电磁波与天线专业门槛越来越低了吗？对仿真软件的依赖越来越高了吗？
很多年之前，当我还在学校读书的时候，一个朋友在读美国的EE研究生。探讨到天线仿真的相关事情。当时正在跟着导师做一个多频天线的项目，而在美国的同学正在用MATLAB计算单极子天线的场图。当时还觉得自己多了不起，已经开始设计牛逼的天线了，而他还在研究课本上讲的单极子天线。 时至今日，这件事依然记忆犹新。时常在想，如果没有电磁仿真软件，我还会个啥？    01 —  电磁仿真软件  可以说，国内的很多射频工程师，都是一个优秀的仿真工程师，无论有源电路设计还是无源器件设计，射频工程师设计工作的一半时间实在做仿真，而另一半在调试和测试。我们的日常设计中，会应用到各种各样的仿真软件，比如射频电路级的仿真会用到 ADS，AWR等等，3D电磁仿真软件CST，Ansoft等。无论是哪一种仿真软件都提供了丰富的设计助手。我们只需不停的仿真优化，就可以得到漂亮的设计结果。然而，这些软件是怎么工作的，很少有人去关注。“拿来主义”发挥的淋漓尽致。您常用的仿真软件有哪些呢？  1  Ansys HFSS  Ansys HFSS 是一款 3D 电磁 (EM) 仿真软件，可用于设计天线、天线阵列、RF 或微波组件、高速互连装置、过滤器、连接器、IC 封装和印刷电路板等高频电子产品，并对此类产品进行仿真。全球工程师均使用 Ansys HFSS 设计通信系统、雷达系统、高级驾驶辅助系统 (ADAS)、卫星、物联网 (IoT) 产品及其他高速 RF 和数字设备中使用的高频、高速电子产品。  2  CST CST，三维电磁场仿真软件。CST工作室套装®是面向3D电磁、电路、温度和结构应力设计工程师的一款全面、精确、集成度极高的专业仿真软件包。包含八个工作室子软件，集成在同一用户界面内，为用户提供完整的系统级和部件级的数值仿真优化。软件覆盖整个电磁频段，提供完备的时域和频域全波电磁算法和高频算法。典型应用包含电磁兼容、天线/RCS、高速互连SI/EMI/PI/眼图、手机、核磁共振、电真空管、粒子加速器、高功率微波、非线性光学、电气、场路、电磁-温度及温度-形变等各类协同仿真。 2016年，被法国达索公司收购。  3 ADS   Advanced Design System，是Agilent公司推出的微波电路和通信系统仿真软件，是国内各大学和研究所使用最多的软件之一。其功能非常强大，仿真手段丰富多样，可 实现包括时域和频域、数字与模拟、线性与非线性、噪声等多种仿真分析手段，并可对设计结果进行成品率分析与优化，从而大大提高了复杂电路的设计效率，是非 常优秀的微波电路、系统信号链路的设计工具。主要应用于：射频和微波电路的设计，通信系统的设计，DSP设计和向量仿真。  4 AWR 是AWR公司推出的微波EDA软件，为微波平面电路设计提供了最完整, 最快速和最精确的解答。它是通过两个仿真器来对微波平面电路进行模拟和仿真的。对于由集总组件构成的电路，用电路的方法来处理较为简便;该软件设 有"VoltaireXL"的仿真器来处理集总组件构成的微波平面电路问题。而对于由具体的微带几何图形构成的分布参数微波平面电路则采用场的方法较为有 效;该软件采用的是"EMSight"的仿真器来处理任何多层平面结构的三维电磁场的问题。"VoltaireXL" 仿真器内设一个组件库，在建立电路模型时，可以调出微波电路所用的组件，其中无源器件有电感、电阻、电容、谐振电路、微带线、带状线、同轴线等等，非线性 器件有双极晶体管， 场效应晶体管，二极管等等。"EMSight"仿真器是一个三维电磁场模拟程序包，可用于平面高频电路和天线结构的分析。特点是把修正谱域矩量法与直观 的窗口图形用户接口(GUI)技术结合起来，使得计算速度加快许多。MWO可以分析射频集成电路 (RFIC)、微波单片集成电路(MMIC)、 微带贴片天线和高速印制电路(PCB)等电路的电气特性。 现在属于Cadance  5  Ansys Designer  是Ansys公司推出的微波电路和通信系统仿真软件;它采用了最新的窗口技术，是第一个将高频电路系统,版图和电磁场仿真工具无缝地 集成到同一个环境的设计工具，这种集成不是简单和接口集成,其关键是Ansys Designer独有的"按需求解"的技术,它使你能够根据需要选择求解器,从而实现对设计过程的完全控制。 Ansys Designer实现了“所见即所得”的自动化版图功能，版图与原理图自动同步，大大提高了版图设计效率。同时,滤波器微信公众号认为，Ansys还能方便地与其它设计软件集 成到一起，并可以和测试仪器连接，完成各种设计任务，如频率合成器，锁相环，通信系统，雷达系统以及放大器，混频器，滤波器，移相器，功率分配器，合成器 和微带天线等。主要应用于：射频和微波电路的设计，通信系统的设计，电路板和模块设计，部件设计。  