電磁波仿真的案例
通過仿真分析電磁表面波
人們對被限制在沿表面傳播的電磁波，例如表面等離激元(SPPs)，有很大的研究興趣，因為它在納米級光控制中有著潛在應用。在這篇文章中，我們將討論如何設置一個仿真來可視化表面等離激元的傳播以及頻率-波矢量色散關系。
表面等離激元簡介
電磁學的控制方程，也就是麥克斯韋方程組，可能看起來很簡單，但它們的含義卻極為廣泛和深刻。因此，傳播的電磁波可以以各種眾所周知的形式存在，如平面波、球面波、高斯波束，以及一些鮮為人知的形式，包括貝塞爾波束、艾里波束和渦旋波束。還有一些被限制在空間內傳播的電磁波，例如在金屬或介電波導中傳播的波導模式。
此外，還有一種特殊類型的被限制在平面上的電磁波。這種類型的波沿切向表面傳播，并在垂直方向上呈指數衰減。與相同頻率的自由空間波長相比，它的波長通常更小。因此，這種類型的波為光子的納米級控制和操作提供了一個潛在的技術平臺，從光通信和信息處理到太陽能收集和數字顯示，這在許多應用中都是需要的。這種類型的波是在金屬-介電界面上發現的，現在被稱為表面等離激元(SSP)。等離激元是指金屬中電荷的集體振蕩。自發現以來，人們已經了解到許多材料系統都支持這種類型的表面波，例如接近其聲子共振頻率的極性介電材料和接近其激子頻率的半導體材料。相應的表面波分別稱為表面聲子偏振子和表面激子偏振子。
無論支持的介質和微觀細節如何，不同類型的表面波背后的宏觀物理學是相似的。在下面的章節中，我們將重點討論介電和金屬界面之間的等離激元建模。然而，需要注意的是，本文所涉及的建模技術也可以通過一些適當的修改，以類似的方式應用在其他表面波，如 Sommerfeld-Zenneck 波和 Dyakonov 波。
最簡單的等離激元色散的推導
為了清楚地了解什么是表面等離激元，讓我們研究一下支持表面等離激元的最簡單的系統，即體金屬-介電界面。
展開 在電磁波仿真中定義材料屬性的 3 種方法
結合我們之前發布的關于模擬開放邊界條件及模擬端口的文章，我們已經基本掌握了電磁波模擬的所有相關基礎知識。
本文來自： COMSOL 博客
CST STUDIO SUITE 2023 三維全波電磁場仿真軟件及教程分享
電磁仿真已廣泛應用于有線與無線通信、衛星、雷達、半導體與微波集成電路、計算機、汽車、航空航天等等領域，從毫米波電路，射頻電路封裝設計驗證，到 PCB 板，天線設計等等。電磁仿真計算在民用與軍用領域的系統設計及仿真預測等方面都發揮著越來越重要的作用。
達索系統于 2016 年先后收購德國電磁軟件 CST，及英國電磁及多物理場仿真軟件 Opera。隨著技術不斷的發展，達索系統 SIMULIA 的電磁解決方案，結合CST 成熟平臺已形成了 EMC 仿真領域中算法多、有效、精準的三維全波段電磁場仿真工具，覆蓋靜場、簡諧場、瞬態場、微波毫米場、光波直到高能帶電粒子的全電磁場頻段的時域頻域全波段仿真解決方案。客戶遍布國內外通信、電子電器、航空航天、船舶、汽車、國防等各領域。
CST 是一種高性能 3D EM 分析軟件包，用于設計、分析和優化電磁 （EM）部件及系統。
適用于整個 EM 范圍內各類應用領域的電磁場解算器全部包含在 CST 的一個用戶界面中。解算器可以結合使用以執行混合仿真，使工程師可以更靈活地利用高效、直接的方法，對包含多種部件的整個系統進行分析。與其他 SIMULIA 產品的協同設計允許將 EM 仿真集成到設計流程中，并從最早期階段開始推動開發流程順利進行。
EM 分析的常見目標包括天線及濾波器的性能和效率、電機和發電機中的電磁兼容性及干擾 （EMC/EM）、人體 EM 磁場暴露、機電效應，以及高功率設備的熱效應。
CST STUDIO SUITE 應用領域包括：
1. 微波射頻與光學（如天線設計與布局、雷達等）；
2. 電子設計/電子技術（如PCB板，線纜、封裝、連接器等）；
3. EMC/EMI （如整車電磁兼容/電磁干擾等）；
4. 近場和低頻問題（如電機、傳感器等）；
5.
