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老貓核心內(nèi)參（一）：高頻仿真技能修煉紀要分享（上）

4. 高頻仿真軟件

術(shù)業(yè)有專攻，在自己的工作能力圈內(nèi)，所知所能，總是有限的。所以，對知識體系的了解，對相互之間關(guān)系的理解，往往會成為一個工程師成長路上的重要課題。

一葉障目，不見泰山，沉浸于自己的一畝三分地不能自拔，也可能成為解決問題路上的絆腳石。

這一節(jié)，重點就是盡我所能，把高頻仿真有關(guān)的軟件門類，以及有關(guān)的要點，分享一二，希望幫助到入門的伙伴們，建立一個整體的框架，有一個基本的了解。

4.1 電路與系統(tǒng)軟件

不管怎樣的一個系統(tǒng)，都是為了某一個特定功能 / 目的的實現(xiàn)而存在的。高頻系統(tǒng)也不例外，發(fā)射機 / 接收機、天線、射頻微波毫米波太赫茲，都是為了發(fā)射、傳播、接收不同頻段 / 不同應(yīng)用的電磁波的系統(tǒng)。高頻電路和系統(tǒng)，就是從總體的角度，對系統(tǒng)進行規(guī)劃，設(shè)計，分工，實現(xiàn)，整合，優(yōu)化的系統(tǒng)工程。

這方面，對輔助軟件的依賴是非常高的，主要用到的幾個軟件包括：

Keysight 公司的 ADS 軟件

AWR 公司的 Microwave Office 軟件，現(xiàn)在已經(jīng)被其他公司收購

Ansys 公司的 Circuit 軟件，前身是 Ansoft Designer 軟件

這個方面的學習挑戰(zhàn)，最主要的是對高頻系統(tǒng)架構(gòu)和原理的理解，以及對軟件的功能熟悉程度。仿真軟件，是實現(xiàn)工程師設(shè)計和驗證想法的手段和工具，軟件一般都帶有完整的電路和系統(tǒng)案例，幫助熟悉軟件使用環(huán)境、流程和有關(guān)功能。

最重要的可能包括以下幾個方面：

系統(tǒng)架構(gòu)（雷達系統(tǒng)，5G 系統(tǒng)）

電路原理與設(shè)計實現(xiàn)

電路布板（Layout）

與三維結(jié)構(gòu)部件協(xié)同設(shè)計與仿真驗證

有源電路設(shè)計與仿真

射頻系統(tǒng)之間的干擾仿真

為了讓大家對以上幾個方面的內(nèi)容有較為明確的對標印象，還是以本人最熟悉的 Ansys 平臺軟件為例來說明其對應(yīng)關(guān)系。

近年來，Ansys 在電路和系統(tǒng)仿真軟件方面做了非常大的改變，現(xiàn)在的軟件模塊叫做 Ansys Circuit，包括以前的 RF option 及 SI Option 的功能，也就是 Ansoft Designer 對應(yīng)的主要功能。當然，版本的更新，功能的改進和算法的提速，都是少不了的。

其系統(tǒng)仿真，電路原理和設(shè)計，有源電路仿真，都是 Circuit 的基本功能。布板設(shè)計則是轉(zhuǎn)換到 layout 界面進行，對應(yīng)到軟件是 HFSS 3D Layout。與三維結(jié)構(gòu)部件協(xié)同，則是對應(yīng)到 HFSS 軟件，也就是 Ansys 一直不遺余力在推廣的場路協(xié)同功能。而射頻干擾仿真，對應(yīng)的則是 EMIT 模塊，現(xiàn)在也集成在 Circuit 模塊中。

其實，大家在對仿真軟件的理解，不要拘泥于軟件廠商的模塊設(shè)置。我們要做的，就是梳理清楚自己的需求，有哪些功能是工作中需要用到的，然后挨著對比，是不是能滿足，而不需要按照廠商的模塊，五花八門的去跟進和研究。因為，我們終究無法像他們的應(yīng)用工程師那樣，對產(chǎn)品了解那么深入和全面，也沒有必要。

4.2 電磁場仿真軟件

場和路，是理解電子世界的兩個不同的角度。

場和路是相互關(guān)聯(lián)，相互轉(zhuǎn)化的。高頻電磁場，一直都公認為最難學的學科之一，原因就是需要面對復雜的麥克斯韋方程組以及不同的復雜邊界條件?，F(xiàn)在，在強大而成熟的計算機輔助軟件的幫助下，我們可以非常方便，非常直觀的查看三維電磁場的分布，傳播，變化規(guī)律，這是非常幸福的事情。

場的問題，最終都是麥克斯韋方程組的事情，所以，仿真軟件也就是為了求解麥氏方程。這里會涉及到非常復雜的數(shù)值求解，也就是用計算機的方法，將物理問題，轉(zhuǎn)變成數(shù)值層面可以求解的矩陣問題，最好得到我們需要的物理問題的解。

算法復雜，甚至已經(jīng)成為一個專門的子學科：計算電磁學。但我們作為應(yīng)用者，對算法雖然不必像研究學者一樣深入的理解，但也是需要有一些基本的了解的，這樣便于軟件的使用和方法的選擇及理解。畢竟，知其然而知其所以然，是我們需要達到的境界。

算法按照其理論出發(fā)點和基礎(chǔ)的不同，可簡單分為頻域算法，時域算法，高頻算法，以及混合算法四大類。后續(xù)會專門整理有關(guān)算法的部分，幫大家簡單理解算法的邏輯及其適用性，這里不過多解釋。

電磁場仿真軟件的學習中，要快速的達到入門和熟練使用的層次，最需要關(guān)注的主要以下方面的問題：

軟件的基本使用流程

邊界條件與激勵形式

界面與操作

后處理

模型要求與模型處理

高性能計算技術(shù)，原理，效果，設(shè)置

優(yōu)化技術(shù)