6 XFDTD  Remcom公司推出的基于时域有限差分法(FDTD)的三维全波电磁场仿真软件。XFDTD用户接口友好、计算准确;但XFDTD本身没有优化功能， 须通过第三方软件Engineous完成优化。该软件最早用于仿真蜂窝电话，长于手机天线和SAR计算。现在广泛用于无线、微波电路、雷达散射计算，化 学、光学、陆基警戒雷达和生物组织仿真。  7 Zeland IE3D  IE3D是一个基于矩量法的电磁场仿真工具，可以解决多层介质环境下的三维金属结构的电流分布问题。 IE3D可分为MGRID、MODUA和 PATTERNVIEW三部分;MGRID为IE3D的前处理套件，功能有建立电路结构、设定基板与金属材料的参数和设定模拟仿真参数;MOODUA是 IE3D的核心执行套件，可执行电磁场的模拟仿真计算、性能参数(Smith园图，S参数等)计算和执行参数优化计算;PATTERNVIEW是IE3D 的后处理套件，可以将仿真计算结果，电磁场的分布以等高线或向量场的形式显示出来。 IE3D仿真结果包括S、Y、Z参数，VWSR，RLC等效电路，电流 分布，近场分布和辐射方向图，方向性，效率和RCS等;应用范围主要是在微波射频电路、多层印刷电路板、平面微带天线设计的分析与设计。  8 Sonnet  Sonnet 软件在1983 年被研究开发以来，获得了商业上的良好声誉，目前已经成为世界上最准确的单层、多层平面电路和天线设计的商业软件。由Rautio博士创立的 Sonnet 软件公司一直致力于专业开发和升级Sonnet软件 SONNET Suites 针对当前三维平面电路和天线的设计挑战，尤其是微波、毫米波领域高精度和高可靠性的需求，提供工业上最精确和可靠的三维平面分析工具。通过提供开放的接口和专业的技术支持服务，帮助客户建立完整的设计流程，设计世界一流的产品。 Sonnet 广泛应用于解决 MMIC、RFIC、CPW、超导滤波器、LTCC、PCB 的电磁兼容和信号完整性、元器件设计、平面天线等领域。  9 FEKO  FEKO是德语Feldberechnung bei Korpern mit beliebiger Oberflache(任意复杂电磁场 计算)首字母的缩写。 FEKO软件是EMSS公司旗下的一款强大的三维全波电磁仿真软件。FEKO是世界上第一个把矩量法（MoM）推向市场的商业软件。该方法使得精确分析电大问题成为可能。FEKO支持有限元方法（FEM），并且将MLFMM与FEM混合求解，MLFMM+FEM混合算法可求解含高度非均匀介质电大尺寸问题。  10  EMPro   Electromagnetic Professional（EMPro）是 Keysight EEsof EDA 的软件设计平台，用于分析元器件的三维电磁场（EM）效应，例如高速和射频 IC 封装、封装接线、天线、芯片上和芯片外嵌入式无源元件以及 PCB 互连设备。EMPro 具有现代领先的设计、仿真和分析环境以及大容量仿真技术，并综合了业界领先的射频和微波电路设计环境――先进设计系统（ADS），可用于快速高效地进行射频和微波电路设计。   对于上文介绍的几种电磁仿真软件，您用过几种？各有什么优缺点？请留言告诉小编吧。    02 — 电磁仿真算法  其实这些电磁仿真软件，无外乎就是求解设计体和空间的电磁场。这个电磁场的解就是我们要设计的结构。我们都知道，麦克斯韦方程组确定了电磁波的几乎所有。我们在结构内求解电磁场就可以了。看似简单，然而面对这么多种材料，这么多的复杂的结构。如何求解？按照书本上讲的直接解电磁波方程就可以吗？很明显，不可以。  电磁学的一个很重要的分支就是计算电磁学。 20 世纪60 年代以来，随着电子计算机技术的发展，一些电磁场的数值计算方法也迅速发展起来，并在实际工程问题中得到了广泛地应用，形成了计算电磁学研究领域，已经成为现代电磁理论研究的主流。简而言之，计算电磁学是在电磁场与微波技术学科中发展起来的，建立在电磁场理论基础上，以高性能计算机技术为工具，运用计算数学方法，专门解决复杂电磁场与微波工程问题的应用科学。相对于经典电磁理论分析而言，应用计算电磁学来解决电磁学问题时受边界约束大为减少，可以解决各种类型的复杂问题。原则上来讲，从直流到光的宽广频率范围都属于该学科的研究范围。近几年来，电磁场工程在以电磁能量或信息的传输、转换过程为核心的强电与 弱电领域中显示了重要作用。  电磁工程问题求解一般步骤如下：   计算电磁学中有众多不同的算法，如时域有限差分法(FDTD)、时域有限积分法(FITD)、有限元法(FE)、矩量法(MoM)、边界元法(BEM)、 谱域法(SM)、传输线法(TLM)、模式匹配法(MM)、横向谐振法(TRM)、线方法(ML)和解析法等等。  