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射频电磁仿真为什么需要新方法?

2023-07-19 17:06:19 Jean-Jaques (JJ) DeLisle 阅读:
本文将讨论电磁仿真和电磁仿真的进展,这些进展可能有助于加快运行速度,并且在执行更高效仿真的同时不会降低精度。

射频技术的发展趋势正在转向比以往更复杂、更大、更密集和动态的结构。这是射频技术的自然演变,因为越来越多的技术被开发出来,以解决最新的通信和传感问题,并创造竞争优势。这些技术包括用作射频透镜、波束成形器或元结构的复杂绝缘体、导体和磁性结构。yIeednc

其他例子包括先进/有源天线系统(AAS),其动态性能取决于快速变化的电子或机械控制。然而,由于单一平台上通信和传感技术密度的增加,导致共址干扰或者以其他方式妨碍相邻系统的功能,因此出现了新的射频问题。yIeednc

这些因素导致了对鲁棒的电磁(EM)仿真能力的需求以及所仿真的设备和系统类型的变化。本文将讨论EM仿真和EM仿真的进展,这些进展可能有助于加快运行速度,并且在执行更高效仿真的同时不会降低精度。yIeednc

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来源:是德科技yIeednc

电磁仿真工具由什么构成?

电磁仿真工具只是一种软件包,可以执行一种或多种计算电磁学(CEM)方法。在商业应用中,电磁仿真工具对于快速优化设计、开发概念验证/原型设计、构建库来训练机器学习/人工智能(MI/AL)系统以及设计实验至关重要。尽管每个电磁仿真器的内部工作原理差异很大,但每个电磁仿真软件套件都由相似的组件组成。yIeednc

一些EM软件套件包含计算机辅助设计(CAD)工具,或者能够从行业标准或专有CAD工具导入2D/3D模型。生成或导入CAD模型的能力对于执行mesh(网格)或grid(栅格)操作至关重要。这些操作将CAD模型离散化为适合麦克斯韦方程数值求解的网格/栅格格式。仿真的精度以及完成仿真所需的计算资源取决于网格/栅格的分辨率、模型的大小、模型的复杂程度和仿真方法。yIeednc

EM仿真软件实现CEM方法的过程通常称为EM仿真代码。市场上有各种各样的代码,其功能也有很大差异。由于其设计原因,某些代码仅适用于狭窄模型范围和精度水平的修改。而另一些则在功能和适用性方面更为通用和广泛。yIeednc

有些代码只能实现单一的电磁仿真方法,其中最常见的是有限元分析法(FEM)、矩量法(MoM)和时域有限差分法(FDTD)。一些EM软件代码配备了各种不同的“求解器”,可以实现不同的方法甚至是各种方法的组合。yIeednc

EM求解器的工作原理

鉴于电磁仿真的性质,求解器通常会返回随时间、频率或预选参数变化而变化的仿真结果。yIeednc

电磁仿真软件套件的另一个重要方面是用于优化结果、插值以及数据呈现方式的计算方法。一些求解器具有大量的优化功能,而其他求解器可能需要二次操作才能优化结果。就计算资源而言,有些代码比其他代码更高效或更精确。不过,在大多数情况下,精度和计算效率是需要权衡的,更精确的仿真需要的计算资源也就越多。yIeednc

由于电磁求解器的规模、复杂性、分辨率和精度历来受限,因此许多电磁求解器在其软件套件中采用了复杂的算法以及多CPU、多GPU或高性能计算(HPC)支持。利用这些方法扩展单台仿真机的计算资源或将仿真分散到多台仿真机上,可以在相同的时间内执行更大规模的仿真,或者也可以缩短仿真时间以加快迭代周转。yIeednc

使用更加高效的电磁仿真技术不仅可以帮助用户避免这些陷阱,还可以带来更多的优势。通过更高效的电磁仿真,设计人员可以选择在仿真中融入更高水平的实际真实数据。在许多情况下,由于电磁仿真效率较低,或是由于成本或许可证有限而缺乏计算资源,用户可能会选择降低模型的真实度,或者创建仅能代表真实测试用例的模型。yIeednc

具有更高水平的真实度可以显著减少优化设计所需的设计周期时间和迭代次数。此外,许多设计人员还利用实验来"调整"电磁仿真器,通过进行收敛性研究或与实际实验进行比较,来解决特定的问题/实验。有了更高效的EM仿真,可以在更广泛的样本范围上进行此调整过程,或者可以更快地在给定样本集上完成任务。根据当前的项目目标,无论哪种结果都是可取的。yIeednc

概念验证仿真

电磁仿真软件的另一个常见用途是为客户提供一种设计概念验证的低成本方法。尽管这些概念验证设计和仿真通常与真正的原型相去甚远,但它们是快速响应客户资讯或获取业务的一种方法。yIeednc

这种先发制人的电磁仿真可以帮助小公司或拥有大量项目的公司快速评估客户要求的可行性,帮助与客户协商设计功能,或者以其他方式快速迭代设计概念。然而,这种在前端使用EM仿真来筛选设计概念的方法可能会占用大量计算资源,而计算资源不足可能会使许多没有预算或没有HPC解决方案支持的团队无法采用这种方法。yIeednc

因此,我们需要更高效、更准确、更快速的电磁仿真技术。目前市场上的大多数电磁代码都是基于几十年前的麦克斯韦方程的巧妙求解方法。基于现代计算能力的电磁仿真软件新方法可能比传统方法更优化、更快,甚至可能更准确。yIeednc

未来几年,大型传统电磁仿真软件公司能否与基于更现代化计算方法的新兴电磁仿真软件解决方案相抗衡,我们拭目以待。yIeednc

(原文刊登于EDN姊妹网站Planet Analog,参考链接:Why EM simulation for RF needs new approaches,由Ricardo Xie编译。)yIeednc

责编:Ricardo
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