SEMCAD软件在电磁兼容、天线系统分析设计中的应用案例 - 全文

SEMCAD是瑞士SPEAG公司推出的一款专业面向电磁兼容（EMC），天线系统设计和生物电磁学的三维全电磁仿真设计软件。它起源于瑞士联邦理工学院（Swiss Federal Institute of Technology）开发的交变方向隐式时域有限差分（ADI-FDTD）算法，旨在全面解决无线电设备、生物医疗、汽车电子等领域的电磁兼容安全性问题。

SEMCAD软件在电磁兼容、天线系统分析设计、微波电路、电磁散射、光器件、汽车电子、生物电磁、医学医疗等领域有广泛的应用。它可以帮助电磁相关部门和系统设计工程师避免在原型机或制造阶段付出昂贵的代价，将设计风险转移到计算机的数值模拟阶段，从而使企业减少设计时间，降低设计成本，提高产品质量和可靠性，缩短产品上市时间，最终增加企业利润。采用电磁仿真分析软件，借助高性能计算模拟进行产品设计、验证已经成了当今生产、研发领域必备的重要手段。

目前，SEMCAD凭借其高性能的FDTD求解器、无与伦比的计算速度和强大的多目标多参数多频率的优化功能，在EMC和天线设计等领域已经逐渐成为电磁仿真设计标准工具包，为电子、通信、医疗、航空、航天、汽车等行业提供有效的电磁设计解决方案。

SEMCAD功能特点

1 强大的建模能力和丰富的CAD模型接口

SEMCAD采用国际上CAD、CAE软件流行的三维建模内核ACIS，操作界面是完全Windows风格，易学易用。QTech算图引擎可轻松处理一万个以上的CAD元件，支持全参数化建模，可对模型分组归类，形成任意二维、三维阵列，有对模型的布尔操作、扫描、拉伸、平移、旋转、镜像、去面等功能。

SEMCAD提供丰富的软件接口，能够实现与Pro/E, UG, Catia以及Solidworks等CAD软件的模型无缝连接。SEMCAD软件具有强大的模型接口功能，可以导入多种格式的文件，包括SAT、 IGES、Pro/E、STEP、CATIA V4、CATIA V5、3DS、STL和DXF等文件，对PCB电路板有专门的Gerber接口。SEMCAD还提供对导入模型的修复功能。

2 高性能FDTD求解器

算法是软件的核心，是计算机仿真与设计的灵魂。SEMCAD的核心基本求解算法—— 时域有限差分（FDTD）方法，已经被证明是计算电磁学中最通用，应用领域最广泛的电磁场数值求解方法之一。FDTD方法有以下基本优点：

1).直接时域计算：一次仿真可以模拟所有宽频带特性；
2).广泛适用性：适合模拟包含任意复杂结构、任意介质分布的空间电磁环境；
3).节约存储空间和计算时间：所需内存和仿真时间都与空间网格数成正比。

SEMCAD拥有最先进的FDTD算法，包括有效减少网格误差的C-FDTD (共形FDTD)和无条件稳定的ADI-FDTD。ADI-FDTD消除时间步长对网格尺寸的依赖，为仿真大系统中的小尺度结构提供了有利支持。 SEMCAD是世界上第一个采用C-ADI-FDTD这一高效算法的商业电磁仿真软件。

Ø Yee-FDTD求解器。优化的Yee网格FDTD求解器, 在主频为3.4 GHz 的P4机器上每秒中可以求解 20-40 兆个单元。64位求解器支持大于10亿自由度的复杂问题求解。
Ø C-FDTD求解器。共形FDTD算法包含导体共形技术和介质共形技术, 它摆脱了标准FDTD网格的大量阶梯近似，有效减小网格误差，大大提高了计算准确性。
Ø ADI-FDTD求解器。ADI-FDTD摆脱时间步长对网格尺寸的依赖，可以无条件稳定，为仿真计算大系统中的小尺度结构提供了可能。
Ø C-ADI-FDTD求解器。 结合了C-FDTD和ADI-FDTD 两种算法。
Ø EM-T求解器。电磁与热耦合求解器，提供了强大的电磁与热分析平台，为人体SAR分析、设备热分析和EMC联合设计带来了极大的方便。
Ø EM-SPICE求解器。电路与电磁场联合求解器。

