jié)構(gòu)的天線等電磁場問題， FEKO 采用完全的矩量法進(jìn)行分析，保證了結(jié)果的高精度。對(duì)于具有電小與電大尺寸混

19、合的結(jié)構(gòu)， FEKO 既可以采用高效的基于矩量法的多層快速多極子 法，又可以將問題分解后選用合適的混合方法（如用矩量法、多層快速多級(jí)子分析電小結(jié)構(gòu)部分，而用高頻方法分析電大結(jié)構(gòu)部分） ，從而保證了高精度和高效率的 完美結(jié)合，因此在處理電大尺寸問題如天線設(shè)計(jì)、 RCS 計(jì)算等方面，其速度和精度均無以倫比。 采用以上的技術(shù)路線， Feko 可以針對(duì)不同的具體問題選取不同 的方法來進(jìn)行快速精確的仿真分析，使得應(yīng)用更加靈活，適用范圍更廣泛，突破了單一數(shù)值計(jì)算方法只能局限于某一類電磁問題的限制。由于 Feko 基于嚴(yán)格的積分方程，因此它不需要建立吸收邊界條件，沒有數(shù)值色散誤差，在計(jì)算電大尺寸問題時(shí)不會(huì)因

20、尺寸增加而誤差增大。而且，F(xiàn)eko 支持工 程中的各種激勵(lì)、模式，可以構(gòu)建任意結(jié)構(gòu)、材料的模型，根據(jù)用戶要求可以考慮多種不同層面的問題。除了計(jì)算內(nèi)核的高效率和強(qiáng)大的功能外， Feko 還具有友 好的用戶接口、完善的前后處理功能以及良好的接口兼容性。Feko 前處理的建模功能提供了各種規(guī)則幾何體的直接創(chuàng)建，支持全參數(shù)化的幾何尺寸輸入，可以進(jìn)行多種布爾操作和旋轉(zhuǎn)、扭曲、螺旋、拉伸等操作。此外，幾乎所有目前的主流 CAD 軟件建立的模型都可以直接輸入到 Feko 中進(jìn)行計(jì)算，這一功能大大簡化了 復(fù)雜模型的構(gòu)建難度。 Feko 友好的用戶接口使得用戶對(duì)解的設(shè)置和控制變得輕松自如，保證了具備電磁場基礎(chǔ)的

21、用戶可以在短時(shí)間內(nèi)完全掌握 Feko 的用法。 獨(dú)特的循環(huán)控制進(jìn)一步增強(qiáng)了分析和控制的能力。功能強(qiáng)大完善的后處理模塊可以得出所有關(guān)心的物理量，包括 S 參數(shù)、阻抗、方向圖、增益、極化、場分布、電 流、電荷、 RCS 、 SAR 等，并可以以非常直觀、靈活的二維、三維、 動(dòng)畫、 圖表及文件等方式輸出。 此外， 除了常規(guī)分析外，F(xiàn)eko 還具備自適應(yīng)頻率采樣的 寬帶智能化掃頻技術(shù)、時(shí)域分析功能和優(yōu)化設(shè)計(jì)功能，滿足了不同用戶的需求，節(jié)省了設(shè)計(jì)時(shí)間。其中尤為值得說明的是，自適應(yīng)掃頻技術(shù)這一技術(shù)的應(yīng)用非常顯著 地提高了掃頻分析的速度，多參數(shù)優(yōu)化 大大減少了優(yōu)化的工作量， 增強(qiáng)了優(yōu)化的效果。 EastWa

22、veEastWave是基于嚴(yán)格的時(shí)域有限差分算法（ FDTD ）和近似的物理光學(xué)算法 （ PO） 等的軟件系統(tǒng)。 經(jīng)過十多年長期研發(fā)，東峻在嚴(yán)格全波 FDTD 算法方面取得系列突破， 在保證計(jì)算精度的前提下，EastWave軟件在計(jì)算速度上比國際同類算法軟件提高十至上百倍，使大量“電大”或“超大”的天線罩、天線陣、RCS 、 RCS 熱點(diǎn)成像和電磁兼容等“國際難題”成為可嚴(yán)格計(jì)算的問題，同時(shí)，也使大量優(yōu)化設(shè)計(jì)難題成為能夠利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行自動(dòng)優(yōu)化的問題。 EastWave 在電磁/光電材料建模方面也是領(lǐng)先的， 能夠進(jìn)行幾乎所有電磁/ 光電材料（金屬、色散、超材料、吸收、非線性、增益、旋光、手征等）

23、的建模，使得大量因?yàn)椴牧蠌?fù)雜而不能仿真的問題成為可仿真的。 另外， 東峻還開發(fā)了獨(dú)特PO 算法， 單機(jī)可算 “上萬波長體系” 的問題， 也可將 FDTD 與 PO 混合， 從而能 “比較嚴(yán)格地” 解決巨型 （千倍波長以上） 體系的問題。 EastWave軟件目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航天、 航空、 中電、 船舶、 兵器部、移動(dòng)通信、電磁環(huán)境、激光、 LED 、非線性、超材料等行業(yè)，為新器件設(shè)計(jì)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了堅(jiān)強(qiáng)的基礎(chǔ)。 COMSOLCOMSOL Multiphysics 起源于 MATLAB 的 Toolbox ，最初命名為 Toolbox 1.0 。后來改名為 Femlab 1.0（FEM 為有限

24、元，LAB是取自于 Matlab）,這個(gè)名字也一直沿用到Femlab3.1。從 2005 年 3.2 版本開始， 正式命名為 COMSOL Multiphysics從 3.2 的版本開始，正式命名為 COMSOL Multiphysics ，因?yàn)?COMSOL 公司除了 Femlab 外又推出了 COMSOL Script和 COMSOL Reaction Engineering 等一系列相關(guān)軟件。這兩款軟件也相當(dāng)于 Femlab 的工具箱，也是為了滿足科研人員更高的要求。 如在 COMSOL Script 中， 你可以自己編程得到自己想要的模型并求解；你也可以通過編程在COMSOLMultiphysics 基礎(chǔ)上開發(fā)新的適用本專業(yè)的軟件，也就是一個(gè)二次開發(fā)工具。所以 COMSOL 只是個(gè)公司名，軟件名應(yīng)該是 COMSOL M