芯耀
924
電磁仿真軟件，是一種借助計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算能力，對電磁場進(jìn)行模擬與分析的工具。電磁仿真的核心在于對麥克斯韋方程組進(jìn)行數(shù)值求解，通過這些方程，能精準(zhǔn)描述電磁波的傳播、反射、折射等一系列行為。
在電子芯片設(shè)計(jì)領(lǐng)域，工程師們依靠電磁仿真軟件分析信號完整性、干擾和噪聲等棘手問題，從而巧妙優(yōu)化電路布局；通信系統(tǒng)的規(guī)劃與優(yōu)化同樣離不開它，利用其可預(yù)測信號覆蓋范圍、多徑傳播和干擾情況，為網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)提供堅(jiān)實(shí)可靠的指導(dǎo) 。在醫(yī)療領(lǐng)域，電磁仿真軟件助力研究和改進(jìn)磁共振成像（MRI）技術(shù)，讓醫(yī)生能夠獲取更清晰、更準(zhǔn)確的圖像，為疾病診斷提供有力依據(jù)。
隨著科技的飛速發(fā)展，電磁仿真軟件已經(jīng)成為現(xiàn)代科技研發(fā)中不可或缺的重要工具，在眾多領(lǐng)域發(fā)揮著關(guān)鍵作用，極大地推動了科技的進(jìn)步與創(chuàng)新。
接下來，將為大家介紹幾款常用的電磁仿真軟件。
No.1 常用電磁仿真軟件大盤點(diǎn)
1，3D 電磁仿真的巨頭?Ansys HFSS
Ansys HFSS 作為一款 3D 電磁（EM）仿真軟件，是 Ansys 公司的旗艦產(chǎn)品，在高頻電磁場仿真領(lǐng)域占據(jù)著舉足輕重的地位，堪稱業(yè)界的 “巨頭”。
它基于有限元法（FEM），這一方法通過將復(fù)雜的連續(xù)求解域離散為有限個單元的組合，來逼近真實(shí)的物理場分布，從而實(shí)現(xiàn)對電磁場的精確計(jì)算 。憑借強(qiáng)大的功能，Ansys HFSS 在設(shè)計(jì)和仿真高頻電子產(chǎn)品方面表現(xiàn)卓越，如天線、天線陣列、射頻或微波組件、高速互連、濾波器、連接器、IC 封裝與印刷電路板等。世界各地的工程師廣泛使用它來設(shè)計(jì)通信系統(tǒng)、高級駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）、衛(wèi)星和物聯(lián)網(wǎng)（IoT）產(chǎn)品的高頻、高速電子設(shè)備。
在 5G 通信基站的天線設(shè)計(jì)中，工程師利用 Ansys HFSS 對天線的輻射特性、方向圖、增益等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行仿真分析，通過不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)，使天線能夠滿足 5G 通信對高速率、大容量、低延遲的嚴(yán)格要求 。
HFSS的學(xué)習(xí)參考書非常多，下面是目前在售的一些
全面的三維電磁場仿真專家?CST
CST 工作室套裝是一款全面、精確、集成度極高的專業(yè)仿真軟件包，集成了八個高度專業(yè)化的模塊于單一平臺，確保了跨學(xué)科的仿真協(xié)作得以無縫進(jìn)行。
它采用時域和頻域全波電磁算法和高頻算法，能夠處理各種復(fù)雜的電磁問題。在電磁兼容（EMC）領(lǐng)域，CST 可以進(jìn)行包括電路原理圖、PCB 板級、線纜線束級、機(jī)箱機(jī)柜級及包括上述所有元素的系統(tǒng)級 EMC 仿真，是一個真正的一站式電磁兼容仿真平臺。在汽車電子系統(tǒng)的開發(fā)中，工程師使用 CST 來分析汽車內(nèi)部各種電子設(shè)備之間的電磁干擾，通過優(yōu)化布線和屏蔽設(shè)計(jì)，提高汽車電子系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性 。
