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电磁仿真需要牢记的内功心法

2018/3/23    来源:索辰信息        
关键字:电磁仿真  微波设计  射频设计  
在射频、微波设计中,各种“强大”的商用电磁仿真软件的功能包罗万象,这篇“内功心法”从算法角度出发,提示大家如何谨慎选择仿真软件。

    心法一:场”与“路”的区分

    世上本无“路”,“场”近似得多了就变成了“路”!理论上,所有的电工问题都可以由场论解决,但是忽略了“场”在“路”尺寸上传播造成的相位差后,于是“路”把电磁参数固化到器件特性中成为集总参数,就可使用比麦大神(麦氏方程)简单无数倍的方法对电特性进行求解。当然,这一切的近似,归功于模型尺寸远小于电磁波的波长。

    一句话总结:元件尺寸远小于电磁波的波长(电小尺寸),使用“路”(集总参数/准静态)的仿真软件。

    心法二:全波仿真算法的选择

    在无法满足电小尺寸时,难以使用集总参数解决问题,就必须使用场论!然而,用麦大神的方法怎样都不如基大神(基尔霍夫)的解法来得舒服,各路小神们看不下眼,基于麦大神的理论,用数值算法代替数学解析式,从而用电脑把人脑解放出来,解决民间疾苦。于是,就有了我们现在熟得不能再熟的矩量法(MoM)、时域有限差分(FDTD)法、有限元法(FEM)、传输线矩阵法(TLM)和部分元等效电路(PEEC)等全波算法。现有的全波仿真商业软件没有跑出这些算法的圈子,因此了解了这些算法的特性,也就知道如何选用恰当的商业仿真软件:MoM将导体分成电小尺寸单元,通过计算所有导体单元上的电流(常数),得到所有导体电流单元总体产生的电磁场;

    FDTD将仿真对象对应的空间区域分割成电小尺寸的体积元,假设各体积元内的场为常数。通常使用脉冲作为激励函数,模型可得到宽带响应;

    FEM将空气和其他所有材质分割成电小尺寸单元,假设每个单元内部的场为常数,使用变分技术求解麦克斯韦方程组;

    TLM将建模对象区域划分成多个电小尺寸单元,每个单元对应一个三维传输线节点,每个节点上的传输/反射可以由节点阻抗得出;

    PEEC将所有变化单元间场的关系替换为电路的关系,单元之间通过局部的互电感和互电容相连,总体电路进行仿真,然后将求解的电流和电压参数转化为场。

表1 各类电磁仿真算法总结

表1

    现在强大的全波软件仿真工具层出不穷,但如果使用不当,实际效果与仿真预测可能会相差十万八千里哦!以上内功心法虽然是电磁仿真的基础之基础,但也提醒各路神通在秀仿真神技时能够hold住,不要犯下低级错误。

责任编辑:吴星星
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