芯耀
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電磁仿真軟件，是一種借助計算機強大的計算能力，對電磁場進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行數(shù)值求解，通過這些方程，能精準描述電磁波的傳播、反射、折射等一系列行為。
在電子芯片設計領域，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，利用其可預測信號覆蓋范圍、多徑傳播和干擾情況，為網(wǎng)絡設計提供堅實可靠的指導 。在醫(yī)療領域，電磁仿真軟件助力研究和改進磁共振成像（MRI）技術，讓醫(yī)生能夠獲取更清晰、更準確的圖像，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，在眾多領域發(fā)揮著關鍵作用，極大地推動了科技的進步與創(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
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），這一方法通過將復雜的連續(xù)求解域離散為有限個單元的組合，來逼近真實的物理場分布，從而實現(xiàn)對電磁場的精確計算 。憑借強大的功能，Ansys HFSS 在設計和仿真高頻電子產(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計通信系統(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、高速電子設備。
在 5G 通信基站的天線設計中，工程師利用 Ansys HFSS 對天線的輻射特性、方向圖、增益等關鍵參數(shù)進行仿真分析，通過不斷優(yōu)化設計，使天線能夠滿足 5G 通信對高速率、大容量、低延遲的嚴格要求 。
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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，確保了跨學科的仿真協(xié)作得以無縫進行。
它采用時域和頻域全波電磁算法和高頻算法，能夠處理各種復雜的電磁問題。在電磁兼容（EMC）領域，CST 可以進行包括電路原理圖、PCB 板級、線纜線束級、機箱機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)部各種電子設備之間的電磁干擾，通過優(yōu)化布線和屏蔽設計，提高汽車電子系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性 。
CST 在天線設計與 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、移動通訊設備的設計、醫(yī)療成像技術如核磁共振成像（MRI）、高性能電子設備如電真空管和粒子加速器、高功率微波技術、非線性光學效應模擬、熱管理與結構應力聯(lián)合仿真等眾多領域都有廣泛應用。
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，是一款功能強大的微波電路和通信系統(tǒng)仿真軟件，也是國內(nèi)各大學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計中，工程師可以利用 ADS 對電路的各項性能指標進行精確分析，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)的設計和分析，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證系統(tǒng)方案的可行性，大大提高了復雜電路和系統(tǒng)的設計效率 。在衛(wèi)星通信系統(tǒng)的設計中，工程師使用 ADS 對通信鏈路進行仿真，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的學習參考書也非常多，下面是目前還在售賣的。
微波平面電路設計的利器AWR
AWR 最早是NI推出的 microwave Office，后來被Candance 收購。AWR為微波平面電路設計提供了全面而精準的解決方案。
它通過兩個模擬器來對微波平面電路進行模擬和仿真，對于由集總元件構成的電路，用電路的方法來處理較為簡便，該軟件設有 VoltaireXL 的模擬器來處理集總元件構成的微波平面電路問題；而對于由具體的微帶幾何圖形構成的分布參數(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構的三維電磁場的問題。VoltaireXL 模擬器內(nèi)設一個元件庫，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）技術結合起來，大大提高了計算速度。
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，在微波平面電路設計領域發(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：集成化的設計工具
Ansys Designer 是 Ansys 公司推出的一款創(chuàng)新型設計工具，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，其核心是獨有的 “按需求解” 技術，這一技術使用戶能夠根據(jù)具體需求靈活選擇求解器，從而實現(xiàn)對設計過程的全方位掌控。
在設計復雜的通信系統(tǒng)時，工程師可以在 Ansys Designer 中完成從系統(tǒng)架構設計、電路原理圖繪制、版圖設計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，大大提高了設計效率和協(xié)同性。Ansys Designer 還實現(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，確保了設計的準確性和一致性 。
它能方便地與其他設計軟件集成，并可與測試儀器連接，廣泛應用于射頻和微波電路設計、通信系統(tǒng)設計、電路板和模塊設計以及部件設計等多個領域。
最早使用HFSS仿真時，利用Designer 可以和HFSS進行聯(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)、導電介質(zhì)等；可進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）等多種計算模型 。其用戶接口友好，計算準確，能夠為用戶提供直觀、準確的仿真結果。不過，XFDTD 在某些復雜設計的優(yōu)化方面可能需要借助第三方軟件的支持。
在雷達目標特性分析中，XFDTD 可以精確模擬雷達波與目標物體的相互作用，幫助工程師了解目標的散射特性，為雷達系統(tǒng)的設計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)境下三維金屬結構的電流分布問題，進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：前處理部分用于構建和編輯幾何模型，用戶可以方便地定義各種復雜的三維結構；求解器部分基于矩量法進行高效的數(shù)值計算，能夠準確地計算出電磁場的分布和相關參數(shù)；后處理部分則用于直觀地顯示和分析仿真結果，如繪制電場、磁場分布圖，計算 S 參數(shù)、方向圖等 。在微帶天線設計中，工程師使用 Zeland IE3D 對微帶天線的輻射性能進行仿真分析，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，使其滿足特定的應用需求 。Zeland IE3D 在微波電路設計、天線設計、電磁兼容分析等領域都有廣泛的應用，為工程師提供了強大的仿真分析支持 。
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鍵問題。
從軟件特點來看，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，擅長處理復雜的三維結構，能夠精確地模擬電磁場在復雜幾何形狀中的分布，對于那些需要高精度分析復雜結構的電磁特性的項目，如高端天線設計、復雜微波器件開發(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，則在處理平面結構和細線結構的電磁問題上具有獨特優(yōu)勢，能夠高效地計算平面結構的電磁特性，適用于微帶天線設計、微波電路中的平面結構分析等場景 。
適用場景也是選擇電磁仿真軟件時需要重點考慮的因素。在天線設計領域，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)的天線設計，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計中具有一定的應用價值，而 Ansys HFSS 強大的三維建模和分析能力則更適合相控陣天線這種復雜陣列結構的設計 。
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 。在微波電路設計中，ADS 以其強大的電路仿真和通信系統(tǒng)分析功能，能夠?qū)ξ⒉娐返母黜椥阅苤笜诉M行精確分析和優(yōu)化，是微波電路設計師的首選軟件之一；AWR 則專注于微波平面電路設計，為微波平面電路的設計和分析提供了專業(yè)的解決方案 。
用戶需求同樣不容忽視。對于初學者來說，軟件的易用性和學習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習資源，使得初學者能夠快速上手，掌握基本的仿真操作；而一些功能強大但操作復雜的軟件，如 Ansys HFSS，對于有一定基礎和經(jīng)驗的用戶來說，能夠充分發(fā)揮其強大的功能優(yōu)勢，但對于初學者可能會有一定的學習難度 。在項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，能夠在較短的時間內(nèi)完成仿真計算，如 Zeland IE3D 在處理某些特定結構時的計算速度較快，能夠滿足對時間要求較高的項目需求 。對于需要進行多物理場耦合分析的項目，如電子設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
在電磁設計的廣闊領域中，電磁仿真軟件已經(jīng)成為不可或缺的關鍵工具。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特的算法和功能，在不同的應用場景中展現(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。