CST 在天線設(shè)計(jì)與 RCS 分析、高速電路中的信號完整性（SI）、電磁干擾（EMI）、電源完整性（PI）眼圖分析、移動通訊設(shè)備的設(shè)計(jì)、醫(yī)療成像技術(shù)如核磁共振成像（MRI）、高性能電子設(shè)備如電真空管和粒子加速器、高功率微波技術(shù)、非線性光學(xué)效應(yīng)模擬、熱管理與結(jié)構(gòu)應(yīng)力聯(lián)合仿真等眾多領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。
微波電路與通信系統(tǒng)的仿真能手ADS
ADS（Advanced Design System）由 Agilent 公司推出，是一款功能強(qiáng)大的微波電路和通信系統(tǒng)仿真軟件，也是國內(nèi)各大學(xué)和研究所使用最多的軟件之一。
它具備多種仿真分析手段，可實(shí)現(xiàn)包括時域和頻域、數(shù)字與模擬、線性與非線性、噪聲等多種仿真分析。在射頻和微波電路設(shè)計(jì)中，工程師可以利用 ADS 對電路的各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行精確分析，如 S 參數(shù)、噪聲系數(shù)、增益壓縮等，通過優(yōu)化電路參數(shù)，提高電路的性能。
ADS 還支持對通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分析，包括信號鏈路的仿真、調(diào)制解調(diào)過程的模擬等，能夠幫助工程師快速驗(yàn)證系統(tǒng)方案的可行性，大大提高了復(fù)雜電路和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)效率 。在衛(wèi)星通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，工程師使用 ADS 對通信鏈路進(jìn)行仿真，分析信號在傳輸過程中的衰減、失真等情況，通過優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)，提高通信系統(tǒng)的可靠性和通信質(zhì)量 。
ADS的學(xué)習(xí)參考書也非常多，下面是目前還在售賣的。
微波平面電路設(shè)計(jì)的利器AWR
AWR 最早是NI推出的 microwave Office，后來被Candance 收購。AWR為微波平面電路設(shè)計(jì)提供了全面而精準(zhǔn)的解決方案。
它通過兩個模擬器來對微波平面電路進(jìn)行模擬和仿真，對于由集總元件構(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 的模擬器來處理集總元件構(gòu)成的微波平面電路問題；而對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，采用的是 EMSight 的模擬器來處理任何多層平面結(jié)構(gòu)的三維電磁場的問題。VoltaireXL 模擬器內(nèi)設(shè)一個元件庫，包含豐富的無源器件和非線性器件，方便用戶建立電路模型；EMSight 模擬器把修正譜域矩量法與直觀的視窗圖形用戶界面（GUI）技術(shù)結(jié)合起來，大大提高了計(jì)算速度。
AWR 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，在微波平面電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用 。
AWR的參考書比較少，目前能查到的還有一本，價格比較便宜。
Ansys Designer：集成化的設(shè)計(jì)工具
Ansys Designer 是 Ansys 公司推出的一款創(chuàng)新型設(shè)計(jì)工具，它將高頻電路系統(tǒng)、版圖和電磁場仿真工具無縫地集成到同一個環(huán)境中，這種集成并非簡單的界面整合，其核心是獨(dú)有的 “按需求解” 技術(shù)，這一技術(shù)使用戶能夠根據(jù)具體需求靈活選擇求解器，從而實(shí)現(xiàn)對設(shè)計(jì)過程的全方位掌控。
