典型商业电磁全波仿真软件介绍

随着计算电磁学在工程应用领域影响力的不断加深以及相关理论的不断成熟，各种集成的商用电磁分析软件越来越多。这些专业的电磁分析软件大多集成了建模、数值分析以及结果显示等相关功能模块，使得操作者可以更加方便、直观地进行天线设计、目标电磁特性分析等以往对专业性要求比较高的工作，大大降低了计算电磁学的研究门槛。有学者曾对市场上现有的各种电磁分析软件作过总结，根据其采用的主要算法给出了如下的简单分类[参考来源：射频百花潭. 各种计算电磁学方法比较和仿真软件. https://mp.weixin.qq. com ]：
（1）以矩量法为主的微波软件有FEKO，ADS，Ansys Designer，Zeland IE3D， Sonnet，Microwave Office,，Ansys Esemble，Super NEC；
（2）以有限元法为主的微波软件有HFSS和ANSYS；
（3）以时域有限差分法为主的微波软件有EMPIRE和XFDTD；
（4）以有限积分法为主的微波软件有CST Microwave Studio。
需要指出的是，上述的分类并非是固定的，随着各种电磁分析软件开发商的不断更新维护，现有的电磁分析软件往往不局限于一种算法，正向着多种算法相结合的趋势发展。出于文章篇幅考虑，本文不再准备对上述介绍的各种软件作进一步介绍，只针对目前行业内比较主流的三款软件（FEKO，HFSS，CST）展开简单介绍。
1.2.1.1 FEKO

图1.1 FEKO软件操作界面截图
FEKO是EMSS公司旗下的一款强大的三维全波电磁仿真软件，是世界上第一个把矩量法推向市场的商业软件[ ]。FEKO的名称来源于德语Feldberechnung bei Korpern mit beliebiger Oberflache（任意复杂电磁场计算）首字母的缩写。
FEKO从严格的电磁积分方程出发，以矩量法为主要的数值求解方法，可应用于目标雷达散射截面（Radar Cross Section, RCS）计算、天线辐射特性分析、电子系统电磁兼容性分析等电磁场类问题的计算和分析。此外，该软件还结合了多层快速多级子算法（Multi-level Fast Multipole Method, MLFMM）以及经典的高频分析方法，如物理光学法（Physical Optics, PO）、一致性绕射理论（Uniform Theory of Diffraction, UTD）等，故而该软件具备电大尺寸目标的分析能力。由于FEKO主要基于严格的积分方程，在分析开域问题（辐射/散射）时不需要建立吸收边界条件，不会引起数值色散误差，在分析电大尺寸问题时不会因目标尺寸的增加而增大数值误差。另外，5.0版本以后的FEKO软件还引入了有限元法，能够更加精确地处理非均匀电介质的相关问题。
对于电小尺寸目标，FEKO通常采用完全的矩量法进行分析，以保证较高的计算精度；对于同时具备电小尺寸与电大尺寸的混合结构目标，FEKO既可以采用多层快速多极子法直接求解，又可以将问题进行分解，利用矩量法或多层快速多级子分析电小结构部分，用高频方法分析电大结构部分，以实现高精度和高效率的完美结合。采用以上的处理思路，FEKO可以针对不同的问题选取不同的处理方法来进行快速精确的仿真分析，使得应用更加灵活，适用范围更广泛，突破了单一数值计算方法只能局限于某一类电磁问题的限制。
FEKO具有友好的输入输出接口以及良好的兼容性，能够给用户提供直观、形象的目标三维模型以及目标的二维、三维电磁特性分布。其建模功能模块提供了各种基本几何模型的直接创建方法，支持模型几何尺寸的全参数化输入，还支持多种布尔操作以及拉伸、旋转、扭曲、螺旋等操作，几乎可以满足任意结构、任意媒质类型模型的构建需求。并且，FEKO软件还支持目前几乎所有主流CAD软件创建的模型导入，大大简化了三维复杂模型的构建难度。此外，FEKO支持工程应用中多种常用激励源的设置，如电流源、电压源、平面波等，能够满足不同激励条件下的电磁问题分析需求。FEKO的数据处理模块能够计算几乎所有工程问题中关心的物理量，如辐射方向图、驻波特性、输入阻抗、雷达散射截面、场分布、电流电荷分布等，并可以以二维、三维、动画、图表及文件等直观、灵活的方式输出。
1.2.1.2 HFSS