在频域，数值算法有：有限元法 ( FEM -- Finite Element Method)、矩量法( MoM -- Method of Moments)，差分法( FDM -- Finite Difference Methods)，边界元法( BEM --Boundary Element Method)，和传输线法( TLM -- Transmission-Line-matrix Method)。 在时域，数值算法有：时域有限差分法( FDTD - Finite Difference Time Domain )，和有限积分法( FIT - Finite Integration Technology )。 这些方法中有解析法、半解析法和数值方法。数值方法中又分零阶、一阶、二阶和高阶方法。依照解析程度由低到高排列，依次是：时域有限差分法(FDTD)、传 输线法(TLM)、时域有限积分法(FITD)、有限元法(FEM)、矩量法(MoM)、线方法(ML)、边界元法(BEM)、谱域法(SM)、模式匹配 法(MM)、横向谐振法(TRM)、和解析法。 依照结果的准确度由高到低，分别是：解析法、半解析法、数值方法。 在数值方法中，按照结果的准确度有高到低，分别是：高阶、二阶、一阶和零阶。 时域有限差分法(FDTD)、时域有限积分法(FITD)、有限元法(FEM)、矩量法(MoM)、传输线法(TLM)、线方法(ML)是纯粹的数值方法;边界元法(BEM)、谱域法(SM)、模式匹配法(MM)、横向谐振法(TRM)则均具有较高的分辨率。 模式匹配法(MM)是一个半解析法，倘若传输线的横向模式是准确可得的话。理论上，模式可以是连续谱。但由于数值求解精度的限制，通常要求横向模式是离散 谱。这就要求横向结构上是无耗的。更通俗地讲，就是无耗波导结构。换言之，MM 最适用于波导空腔、高Q且在能量传输的某一维上结构具有一定的均匀性。譬如，它适用于两个圆柱腔在高度维上的耦合的分析，但不适用于两个葫芦间的耦合分析，因为后者没有非常明确 的模式参与能量交换，人们只能将大量的模式一并考虑，这样就降低了 MM 的效用。 有限元法(FEM)是一种一阶纯数值方法(若用一阶元的话)。它适用于任何形状的结构，是一个通用的方法。但事物总是一分为二的。一般来说，通用方法在特殊应用领域的效率将不如特殊方法。对于高 Q 空腔滤波器设计，MM 就远优于 FEM。 随着计算电磁学在工程应用领域影响力的不断加深，商用电磁分析软件越来越多，操作界面智能化，使得设计人员可以更加方便、直观得进行滤波器设计、天线设计、目标电磁特性分析等。  几种方法的比较： 这里对计算电磁学中几种主要的数值方法进行简单的比较，即时域有限差分法(FDTD)、有限元(FEM)、矩量法(MoM)、多极子法(MMP)、几何光学绕射法(GTD)、物理光学绕射法(PTD)和传输线法(TLM)。  性能 MoM GTD/PTD MMP FDTD FEM TLM 使用求解的问题 天线建模、线建模和表面结构、导线结构的问题 大电尺寸结构的范围的应用 直接计算，不需要中间步骤 可以直接求解麦克斯韦方程 电的和物体几何尺寸的特性可分开定义和处理 所有的场分量可以在同一点进行计算 数值建模特点 可以对任意结构形状的物体上的电流结构建模 在高频散射问题中非常有效，例如雷达散射截面问题  不需要存储空间形状参数 可以克服FDTD中必需的阶梯建模空间问题 可用于非均匀煤质建模和分析 适于计算电磁场的区域 辐射条件允许求解在辐射物体外的任何地点的E和H场 满足远区平面波近似的空间，节省计算机资源  很容易对非均匀煤质的场问题建模 适于分析复杂结构，对内部EM问题建模有效 适于分析复杂结构，对表面域建模很有效 适于研究的问题 计算天线参数、输入阻抗、增益、雷达问题   对内部复杂煤质问题可以有效地建模 可以对非均匀煤质问题建模 比FDTD有较小的数值色散误差 数值建模中存在的问题 对内部区域建模问题困难大 几乎不提供有关天线参数的信息 场强以外的其它参数必须进行计算 对无边界问题需要吸收边界条件处理 对无边界问题需要对边界进行建模 比FDTD使用更多的计算资源 计算机实现遇到的问题 在非均匀煤质中会遇到困难，要用大量的内部资源，所以，通常只用于低频问题 只在高频有效，不能提供任何电流分布的情况 计算密集型，占用的计算量和内存都很大，使用者必须熟悉多极子理论 计算密集型，有数值色散误差，内存量大 计算密集型，处理开放区域内的封闭面上的未知场点问题难 带宽受色散误差限制，不能解围绕散射体和需要大空间的问题 计算场强以外的其它物理量的能力  只能计算远区场  计算场传播和电流分布等参数很难  同FDTD 计算电磁学，枯燥而又没钱，国内究竟又有多少人在做呢？上面介绍的几种电磁仿真软件，也悉数掌握在西方国家的手里，如果哪一天，他们像MATLAB一样禁用，我们又能怎么办呢？国内又有多少可以替代呢？注释：文章部分内容和图片来自网络整理。如有侵权，请联系。 