展開 如何使用HPC技術實現電磁場全波模型的瞬態仿真
當今的電子產品許多數字接口是共用的，在設計優化接口時，工程師需確保完整系統中的每個獨立接口可以實現與該接口單獨運行時相同的性能，因此設備對電磁抗擾要求越來越高。
現有物理方法可解決單獨接口的相互作用，但是目前最新的電子產品中通常包含許多不同的功能特性，因此幾乎不可能提前知道哪個功能特性有可能產生不利的相互作用。工程師們選擇使用仿真軟件可以在前期設計解決此類問題，有效避免了后期重新設計，延誤產品發布等事故發生。
如何確保電磁合規性標準
隨著無線通信信道（例如WiFi、藍牙等）的需求迅猛增加，供應商對數據傳輸速度以及封裝密度的要求日益提高，在這種條件下，需同時滿足電磁干擾/合規性標準（避免共存接口之間相互干擾）是非常有難度的。
在過去的設計中，通常是采用電磁仿真器提取單獨功能的S參數模型，以解決這些問題，這樣做的難度很高。這種方法的精確度有限，原因是S參數模型的激勵通常采用通用信號，因此全波仿真預測的電磁輻射可能與實際電路存在巨大偏差。
因此工程師通過采用基于ANSYS HFSS有限元模型電磁(EM)求解器的工作流程，建立相關結構模型并計算頻域中的EM場，從而解決了這個難題使其能充分結合全波頻域與電路仿真，進而在構建物理原型之前能夠滿足合規標準以及電磁共存的要求。
展開 
仿真案例｜三維電磁仿真的整合封裝和PCB電路板仿真
翻譯：上海安世亞太
前言
多年來，設計人員一直在仿真中考慮封裝寄生效應package parasitics 的影響，從使用簡單的一階模型（如理想電感+電阻）到更復雜的spice梯形網絡，最后到使用三維電磁仿真器充分提取封裝的s參數。對于封裝加PCB通道，目前最常用的方法是將封裝和電路板作為s參數或寬帶SPICE模型獨立地提取出來，并在電路仿真器中結合這兩種模型。但由于工作頻率高、信號速度快、集成器件復雜等因素，這種方法的局限性越來越大。
封裝與PCB（或封裝與電路）之間的耦合對性能有著不可忽視的影響。實現復雜封裝和PCB，或封裝和電路的仿真有幾個挑戰:電磁求解器的容量和精度，自動化，易用性，可接受的仿真時間。
PCB和封裝設計人員深知在更高層次的系統仿真中，提取其精確的設計模型是多么重要。采用三維全波電磁仿真和自動自適應網格劃分方案，可提供提取全波s參數模型所需的精度水平。然而，設計人員在嘗試使用三維電磁仿真來解決復雜的設計時面臨著一些挑戰，如圖1所示。電路板和封裝器件通常采用電子設計自動化（EDA）工具進行設計，需要引入到三維電磁仿真工具中。這些設計包括多個介質層、電源和接地層、信號層、大量過孔（與焊盤定義相關）和鍵合線。
第一個挑戰是從EDA工具中導入數據庫，但不包括應用于設計的手動修改，但要保留跟蹤、焊盤、焊線、網絡和引腳的數據庫信息。導入幾何體后，其他仿真模擬設置（例如，端口定義）需要易于使用，避免耗時的工程工作，并為非專業用戶提供可訪問性。最后，三維電磁仿真工具需要強大的網格、求解器和高性能計算功能，以將仿真時間縮短到可接受的水平，同時提供準確度。本文詳細介紹了一種用ANSYS?HFSS?3D Layout進行整合了封裝和PCB電路板的三維電磁仿真的新流程。
圖1.
