常用计算电磁学算法特性与电磁软件分析

常用计算电磁学算法特性与电磁软件分析

参考网站：
计算电磁学三大数值算法FDTD、FEM、MOM
ADS、HFSS、CST 优缺点和应用范围详细教程

## 基于时域有限差分法的FDTD的计算电磁学算法（含Matlab代码）-框架介绍
参考书籍：The finite-difference time-domain method for electromagnetics with MATLAB simulations（国内翻译版本：MATLAB模拟的电磁学时域有限差分法）
代码推荐：The finite-difference time-domain method for electromagnetics with MATLAB simulations的附件代码

1、计算电磁学算法与软件

1.1 经典计算电磁学算法

电磁模拟有三种主要的数值方法: FDTD, FEM和MOM，每种方法都最适合特定的情况，各有优缺点。

1. FDTD算法：采用差分直接离散时域Maxwell方程，电磁场的求解基于时间步的迭代，无需存储全空间的电磁场信息，内存消耗较小，同时采用立方体网格和差分算法，网格形式和算法均十分简单，计算速度快，基于时域算法，特别适合“宽带问题”的求解。但是，简单的立方体方体网格带来的弊端就是模型拟合精度较低，对于含有精细结构的模型，计算精度较低，同时基于“微分方程”，计算区域需要设置截断。
   总结：FDTD比较适合于不含有较多精细结构的电大尺寸模型的电性能计算以及宽带问题的计算；
2. FEM算法：采用四面体网格对目标进行离散，拟合精度比FDTD算法更高，计算精度也要明显优于FDTD算法。但是，FEM基于频域/微分算法，需要同时对整个区域内的电磁场信息进行求解和存储，内存消耗大，计算速度慢，计算模型的电尺寸也相对较小。
   总结：FEM主要适合于微波电路器件，天线等目标“辐射问题”的精确计算；
3. MoM算法：通过“场-源关系”，将“场”的求解问题转化为“源”求解问题，采用的基函数“格林函数”天然满足辐射条件，无需设置截断，计算精度高，同时矩阵的计算采用直接计算，不存在收敛性的问题，同时由于网格的剖分仅存在于目标体表面或内部，未知量数目大幅降低，矩阵规模小于FDTD和FEM，但是由于“源”之间均存在耦合，因此矩阵为“稠密”矩阵，计算复杂度大，计算速度慢。
   总结：MoM主要适合于含有精细结构的电小尺寸目标“散射问题”的精确计算；

1.2 经典电磁软件

常用电磁软件使用的电磁算法：
CST：CST是基于FDID（有限积分法，与FDTD同属于时域方法）电磁场求解算法的仿真器，适合仿真宽带频谱结果，因为只需要输入一个时域脉冲就可以覆盖宽频带。

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ADS：ADS内含矩量法（2.5D），是一种对第三维度进行简化的电磁场仿真器。对于电路多层板，如PCB，陶瓷等电路板，常见无源电路，如滤波器等结构，仿真速度极快，同时保证和HFSS相同的精度。因此作为板级和IC级电路设计 师，ADS momentum是最好的仿真工具，其效率远炒股HFSS和CST。ADS现在也支持FEM算法了。

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HFSS：HFSS是基于FEM（有限元法）电磁场求解算法的仿真器，适合仿真三维复杂结果，但是电长度较小，物体大一点仿真比较慢。

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AWR AXIEM：这个也是用的矩量法，电路设计分析起来杠杠的。

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Sonnet：employs a rigorous Method-of-Moments（矩量法） EM analysis based on Maxwell’s equations that includes all parasitic, cross-coupling, enclosure and package resonance effects

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Remcom XFdtd：这个看名字就知道是FDTD

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EMPro：EMPro配有 FDTD（有限差分时域）和FEM（有限元分析）全 3D 电磁仿真引擎，可以精确分析从小至 1 mm 的110 GHz连接器到整个战斗机机身的 3D 物理设计。