在設(shè)計(jì)復(fù)雜的通信系統(tǒng)時，工程師可以在 Ansys Designer 中完成從系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)、電路原理圖繪制、版圖設(shè)計(jì)到電磁場仿真分析的全流程工作，無需在多個軟件之間切換，大大提高了設(shè)計(jì)效率和協(xié)同性。Ansys Designer 還實(shí)現(xiàn)了 “所見即所得” 的自動化版圖功能，版圖與原理圖自動同步，減少了人為錯誤，確保了設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和一致性 。
它能方便地與其他設(shè)計(jì)軟件集成，并可與測試儀器連接，廣泛應(yīng)用于射頻和微波電路設(shè)計(jì)、通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)、電路板和模塊設(shè)計(jì)以及部件設(shè)計(jì)等多個領(lǐng)域。
最早使用HFSS仿真時，利用Designer 可以和HFSS進(jìn)行聯(lián)合仿真，最近這款軟件用的比較少了。
XFDTD：基于時域有限差分法的先鋒
XFDTD 是一款基于時域有限差分法（FDTD）的電磁仿真軟件，主要用于電磁場的計(jì)算及其與物質(zhì)的相互作用分析。它能夠模擬各種電磁波在不同介質(zhì)中的傳播、反射、折射、散射等現(xiàn)象，同時還可以分析物質(zhì)的電磁性質(zhì)、天線輻射和接收、EMC/EMI 等問題。
XFDTD 支持多種電磁波仿真，包括平面波、圓柱波、球形波等；支持多種介質(zhì)仿真，涵蓋各種電介質(zhì)、磁介質(zhì)、導(dǎo)電介質(zhì)等；可進(jìn)行二維和三維的電磁場仿真，并支持吸收邊界、透射邊界、散射邊界等多種邊界條件以及時域有限差分法（FDTD）、時域有限元法（FEM）、動態(tài)時域有限元法（D-FEM）等多種計(jì)算模型 。其用戶接口友好，計(jì)算準(zhǔn)確，能夠?yàn)橛脩籼峁┲庇^、準(zhǔn)確的仿真結(jié)果。不過，XFDTD 在某些復(fù)雜設(shè)計(jì)的優(yōu)化方面可能需要借助第三方軟件的支持。
在雷達(dá)目標(biāo)特性分析中，XFDTD 可以精確模擬雷達(dá)波與目標(biāo)物體的相互作用，幫助工程師了解目標(biāo)的散射特性，為雷達(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和性能評估提供重要依據(jù) 。
Zeland IE3D：基于矩量法的仿真工具
Zeland IE3D 基于矩量法（MoM），能夠有效解決多層介質(zhì)環(huán)境下三維金屬結(jié)構(gòu)的電流分布問題，進(jìn)而求解其電磁輻射和散射特性。該軟件主要包含三部分功能：前處理部分用于構(gòu)建和編輯幾何模型，用戶可以方便地定義各種復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)；求解器部分基于矩量法進(jìn)行高效的數(shù)值計(jì)算，能夠準(zhǔn)確地計(jì)算出電磁場的分布和相關(guān)參數(shù)；后處理部分則用于直觀地顯示和分析仿真結(jié)果，如繪制電場、磁場分布圖，計(jì)算 S 參數(shù)、方向圖等 。在微帶天線設(shè)計(jì)中，工程師使用 Zeland IE3D 對微帶天線的輻射性能進(jìn)行仿真分析，通過調(diào)整天線的尺寸、形狀和材料參數(shù)，優(yōu)化天線的性能，使其滿足特定的應(yīng)用需求 。Zeland IE3D 在微波電路設(shè)計(jì)、天線設(shè)計(jì)、電磁兼容分析等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，為工程師提供了強(qiáng)大的仿真分析支持 。
No.2?如何選擇適合的電磁仿真軟件
面對如此眾多功能各異的電磁仿真軟件，如何從中挑選出最適合自己的那一款，成為了工程師和科研人員必須思考的關(guān)鍵問題。