展開 "波"與"力"的特殊關系，電磁波或是純粹的"力"！
聲波是高頻“力”的傳播或許不足為奇，但電磁波也有相似的傳播特征，這卻有重大的意義。
二、電磁波 (Electromagnetic wave)又稱電磁輻射、電子煙霧
1865年，James clerk maxwell 創立了經典電磁理論，并預言了電磁波的存在，且通過麥克斯韋方程計算出光速。1887年，赫茲用實驗證明了電磁波的存在。其后，電磁理論逐步完善。
電磁理論認為電磁波是變化電場周圍激發出磁場，變化磁場周圍再激發出電場,空間電場、磁場的相互激變使電磁波實現傳播。然而，進一步研究發現，磁場、電場的本質是“力”。
磁場的定義是，對放入其中的磁體有磁力作用的物質叫磁場。當一個磁針受力偏轉時，就可斷定周圍有磁場。反過來說，如果磁場對任何物質都不產生作用力，就不能稱為磁場，因此磁場的本質是磁力，“磁力”是磁場唯一標志。
同理，電場的本質是電荷對電荷的作用“力”，當電子在某一區域受到力時，就斷定周圍有電場。相反，如果電場中不產生任何力，也就不成為其電場，因此電場就是電荷力的作用場，“力”是電場的唯一標志。
磁場是“磁力”，電場是“電荷力”，那么，電場、磁場的相互激變，必然是電荷力與磁力的激變，因此，電磁波的傳播本質是傳播“電磁力”。
再從電磁波傳播的效果看，在電磁波接收器中，接收到的電磁信號本質是什么？其實是導體獲得微小高頻電流，而電流是電子的流動，但是電子只有受到電磁力作用才會移動，電磁力從何而來呢？是電磁波發射器傳送來的，因此電磁信號的傳遞就是傳遞“電磁力”。
電磁波的本質是傳播高頻的“電磁力”。這似乎難以讓人接受，但電磁波在客觀中的表現卻與此很吻合。
展開 9種電磁仿真軟件和方法，你會幾種？
3.4 XFDTD
是Remcom公司推出的基于時域有限差分法(FDTD)的三維全波電磁場仿真軟件。XFDTD用戶接口友好、計算準確;但XFDTD本身沒有優化功能， 須通過第三方軟件Engineous完成優化。該軟件最早用于仿真蜂窩電話，長于手機天線和SAR計算。現在廣泛用于無線、微波電路、雷達散射計算，化 學、光學、陸基警戒雷達和生物組織仿真。
3.5 Zeland IE3D
IE3D是一個基于矩量法的電磁場仿真工具，可以解決多層介質環境下的三維金屬結構的電流分布問題。
IE3D可分為MGRID、MODUA和 PATTERNVIEW三部分;MGRID為IE3D的前處理套件，功能有建立電路結構、設定基板與金屬材料的參數和設定模擬仿真參數;MOODUA是 IE3D的核心執行套件，可執行電磁場的模擬仿真計算、性能參數(Smith園圖，S參數等)計算和執行參數優化計算;PATTERNVIEW是IE3D 的后處理套件，可以將仿真計算結果，電磁場的分布以等高線或向量場的形式顯示出來。
IE3D仿真結果包括S、Y、Z參數，VWSR，RLC等效電路，電流 分布，近場分布和輻射方向圖，方向性，效率和RCS等;應用范圍主要是在微波射頻電路、多層印刷電路板、平面微帶天線設計的分析與設計。
3.6 Sonnet
是一種基于矩量法的電磁仿真軟件，提供面向3D平面高頻電路設計系統以及在微波、毫米波領域和電磁兼容/電磁干擾設計的EDA工具。SonnetTM應用于平面高頻電磁場分析，頻率從1MHz到幾千GHz。
展開 分享：電磁仿真的3種主要技術和4種典型應用
使用 PathWave ADS 對印刷電路板上的焊接凸點進行完整的 3D 電磁分析
電磁仿真應用 3 - 低溫共燒陶瓷模塊
低溫共燒陶瓷（LTCC）模塊是無線和汽車應用中的一個成熟解決方案。LTCC 模塊在尺寸、成本和上市時間等方面具有優勢。由于它們可以將電容器、電阻器和 電感器集成在一小片區域內，因此 RFIC 可以輕松地安裝在此模塊上。其導體路 徑通常由金或銀材質制成，具有出色的物理和電氣特性，同時生產成本更低。另外，LTCC 產品的體積較小，通常不到 5 x 5 mm，并具有較高的介電常數。
