電磁仿真需要牢記的內(nèi)功心法
上海華湘
2024-10-31 15:18
267次在射頻、微波設(shè)計中，各種“強(qiáng)大”的商用電磁仿真軟件的功能包羅萬象，這篇“內(nèi)功心法”從算法角度出發(fā)，提示大家如何謹(jǐn)慎選擇仿真軟件。
心法一：場”與“路”的區(qū)分
世上本無“路”，“場”近似得多了就變成了“路”！理論上，所有電工問題都可以由場論解決，但忽略了“場”在“路”尺寸上傳播造成的相位差后，于是“路”把電磁參數(shù)固化到器件特性中成為集總參數(shù)，就可使用比麥大神（麥?zhǔn)戏匠蹋┖唵螣o數(shù)倍的方法對電特性進(jìn)行求解。當(dāng)然，這一切的近似，歸功于模型尺寸遠(yuǎn)小于電磁波的波長。
一句話總結(jié)：元件尺寸遠(yuǎn)小于電磁波的波長（電小尺寸），使用“路”（集總參數(shù)/準(zhǔn)靜態(tài)）的仿真軟件。
心法二：全波仿真算法的選擇
在無法滿足電小尺寸時，難以使用集總參數(shù)解決問題，就必須使用場論！然而，用麥大神的方法怎樣都不如基大神（基爾霍夫）的解法來得舒服，各路小神們看不下眼，基于麥大神的理論，用數(shù)值算法代替數(shù)學(xué)解析式，從而用電腦把人腦解放出來，解決民間疾苦。于是，就有了我們現(xiàn)在熟得不能再熟的矩量法（MoM）、時域有限差分（FDTD）法、有限元法（FEM）、傳輸線矩陣法（TLM）和部分元等效電路（PEEC）等全波算法。現(xiàn)有的全波仿真商業(yè)軟件沒有跑出這些算法的圈子，因此了解了這些算法的特性，也就知道如何選用恰當(dāng)?shù)纳虡I(yè)仿真軟件：
MoM將導(dǎo)體分成電小尺寸單元，通過計算所有導(dǎo)體單元上的電流（常數(shù)），得到所有導(dǎo)體電流單元總體產(chǎn)生的電磁場；
FDTD將仿真對象對應(yīng)的空間區(qū)域分割成電小尺寸的體積元，假設(shè)各體積元內(nèi)的場為常數(shù)。通常使用脈沖作為激勵函數(shù)，模型可得到寬帶響應(yīng)；
FEM將空氣和其他所有材質(zhì)分割成電小尺寸單元，假設(shè)每個單元內(nèi)部的場為常數(shù)，使用變分技術(shù)求解麥克斯韋方程組；
TLM將建模對象區(qū)域劃分成多個電小尺寸單元，每個單元對應(yīng)一個三維傳輸線節(jié)點，每個節(jié)點上的傳輸/反射可以由節(jié)點阻抗得出；
PEEC將所有變化單元間場的關(guān)系替換為電路的關(guān)系，單元之間通過局部的互電感和互電容相連，總體電路進(jìn)行仿真，然后將求解的電流和電壓參數(shù)轉(zhuǎn)化為場。
現(xiàn)在強(qiáng)大的全波軟件仿真工具層出不窮，但如果使用不當(dāng)，實際效果與仿真預(yù)測可能會相差十萬八千里哦！以上內(nèi)功心法雖然是電磁仿真的基礎(chǔ)之基礎(chǔ)，但也提醒各路神通在秀仿真神技時能夠hold住，不要犯下低級錯誤。
