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電磁仿真需要牢記的內功心法

上海華湘
2024-10-31 15:18
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       在射頻、微波設計中,各種“強大”的商用電磁仿真軟件的功能包羅萬象,這篇“內功心法”從算法角度出發,提示大家如何謹慎選擇仿真軟件。

心法一:場”與“路”的區分

        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”把電磁參數固化到器件特性中成為集總參數,就可使用比麥大神(麥氏方程)簡單無數倍的方法對電特性進行求解。當然,這一切的近似,歸功于模型尺寸遠小于電磁波的波長。

一句話總結:元件尺寸遠小于電磁波的波長(電小尺寸),使用“路”(集總參數/準靜態)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,用數值算法代替數學解析式,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。現有的全波仿真商業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的商業仿真軟件:

  • MoM將導體分成電小尺寸單元,通過計算所有導體單元上的電流(常數),得到所有導體電流單元總體產生的電磁場;

  • FDTD將仿真對象對應的空間區域分割成電小尺寸的體積元,假設各體積元內的場為常數。通常使用脈沖作為激勵函數,模型可得到寬帶響應;

  • FEM將空氣和其他所有材質分割成電小尺寸單元,假設每個單元內部的場為常數,使用變分技術求解麥克斯韋方程組;

  • TLM將建模對象區域劃分成多個電小尺寸單元,每個單元對應一個三維傳輸線節點,每個節點上的傳輸/反射可以由節點阻抗得出;

  • PEEC將所有變化單元間場的關系替換為電路的關系,單元之間通過局部的互電感和互電容相連,總體電路進行仿真,然后將求解的電流和電壓參數轉化為場。

      現在強大的全波軟件仿真工具層出不窮,但如果使用不當,實際效果與仿真預測可能會相差十萬八千里哦!以上內功心法雖然是電磁仿真的基礎之基礎,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。

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