LTCC 產品通常在印刷電路板上組裝和測量
設計挑戰
盡管 LTCC 模塊具有諸多優勢，但它同時也為無線器件設計人員帶來了一些設計挑戰。多個大型結構可能會產生寄生耦合。它們的幾何結構十分復雜，而且包含許多密集疊加的層，這就要求設計人員必須采用先進的設計解決方案：靈活且可自定義的 版圖編輯器，以及能夠對復雜的 3D 幾何結構進行建模的仿真技術組合。
LTCC 模塊設計通常同時需要 3D 平面和 3D 全波電磁求解程序。借助 3D 平面求解程序，設計人員可以快速獲得精確的電磁仿真結果，以及任意無源電磁建模功能。盡管它足以滿足大多數 LTCC 應用的需求，但有些情況下還需要使用全波 3D 電磁仿真。
在 PathWave ADS 上進行 3D 電磁仿真的基板堆疊定義和 3D 視圖
解決方案
使用 3D 電磁仿真軟件精確仿真 LTCC 模塊。矩量法（MoM）求解程序為這些復雜的設計提供了理想的解決方案，因為它只將有電流流動的金屬表面考慮在內。為了獲得最佳精度，設計人員最好使用 3D 全波 FDTD 電磁仿真。
展開 CST—EMC（電磁兼容）仿真及分析工具
背景概述
隨著汽車電子的發展特別是新能源互聯網汽車的興起，整車的EMC環境越來越惡劣，傳統的EMC設計面臨著設計階段盲目性強、調試測試階段工作量大、整改階段重復性高等諸多挑戰，需要通過EMC仿真來解決上述問題。EMC仿真貫穿產品開發全周期，從PCB的電源完整性和信號完整性分析，到線纜線束的串擾及輻射情況，再到機箱機殼的屏蔽性能效果，以及整車的EMC測試等，都可以使用EMC仿真來幫助分析。通過仿真結果能夠對設計需求進行驗證，為EMC實測結果提供參考，從而盡早發現潛在的電磁兼容問題、提出更優的解決方案、縮短整改產品的開發周期、節省成本。
軟件介紹
CST全稱為Computer Simulation Technology，具備完備的3D全波電磁場仿真技術。CST Studio Suite（CST工作室套裝）是CST的核心產品，是目前市場上準確、高效的3D EM仿真工具之一，包括CST微波工作室、CST設計工作室、CST印制電路板工作室、CST電纜工作室、CST電磁工作室、CST粒子工作室及CST多物理場工作室共7個子軟件，能滿足用戶從芯片級到系統級的設計需求。
CST微波工作室
用于高頻器件的快速、準確3D仿真工具。適用于整個電磁波和光波波段的電磁仿真，可仿真大部分結構、材料下的S參數、輻射和散射問題。
CST設計工作室
通用的路仿真工具。支持基于模型或電路元件的各種類型，可進行時域非線性電路和頻域路仿真，支持三維電磁場和電路的場路協同仿真，支持參數化SPICE、TOUCHSTONE、IBIS模型導入。
展開 ANSYS電磁仿真工具HFSS、SIwave和Q3D的區別詳解
求解原理
HFSS是3D全波電磁場仿真工具，基于有限元理論，對全波Maxwell方程組聯合求解，理論上計算結果的準確度不受限于頻率，仿真的時間步長，但是占用的計算機資源多；Q3D是準靜態的2D\3D電磁場仿真工具，對電壓和電流建立電路方程組求解，因此仿真的速度快，但是因為采用的是電路理論，因此只在一定的頻率范圍內是準確的，這個范圍通常是要求結構尺寸小于求解波長的十分之一，通常建議適用的頻率上限是5Gbps；SIwave是2.5D的電磁場仿真工具，它假設PCB在層疊Z方向上的電磁場是均勻分布的，因此求解的是對Z方向分量進行簡化后的Maxwell方程組，要求Z方向上的結構不能有變化，因此也只在一定的頻率范圍內是準確的，通常要求分析對象必須擁有完整的參考平面，通常建議適用的頻率上限也是5Gbps。