從軟件特點(diǎn)來看，不同的軟件采用了不同的算法，這直接決定了其在不同場景下的表現(xiàn)?；谟邢拊ǎ‵EM）的 Ansys HFSS，擅長處理復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)，能夠精確地模擬電磁場在復(fù)雜幾何形狀中的分布，對于那些需要高精度分析復(fù)雜結(jié)構(gòu)的電磁特性的項(xiàng)目，如高端天線設(shè)計(jì)、復(fù)雜微波器件開發(fā)等，它無疑是首選 。而基于時域有限差分法（FDTD）的 CST 和 XFDTD，在處理寬帶頻譜和瞬態(tài)問題上表現(xiàn)突出，能夠快速準(zhǔn)確地模擬電磁波在寬頻帶內(nèi)的傳播和變化，對于需要分析寬帶信號傳輸、瞬態(tài)電磁干擾等問題的應(yīng)用場景，如通信系統(tǒng)的寬帶信號分析、電磁兼容測試中的瞬態(tài)干擾模擬等，它們是較為理想的選擇 ?；诰亓糠ǎ∕oM）的 Zeland IE3D，則在處理平面結(jié)構(gòu)和細(xì)線結(jié)構(gòu)的電磁問題上具有獨(dú)特優(yōu)勢，能夠高效地計(jì)算平面結(jié)構(gòu)的電磁特性，適用于微帶天線設(shè)計(jì)、微波電路中的平面結(jié)構(gòu)分析等場景 。
適用場景也是選擇電磁仿真軟件時需要重點(diǎn)考慮的因素。在天線設(shè)計(jì)領(lǐng)域，不同類型的天線對仿真軟件的要求也各不相同。對于常規(guī)的天線設(shè)計(jì)，Ansys HFSS、CST 等軟件都能提供全面的仿真分析，幫助工程師優(yōu)化天線的各項(xiàng)性能參數(shù)；而對于一些特殊的天線，如超寬帶天線、相控陣天線等，可能需要選擇在寬帶分析或陣列分析方面具有專長的軟件，CST 在寬帶頻譜分析上的優(yōu)勢使其在超寬帶天線設(shè)計(jì)中具有一定的應(yīng)用價值，而 Ansys HFSS 強(qiáng)大的三維建模和分析能力則更適合相控陣天線這種復(fù)雜陣列結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 。
在電磁兼容（EMC）分析中，CST 憑借其全面的 EMC 仿真功能，能夠從電路原理圖到系統(tǒng)級進(jìn)行全方位的仿真分析，幫助工程師全面了解電子系統(tǒng)在電磁環(huán)境中的兼容性問題，是 EMC 分析的有力工具 。在微波電路設(shè)計(jì)中，ADS 以其強(qiáng)大的電路仿真和通信系統(tǒng)分析功能，能夠?qū)ξ⒉娐返母黜?xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行精確分析和優(yōu)化，是微波電路設(shè)計(jì)師的首選軟件之一；AWR 則專注于微波平面電路設(shè)計(jì)，為微波平面電路的設(shè)計(jì)和分析提供了專業(yè)的解決方案 。
用戶需求同樣不容忽視。對于初學(xué)者來說，軟件的易用性和學(xué)習(xí)成本是重要的考慮因素。CST 以其簡潔直觀的操作界面和豐富的學(xué)習(xí)資源，使得初學(xué)者能夠快速上手，掌握基本的仿真操作；而一些功能強(qiáng)大但操作復(fù)雜的軟件，如 Ansys HFSS，對于有一定基礎(chǔ)和經(jīng)驗(yàn)的用戶來說，能夠充分發(fā)揮其強(qiáng)大的功能優(yōu)勢，但對于初學(xué)者可能會有一定的學(xué)習(xí)難度 。在項(xiàng)目時間緊迫的情況下，軟件的仿真速度就顯得尤為重要。一些軟件采用了高效的算法和優(yōu)化技術(shù)，能夠在較短的時間內(nèi)完成仿真計(jì)算，如 Zeland IE3D 在處理某些特定結(jié)構(gòu)時的計(jì)算速度較快，能夠滿足對時間要求較高的項(xiàng)目需求 。對于需要進(jìn)行多物理場耦合分析的項(xiàng)目，如電子設(shè)備的散熱分析中同時考慮熱場和電磁場的相互作用，具備多物理場耦合功能的軟件，如 Ansys HFSS、COMSOL Multiphysics 等則更能滿足需求 。
總結(jié)
在電磁設(shè)計(jì)的廣闊領(lǐng)域中，電磁仿真軟件已經(jīng)成為不可或缺的關(guān)鍵工具。從基于有限元法的 Ansys HFSS，到基于時域有限差分法的 CST、XFDTD，再到基于矩量法的 Zeland IE3D 等，每一款軟件都憑借其獨(dú)特的算法和功能，在不同的應(yīng)用場景中展現(xiàn)出卓越的性能 。
上文介紹的都是一些國外的電磁仿真軟件，你用過幾款？ 不過挺擔(dān)心這種電磁仿真軟件的斷供的。如果射頻工程師離開仿真，那就只能手撕板子了。