效率提升方向和技能

值得一提的是，因為電磁場的頻率不同，其傳播特性和問題特定截然不同，因此，在問題的仿真求解上，也衍生出不同的技術(shù)路徑。我們常說的高頻電磁場，就是指其對時間變化的影響，必須考慮在內(nèi)的時諧波，其算法處理是最難的。而對于靜態(tài)問題，以及準靜態(tài)問題，其處理思路和方法有非常大的區(qū)別。

還是拿 Ansys 的軟件來舉例說明，HFSS 就是高頻電磁場里面最核心的通用電磁場仿真軟件。而準靜態(tài)仿真軟件，則主要是指 Q3D 軟件。當然，對于層疊結(jié)構(gòu)，HFSS 有 3D layout 界面形式，還有 SIwave 作為 PCB 工具。這些工具，都屬于場求解器的范疇，只是其特點和應(yīng)用有所不同。

4.3 高性能計算

這是一個計算的時代，計算能力直接標志著一個國家的高科技實力。

仿真軟件，對 HPC 的依賴可以說是與生俱來，軟件和硬件的相互依賴又相互促進的關(guān)系，一直都沒有改變。我們解決工程問題，也離不開二者的配合。好鋼用在刀刃上，將每一分資源都用到合適的地方，用盡系統(tǒng)的每一分潛力，也是一個工程師實力和能力的代表。

這方面的建議主要包括兩點：

對原理的熟悉和理解，比如 DDM 到底是什么意思？

為什么可以節(jié)省資源？

對資源的合理配置和選擇，比如多機計算時，到底是少節(jié)點數(shù)大內(nèi)存配置好，還是多節(jié)點中等內(nèi)存更好？

在同樣的資源配置下，能算更大的問題，更復雜的問題，能更快的完成任務(wù)，對實際工程問題的價值不可低估，這也是作為工程師的核心價值的一部分。

5 可利用的資源

5.1 高校課程

這個應(yīng)該是科班出身的標配了，都不是問題。如果您剛好不是科班，當然也還有機會。惡補基礎(chǔ)課。

現(xiàn)在有不少很好的平臺，可以提供深入淺出的課程學習，比如這個網(wǎng)站：https://www.icourse163.org/ ，感興趣的可以點進去看看咯。

5.2 教材與書籍

課程學習漫長，學習起來時間成本還是挺高的，實在等不及，當然可以按照自己的節(jié)奏來。那就是選擇教材和書籍自學。可根據(jù)自己工作有關(guān)的領(lǐng)域，選擇相關(guān)性強的材料，盡快節(jié)省系統(tǒng)性學習的難度，縮短學習周期。

主要有以下幾個方向：

天線

微波

鐵氧體器件

濾波器

雷達

仿真類教材

仿真類案例

5.3 專業(yè)培訓

仿真知識是與仿真軟件密不可分的，對軟件有關(guān)的知識積累和入門，接受官方專業(yè)培訓或者第三方高質(zhì)量的培訓服務(wù)是一個非常便捷而高效的選擇。這種培訓，已經(jīng)會聚焦在快速入門和特定領(lǐng)域的應(yīng)用上，針對性很強，也可以與講師互動，學習效果相比自學要好很多，也高效得多。

這里面，官方的培訓教材，好的培訓教材，也是非常重要的學習資料。

此外，行業(yè)內(nèi)，也有很多相關(guān)的專業(yè)培訓，這個不一定與仿真軟件之間對應(yīng)，卻是非常好的背景補充方式。比如相控陣設(shè)計，濾波器設(shè)計，高強度脈沖防護等等。

5.4 論壇和網(wǎng)絡(luò)

因特網(wǎng)帶領(lǐng)我們走進了一個全新的時代，而移動互聯(lián)網(wǎng)的蓬勃發(fā)展，讓我們真正見識到顛覆性的變化。

現(xiàn)在，我們有太多的網(wǎng)絡(luò)渠道去了解，去學習，去跟進最新的知識和動態(tài)，可以說，只要你想學，想要什么都能找到。

主要可以分為兩個渠道，一個是傳統(tǒng)渠道，一個是新興渠道。這兩個分別是：

網(wǎng)絡(luò)論壇（微波射頻網(wǎng)，微波仿真論壇，于非網(wǎng)等）

微信，B 站，知乎等新渠道

這里值得細說一下的是新渠道，數(shù)不勝數(shù)?？蛇x擇多了，也是一個問題，選擇成本太高。Less is more，就列幾個本人覺的不錯的號吧，作為參考。

鮮棗課堂

老貓電磁館

射頻百花潭

微波仿真論壇

微波射頻網(wǎng)

各仿真軟件官微（Ansys，Altair，Comsol 等）

5.5 行業(yè)會議

這應(yīng)該算是一種非常老派的交流方式了，歷史最悠久，風格最正規(guī)，內(nèi)容最嚴肅?？梢躁P(guān)注些重要的學術(shù)年會，以下幾個是最核心的幾個會議，可以提前關(guān)注一下：

天線年會

微波年會

APS

IME

EDIcon

其他

不管白貓黑貓，抓到老鼠就是好貓。

是的，條條大道通羅馬，問題是你要先邁開第一步，積圭步而致千里。

還可以向同行請教，聽同事分享，向師傅學習。

到這里，高頻仿真技能修煉有關(guān)的內(nèi)容就結(jié)束了。

管中窺豹，略見一斑，供大家伙初略做個參考。

有什么好的，不好的，請大家多多指正！有你們的反饋和積極的鼓勵，我才能走得更遠，不斷向好。

感恩，加油！

審核編輯 黃昊宇