仿真算法
HFSS采用核心算法是FEM、IE和DGTD，在新的版本里面還加入了MLFMM、FETD等算法，不但能夠求解頻域問題，還能求解時域問題，此外，除了傳統的電小尺寸求解，現在電大尺寸求解能力也有極大的提升；Q3D采用的主要是FEM、MOM和FMM方法，在新的Q3D里面還新增了PEEC（部分元件等效電路）的算法，能夠分析各種三維互連結構的寄生電路；SIwave則采用了FEM和MOM的混合算法，針對TRACE這種結構采用的是MOM算法，Plane采用的是FEM，在求解效率上相比HFSS有明顯的提升。
展開 如何學好電磁仿真技術？ 附電磁學仿真下載
電和磁是不分家的，有電的地方就有磁，所以電磁技術在電氣設備當中得到了廣泛的應用。
1、電氣設備的絕緣分析是電氣柜的必要仿真之一，換言之，就是在設備當中是否發生閃電（電弧擊穿），那么仿真軟件就可以根據離散化的空間單元來計算電場強度，進而判斷其場強是否大于空氣的擊穿場強，后期進行必要的產品設計更改。這是電磁軟件的電場應用。
2、考慮磁場應用就更多了，高頻的電磁波這里不做考慮，那么低頻的應用包括考慮熱效應的有電磁爐、電磁感應淬火、電氣設備功率損耗、電纜功率損耗等
3、考慮電磁受力的有電磁炮、電磁鐵、斷路器的電磁脫扣器，電氣柜的電動力
4、考慮電磁場效果的的有變壓器、金屬檢測儀器、無線充電技術、磁懸浮等技術
電磁仿真技術學習經驗分享
以上講了電磁的常規應用，下面我說一下個人的對于電磁仿真技術的學習經驗。供大家參考，有興趣的可以深入研究
1、話說干一行愛一行，首先你得喜歡仿真分析這門玄學。更要對其充滿好奇心，要多想想你能從中得到什么，沒有興趣，那么就果斷放棄吧，此處不開花，總有你綻放的地方
2、有了興趣那么你就要開始深入研究。如果你對《周易的》乾坤八卦不了解（乾代表天，坤代表地，巽（xùn）代表風，震代表雷，坎代表水，離代表火，艮（gèn）代表山，兌代表澤），那么你對五行-金、木、水、火、土，至少要有個概念，換言之，你對Maxwell方程組不了解，那么對其衍生的電磁學知識有個初步的感性認識，其理論知識至少要達到一定高度（初中物理中的電磁知識即可）。
原理其實很簡單，結合個人經驗，你需要知道三點知識即可
（1）明白無論直流還是交流，只要有電流就會產生磁場，了解其磁場方向（右手定則），方向看看指南針即可
（2）明白電流在磁場中受力方向（左手定則）。
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電磁波時域有限差分方法
電磁波時域有限差分方法 /葛德彪, 閆玉波 .--西安 :西安電子科技大學出版社 ,2002
246頁, [4] 頁圖版 :圖 (部分彩圖) ;26cm .--(研究生系列教材 ),圖 (部分彩圖) ;圖 (部分彩圖)
西安電子科技大學研究生教材建設基金資助
ISBN:7-5606-1059-5 :CNY20.00
本書共有11章, 討論FDTD基本原理, 介紹Yee元胞及FDTD基本方程, 數值穩定性, 吸收邊界條件, 常用入射波形式及其引進方法等。
Ⅱ.①葛德彪 閆玉波 Ⅲ.①電磁波 Ⅳ.①O441.4 /22
展開 西工大《CEJ》：新一代穩定、輕質、高效電磁波吸收材料！
消除電磁污染、保護人體健康和設備完整性是幾十年來民用吸波材料的發展目標。然而，隨著通信設備的發展，廣泛用于傳輸信息的電磁波強度逐漸增加，頻率范圍逐漸擴大(從兆赫到千兆赫)，使得傳統的吸收材料難以滿足復雜電磁污染的消除要求。新一代高效吸收材料對候選材料提出了四大要求：涂層厚度更薄、重量更輕、吸收范圍更廣、吸收能力更強。對社會來說，這是發展的必然要求，對科研人員來說，這是新一輪的挑戰。
