電磁仿真需要牢記的內功心法
上海華湘
2024-10-31 15:18
1382次在射頻、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。