图1.2 HFSS软件操作界面截图
HFSS是美国Ansoft公司推出的世界上第一款商业化三维结构全波电磁仿真软件，其名称来源于英文High Frequency Structure Simulator的缩写，目前已被Ansys公司收购。HFSS软件以有限元法为主要内核，采用成熟稳定的自适应网格剖分技术，计算结果准确可靠，是当前业界公认的三维电磁场设计和分析的电子设计工业标准[ ]。HFSS软件提供了简洁直观的用户设计接口、精确的场仿真器以及功能强大的分析处理器，能够计算任意形状三维无源/有源结构的散射参数和全波电磁场，其标准的Windows图形用户界面和自动化设计流程使得用户能够快速上手，易学易用。利用HFSS分析电磁问题时，用户只需创建或导入设计模型，指定模型的材料属性，正确设定模型的边界条件和激励方式，合理定义模型的求解参数，软件就可以自动输出用户需要的分析设计结果，具体包括天线的增益和辐射方向图、目标的端口阻抗以及驻波特性、目标在空间产生的电磁场分布等。
经过技术的不断发展，HFSS软件目前被广泛用于航空航天、电子通信、半导体以及计算机等领域，极大地降低了电子系统的开发设计成本，缩短了开发设计周期，是当前电子系统以及天线设计最受欢迎的软件之一。当前，HFSS主要的应用场景具体包括如下8个方面：射频和微波无源器件仿真设计、天线及天线阵列仿真设计、高速数字信号完整性分析、电磁兼容和电磁干扰效应分析、电真空器件（如行波管、速调管、回旋管等）设计、目标电磁特性分析及RCS计算、人体对电磁波的比吸收率计算、光电器件仿真设计。此外，由Ansys HFSS和Ansys Designer构成的Ansys高频解决方案，是目前唯一以物理原型为基础的高频设计解决方案，提供了从系统到电路直至部件级的快速而精确的设计手段，覆盖了高频设计的所有环节。
1.2.1.3 CST

图1.3 CST软件操作界面截图
CST是德国Computer Simulation Technology公司推出的高频三维电磁仿真与分析设计软件，广泛应用于天线设计、目标电磁散射特性计算和电磁兼容特性分析等领域。CST仿真软件包含的主要产品有：CST微波工作室、CST设计工作室、CST电磁工作室以及马飞亚（MAFIA）。这里主要介绍“CST微波工作室”，它是一款无源微波器件和天线的仿真软件，可以仿真耦合器、滤波器、环流器、隔离器、谐振腔、平面结构、连接器、电磁兼容、IC封装、各类天线以及天线阵列，能够给出S参数、天线方向图、增益等结果。CST微波工作室是专门用于高频领域电磁分析和设计的软件。该软件包含了四种不同的仿真技术：瞬态求解器、频域求解器、本征模求解器、模式分析求解器，分别对应于它们的特定应用领域。
（1）瞬态求解器。CST微波工作室使用的瞬态求解器能通过仅仅一次计算得到仿真器件在整个宽频带上的响应（与之对应的是许多其他仿真器中用的扫频法）。该求解器对大部分高频应用领域都十分有效，如连接器、传输线、滤波器、天线等等。
（2）频域求解器。频域求解器主要用于求解低频问题，因为此时仿真器件的结构尺寸远远小于最小波长，效率很低，在这些情况下最好是使用频域求解器。
（3）本征模求解器。在滤波器的设计中常常需要对滤波器中的操作模式进行直接的计算。对这些情况，CST微波工作室提供了本征模求解器，能有效求解无耗电磁器件的有限个模式解。
（4）模式分析求解器。模式分析求解器主要与本征模求解器相结合使用，在滤波器中的模式被计算出来以后，模式分析器就能迅速求解滤波器中S参数。