另外，SEMCAD还有可分析到静态场的低频电磁场求解器，独立的热求解器、并行 FDTD求解器。

3 实用的优化设计

SEMCAD软件具有基于遗传算法（GA）的多种优化设计功能，为提高产品质量提供了方便的设计工具。现将其优化功能总结如下：

4 全面的后处理能力

SEMCAD有强大的可视化后处理功能，可以输出瞬态或稳态电磁场场量（P，B，D，E琀，J，S等）参数，还有如下可视化后处理功能：

Ø 任意二维和三维的场分布图及动态显示
Ø 可输出直角坐标图、极坐标图和Smith圆图
Ø 近场、远场参数（TIS、TRP、RCS等），天线参数，Z，U，I，P等
Ø SAR分布、平均SAR（Av. 1g/10g/任意 IEEE 1529）
Ø 多端口S参数计算（波导，微带线等）
Ø 自动的失效模式及后果分析（FMEA）
Ø 多个结果的比较分析
Ø 输出时域或频域数据（FFT、DFT），可存为 Text、Word、Excel等格式文件
Ø 数据可输出到电路分析包，实现场路耦合求解
Ø 显示结果可直接存储为图像文件
Ø 可导入DASY4、DASY5、iSAR的测量数据（近场、远场），直接进行比较

5 各种复杂材料处理能力

SEMCAD有强大的各种复杂材料的分析能力，可分析的材料总结如下：

6 完整的标准人体模型库

SEMCAD提供完整的生物电磁学国际标准人体模型库，模型分辨率能达到0.1mm 以下。用户在解决生物电磁兼容问题时，可方便的直接导入所需的各种复杂人体模型。人体模型库包括儿童、成年、老年、少年，男性、女性，人脑、骨骼，血管、欧洲人、亚洲人等全部国际标准模型。SEMCAD有多种可变换姿势的手模型,能轻松对三维人体模型的各种姿势进行调整。此外，SEMCAD还提供标准的动物模型库（如老鼠）和医疗设备模型库（如核磁共振MRI系统）等。



SEMCAD典型应用

一 EMC/EMI

1 GPU芯片和PCB板的仿真
模型为带有76 个管脚的GPU芯片和PCB布线的显卡。芯片模型从CAD数据导入,PCB板的布局从Gerber文件导入。GPU芯片用PEC地平面模拟,通过负载电阻与76个管脚连接，整个芯片嵌入在有损电介质内。8个不同激励端口被用来激励不同的数据线，研究了不同端口的交叉耦合效应和芯片电流分布。

2 机箱屏蔽性能

为研究PC机箱的电磁泄露问题，SEMCAD X导入一个具体的PC机箱CAD模型。SEMCAD X一次性仿真带宽达到10GHz的超宽带响应，从而获得相关的远场参数和相关性能信息。

3 带细缝屏蔽箱体的电磁干扰分析

这是一个典型的EMC/EMI分析模型。屏蔽箱体为完全导电体，由特性阻抗为50欧姆的同轴线馈电，馈线终端加载47欧姆的电阻，箱体侧面开了一个细缝和一个孔。SEMCAD计算了带宽从400MHz到2.1GHz的宽带响应，仿真结果与公开的测量结果一致。

4 带人体的汽车多天线系统（GSM、蓝牙、单极天线）

在汽车不同位置分别放置GSM天线，蓝牙和单极天线，分析整个汽车的近场分布，人体的SAR分布和S参数。由于天线的存在，汽车成为电大尺寸模型，采用SEMCAD的硬件加速技术，可在合理时间内轻松解决。

二 天线系统

1 Vivaldi天线是国际上验证电磁软件准确性的标准天线分析模型。用四分之一波长的波导作为激励源，SEMCAD在场变化剧烈的地方加密网格来有效提高准确性，通过一次仿真得到频带1-10GHz内的反射系数、输入阻抗和辐射效率、增益等参数。

2 折叠单极天线由带状线构成，安置在PCB板上，用50 欧姆的带状线馈电，一个3单元的T形匹配网络用来和天线输入端匹配。天线的带状线宽度用3-5个网格离散，介质基片厚度剖分成5个网格。远场结果类似标准单极天线。

3 手机系统的近场分析

4 天线优化

此实例考虑手机真实环境下（考虑人手和人脑的影响），手机辐射参数的优化。对手机贴片天线的优化目标是在850MHz到950MHz之间反射损耗低于-10dB，通过优化天线的缝隙大小和贴片的位置等参数，达到优化目的。

三 生物电磁学

磁共振成像MRI系统的场分析，考虑的人体为国际标准模型，包括100多处组织。 MRI工作频率64MHz，人体最小网格1mm。采用硬件加速器CIB800，仿真时间小于1个小时。

四 其它微波工程

软件支持硬件加速功能

SEMCAD是第一个提供硬件加速技术的FDTD工具包。目前，SEMCAD提供的硬件加速方案包括两种：

（1）加速适配卡aXware系列；
（2）加速集群盒CIB系列。

软件支持平台

Ø Windows 32/64位 RedHat Linux 32/64位
Ø Mandrake Linux 32/64位 SuSE Linux 32/64位
Ø Mac OSX SUN Solaris V8或更高
Ø SGI，HP 等