聊一下电磁仿真和常用的电磁仿真软件

HFSS的仿真精度是毋庸置疑的，但是有限元法由于其通用性又限制了其仿真效率。Ansys 提供了软件的试用版本，印象中还有学生版，当然还有网络上的你懂我懂大家懂的版本了了。

HFSS学习资源也很丰富。目前在卖的学习书籍也挺多的，个人比较推荐谢拥军老师的《HFSS原理与工程应用》，其内容涵盖了微波技术原理到HFSS的仿真应用：第1章介绍了微波技术的基本理论和基础知识；第2章讲述了电磁场有限元方法的基本原理；第3章对软件的界面、使用方法作了简单介绍；第4章详细给出了Ansoft HFSS的计算原理与使用技巧；第5章通过大量的工程实例使读者能够熟练掌握Ansoft HFSS软件，对于实际工程问题给出正确的仿真解决方案。可作为高等院校、研究院所、公司等从事射频微波技术的工程人员的工程手册，也可作为高校相关专业的研究生和本科生的科研教学参考书。缺点就是书上案例偏少，并且出版于2009年，时间有点久远，原理部分初学者学习比较吃力，有些案例仿真结果可能有偏差。但对于学习其仿真思想足够了。

另外还有李明洋老师的《HFSS电磁仿真设计应用详解》，是一本注重工程实践的HFSS电磁仿真设计教程，全书共14章，前8章全面介绍了HFSS的设计流程、各种设计功能和具体使用操作。后6章主要通过实际工程设计实例讲解HFSS在微波器件设计、天线设计、天线阵分析设计、高速数字信号完整性分析、谐振腔分析设计和SAR计算等方面的具体应用。本书体系完整、可读性和工程应用性强，适合 HFSS初学者学习参考和具有一定HFSS使用基础的读者学习提高，也可供高等院校、研究院所、公司企业等从事微波射频、电子通信领域的工程技术人员参阅。仿真案例比较多，比较适合初学者入门。

时域有限差分（FDTD）

时域有限差分（FDTD）算法以显式方式求解麦克斯韦方程组。FDTD方法利用由矩形或Yee单元构建的网格，其中随着电磁波在结构中传播，场值会随着时间一步一步地更新。使用这种方法，单个FDTD仿真可以提供超宽频率范围内的数据。

由于FDTD具有简单，鲁棒的特性，并且能够结合多种非线性材料和器件，因此经常被用于研究各种应用，包括天线设计，微波电路，生物/电磁效应和光子学。计算机速度和存储容量的最新发展使FDTD求解器越来越受到设计人员的欢迎。这种方法特别适合于无线设计。

以时域有限差分/积分法为主要算法的是CST Microwave Studio，原来属于CST公司，现在被法国达索收购了。目前CST仿真工作室也集成了多种电磁仿真技术，例如有限元方法（FEM），有限积分技术（FIT）和传输线矩阵方法（TLM））访问多个电磁（EM）仿真求解器。这些代表了用于高频仿真任务的最强大的通用求解器。

由于天线，微波组件和电子设备的性能必须安装在工作环境中，因此通信系统的设计今天变得越来越具有挑战性。

SIMULIA CST Studio Suite 2021引入了一系列新的增强和改进功能，以提高建模，网格划分和求解器技术的多功能性和性能，从而完全解决了这些问题。

此外，在整合 3D体验平台实现无缝协作的工作流程，甚至在不同的团队和部门。用户将能够快速对产品进行必要的更改，从而提高工程效率并进一步促进创新。

个人感觉CST的宏功能比较好用，可以自己开发一些设计工具以提高仿真效率。

很早之前学习CST的时候，有一本CST中国团队编写的一本书《CST中文教程》，现在网络上已经买不到了。有兴趣的同学可以网络搜索一下电子版。当然个人还是推荐学习软件的Help里面的内容以及软件自带的仿真案例。

CST和HFSS是比较常用的3D电磁仿真软件，当然还有一些像Sonnet，FEKO，EMpro等等，不知道现在有多少同学在用。当然国内的3D电磁仿真软件也有一些：北京云道智造科技有限公司的Simdroid，东峻科技的Eastwave以及中望电磁仿真软件ZWSim。不知道有没有同学用过……

矩量法（MoM）

在用于解决EM问题的所有技术中，矩量法（MoM）是最难实现的方法之一。这是一种将麦克斯韦方程式转换为积分方程式的数值计算方法，当离散化时，可以得出结构的耦合矩阵方程式。

MoM的优势在于，它仅需要计算边界值，而不是整个问题空间中的所有值。这对于具有较小的表面/体积比的问题非常有效，并且非常适合于模拟非常复杂的结构。

以矩量法为主的微波软件有AWR, ADS，Ansys Designer，XFDTD, Zeland IE3D， Sonnet，FEKO等。

小木匠学习使用的第一款射频电路仿真软件是ADS，也是大家都比较熟悉的。ADS全称（Advanced Design System），是Agilent公司（现在的keysight 是德科技）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。

现在整合成了 Pathwave ADS，除了pathwave ADS之外，还有面向三维仿真的 EMPro，面向系统设计的SystemVue以及面向集成电路的Goldengate。

不得不说，现在的电磁仿真软件更新真的挺快的，但越来越好吗，有时候真不觉得。功能确实是越来越强大了。

ADS的学习，国内可买到的书就比较多了。个人比较推荐韩国人写的这本《微波电路设计：使用ADS的方法与途径》，电子科技大学张玉兴教授翻译。本书是微波电路设计的完整指南，阐述微波电路中的基本概念、无源和有源器件、传输线理论，以及高频测量的基本知识。主要内容包括：低噪声放大器的设计、功率放大器的设计、微波振荡器的设计、锁相环的设计和混频器的设计，重点讨论了微波集成电路的分类和作用、无源元件的阻抗和等效电路、同轴微带传输线、有源器件和阻抗匹配。另外，还包括基于ADS新的微波仿真设计实例。本书适合作为电类专业高年级本科生和研究生的教材，对微波电路设计工程师也具有很高的参考价值。

仿真软件，只有正确使用才会达到其应有的效果，首先要确保操作设置的准确，模型的准确，其次要保证网格划分的足够。还有就是仿真和实际加工误差的经验值。把实际经验与仿真精度都考虑进去，这样的仿真才是最有效的，也是最准确的。

软件也只是软件，人永远还是第一位的。

参考文献