近日，西北工業大學Di Lan等人采用水熱法合成了新型硅酸鈷包覆的雙層中空玻璃微球（HGMs），并對其進行了煅燒。通過對樣品的物相、形貌和電磁波吸收特性的詳細表征，發現磁損耗成分Co2SiO4和介電損耗成分中空玻璃微球
HGMs
的結合在電磁波的引入和耗散中起著重要作用。在討論部分，作者重點比較了復合材料和單組分材料，并詳細說明了新型復合材料結構對材料穩定性和電磁波吸收性能的影響。當匹配厚度(d)為2.9毫米時，HGMs@Co2SiO4的最小反射損耗(RLmin)達到 -46.7分貝，相應的有效吸收帶寬(RL < 10分貝)為5.92 GHz。這種新型雙殼HGMs@ Co2SiO4將成為新一代穩定、輕質、高效電磁波吸收材料的優秀候選材料。這項研究工作以“Double-shellhollow glass microspheres@Co2SiO4 for lightweight andefficient electromagnetic wave absorption”為題發表在國際著名期刊《Chemical Engineering Journal》上。
展開 [VirtualLab] 平面電磁波散射中麥克斯韋方程組的米氏解
摘要
平面波對于任意半徑和折射率的球形粒子的吸收和散射問題，米氏解是嚴格的麥克斯韋求解器。其得到的散射效應十分依賴于粒子的大小。根據其特性，散射可以分為瑞利散射、米氏散射和幾何光學散射。VirtualLab Fusion中包含了完整的米氏解。該案例研究了不同半徑的球形粒子散射。
模擬任務
散射分類
非吸收球形的散射（摻雜硅）
吸收球形的散射（金）
在VirtualLab Fusion中查看
VirtualLab Fusion技術
文件信息
《電磁波時域有限差分方法（第二版）》
【目錄】
第一章 引言
1.1 FDTD的發展及應用
1.1.1 對FDTD的簡單回顧
1.1.2 FDTD的應用
1.2 FDTD基本點及FDTD計算區
1.3 本書目的和內容
參考文獻
第二章 麥克斯韋方程及其FDTD形式
2.1 麥克斯韋方程和Yee元胞
2.2 直角坐標中的FDTD：三維情形
2.3 直角坐標中的FDTD：二維情形
2.4 直角坐標中的FDTD：一維情形
2.5 介質界面電磁參數選取
參考文獻
第三章 數值穩定性
3.1 時間離散間隔的穩定性要求
3.2 Courant穩定性條件
3.3 數值色散對空間離散間隔的要求
3.4 差分近似后的各向異性特性
參考文獻
第四章 吸收邊界條件
4.1 Engquist Majda吸收邊界條件
4.2 一階和二階近似吸收邊界
4.2.1 一階近似吸收邊界條件
4.2.2 二階近似吸收邊界條件
4.3 二維Mur吸收邊界條件的FDTD形式
4.4 二維角點的處理
4.5 三維吸收邊界條件及其FDTD形式
4.6 棱邊及角頂點的特殊考慮
4.7 Berenger完全匹配層
4.7.1 PML介質中的波方程
4.7.2 平面波在PML中的傳播特性
4.7.3 平面波在PML/PML介質分界面的傳播
4.7.4 介質層設置
4.7.5 指數差分
4.7.6 點源輻射的檢驗
4.7.7 三維情形PML介質中的波方程
4.8 各向異性介質完全匹配層
4.8.1 平面波入射到單軸介質時的反射和透射波
4.8.2 無反射條件
4.8.3 PML中的FDTD計算步驟
4.8.4 PML的設置
參考文獻
第五章 FDTD中常用激勵源
……
第六章 近—遠場外推
第七章 網格剖分技術
第八章 FDTD計算平面界面時的電磁波傳播
第九章 FDTD計算電磁散射
第十章 FDTD計算天線輻射
第十一章 FDTD的若干進展
附錄一 傅立葉變換及離散傅立葉變換
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