射频工程师的必备技能——电磁仿真解析介绍

2021-05-21 17:36

大家好，我是RF小木匠今天我们一起来聊一下电磁仿真软件。当我们开始接触电磁波和微波工程的时候，第一件事就是仿真。电磁仿真可以说是一个射频工程师／微波工程师必备的技能之一。这个在射频求职的时候体现的很明白，基本上所有的射频工程师职位的要求都是要求掌握一到两种仿真软件的应用，最常见的就是ADS，HFSS和CST等，也足以体现仿真技能对一个射频工程师的重要性。

仿真就是对实际物体进行模型模拟，以期改善实际产品的性能，找到最优的设计方案。电磁仿真就是对物体的电磁性能进行仿真模拟，以代替昂贵的原型，并改进设计。我们知道，麦克斯韦方程组的解就是物体的电磁特性。费曼在一次演讲中说到：有了电和磁，就有了光。其实这里的光不仅仅是一种电磁波，更是一种光明，电磁波的发现直接导致了我们现在无处不连接的无线时代。麦克斯韦方程组的微分形式就表示了在一个点的电磁特性，那么积分形式就表示了这些点的电磁特性的积分就是整体的电磁特性。

这里就引出了电磁仿真的方法：有限元法FEM，有限积分／差分法和矩量法MOM。（当然，电磁计算方法还有很多，我们就不一一介绍了。暂时先看一下这三种最主要的。）

有限元法FEM

有限元法可以说是一种最通用的电磁计算方法，它适用于任意形状，也适用于任意物理场的仿真。理查德·费曼在他的《物理学讲义》一书中讨论了如何分析物理问题。他提到，想要全面了解某个系统的特性，一种可行的方法是使用微分方程来描述这一系统在不同情况下的特性，并分析方程的解。他还进一步指出：“只有一种精确的方法能够表述物理定律，就是使用微分方程。” 有限元法FEM（finite element method）是一种高效能、常用的数值计算方法。科学计算领域，常常需要求解各类微分方程，而许多微分方程的解析解一般很难得到，使用有限元法将微分方程离散化后，可以编制程序，使用计算机辅助求解。

在射频仿真中常用到的HFSS主要计算方法就是有限元FEM。HFSS是小木匠学习的第一款电磁仿真软件，当时还是属于ansoft 公司，现在成了Ansys软件里面的一款应用。Ansys HFSS是3D电磁（EM）仿真软件，用于设计和仿真高频电子产品，例如天线，天线阵列，RF或微波组件，高速互连，滤波器，连接器，IC封装和印刷电路板。全球工程师使用Ansys HFSS软件来设计通信系统，高级驾驶员辅助系统（ADAS），卫星和物联网（IoT）产品中的高频，高速电子产品。最新的2021 R1版本在HFSS中引入了突破性的增强功能，实现了前所未有的超复杂系统的仿真，例如PCB，IC封装和系统EMI分析。