電磁波的方程組及與高速電子設(shè)計的關(guān)系

自從詹姆斯·克拉克·麥克斯韋 (James Clerk Maxwell) 在“電磁場的動力學(xué)理論”中向世界介紹麥克斯韋方程以來的 155 年里，出現(xiàn)了一些驚人的突破和洞察力。作為一名年輕的電氣工程專業(yè)學(xué)生，我們向我們介紹了描述電磁波的方程組，但通常很難想象和理解波的傳播以及它與高速電子設(shè)計的關(guān)系。正是在這一領(lǐng)域，Ansys HFSS 作為該行業(yè)的先驅(qū)脫穎而出。

自 HFSS 于 1990 年推出以來，它提供了一種獨特的電磁問題洞察力。在實驗室診斷設(shè)計問題需要測量組件和測試板上的時域波形或 S 參數(shù)。通常，對這些波形的觀察違背了對電磁現(xiàn)象的基本理解。從頻域 S 參數(shù)中的 TDR（時域反射計）“毛刺”或神秘的“吸出”來看，調(diào)試這些設(shè)計可能極具挑戰(zhàn)性。在像 HFSS 這樣的全波電磁求解器中對這些結(jié)構(gòu)的所有 3D 復(fù)雜性進行建?？梢苑浅？焖俚匕l(fā)現(xiàn)這些問題的根源。用真實世界的信號激發(fā)問題、觀察場在模型中傳播以及快速發(fā)現(xiàn)隱藏的不連續(xù)性或耦合機制的能力是非常寶貴的。

在電磁仿真的能力方面，HFSS 一直處于行業(yè)領(lǐng)先地位。工程師一直希望模擬更大、更復(fù)雜的設(shè)計。從 HFSS 早期的同軸轉(zhuǎn)波導(dǎo)適配器解決方案開始，設(shè)計人員一直在呼吁能夠包含更大的 3D 模型、更詳細的機械和電氣 CAD 以及更復(fù)雜的材料屬性。引入 HFSS 時，當(dāng)時復(fù)雜的同軸電纜至波導(dǎo)適配器需要大約 10,000 個矩陣元素和 10 個小時才能解決單個頻率點。今天，同一個模型在筆記本電腦上在 30 秒內(nèi)解決了整個頻段的問題。最初的全波 FEM 解決方案已經(jīng)從解決簡單的波導(dǎo)組件發(fā)展到整個微波系統(tǒng)、復(fù)雜的天線陣列和整個印刷電路板。

有許多算法創(chuàng)新導(dǎo)致用戶可以在當(dāng)今的 HFSS 中解決前所未有的規(guī)模問題。我們已經(jīng)解決了諸如多處理矩陣解決方案之類的問題，以將這些解決方案分布在數(shù)十個計算節(jié)點和數(shù)百個內(nèi)核中。HFSS 推出了第一個用于全波電磁學(xué)的商用域分解方法求解器，從而能夠?qū)Υ髥栴}的各個部分進行網(wǎng)格剖分和求解，然后將它們組合在一起以獲得完整的模型場解決方案。無論是創(chuàng)建、開發(fā)和商業(yè)化新的計算電磁算法，還是更有效地存儲信息，這些改進多年來都以指數(shù)方式提高了 HFSS 的速度和容量。

有些人會聲稱容量的增加主要是由于 HFSS 三十年歷史中的硬件創(chuàng)新。這些硬件改進由 Gordon Moore 于 1964 年描述，通俗地稱為摩爾定律，放大了這些算法的發(fā)展。自從首次引入 HFSS 以來，浮點運算的速度提高了近 500 倍。將 CPU 的原始時鐘速度改進與緩存和主存儲器的大小和速度增加相結(jié)合，可以在更短的時間內(nèi)執(zhí)行更大的模擬。

說工程師幾乎沒有耐心等待模擬并不過分。根據(jù)我的經(jīng)驗，最快樂的工程師應(yīng)該是能夠在舒適的客廳里用平板電腦在幾秒鐘內(nèi)解決整個復(fù)雜電磁系統(tǒng)的工程師。對于一些人來說，在家工作的現(xiàn)實最近已經(jīng)實現(xiàn)，但我們?nèi)匀粵]有達到能夠在幾秒鐘內(nèi)解決這些系統(tǒng)的地步。但是，使用 Ansys Cloud 和 HFSS，您可以通過手機或平板電腦舒適地訪問和監(jiān)控這些仿真。

審核編輯：郭婷