计算电磁学的方法有哪些详细资料比较

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标签:FDTD(23)eda(904)算法(1740)滤波器(3292)

  微波EDA 仿真软件与电磁场的数值算法密切相关,在介绍微波EDA 软件之前先简要的介绍一下微波电磁场理论的数值算法。所有的数值算法都是建立在Maxwell方程组之上的,了解Maxwell方程是学习电磁场数值算法的基础。计算电磁学中有众多不同的演法,如时域有限差分法(FDTD)、时域有限积分法(FITD)、有限元法(FE)、矩量法(MoM)、边界元法(BEM)、谱域法(SM)、传输线法(TLM)、模式匹配法(MM)、横向谐振法(TRM)、线方法(ML)和解析法等等。在频域,数值算法有:有限元法( FEM -- Finite Element Method)、矩量法( MoM -- Method of Moments),差分法( FDM -- Finite Difference Methods),边界元法( BEM --Boundary Element Method),和传输线法( TLM -- Transmission-Line-matrix Method)。在时域,数值算法有:时域有限差分法( FDTD - Finite Difference Time Domain ),和有限积分法( FIT - Finite IntegraTIon Technology )。这些方法中有解析法、半解析法和数值方法。数值方法中又分零阶、一阶、二阶和高阶方法。依照解析程度由低到高排列,依次是:时域有限差分法(FDTD)、传输线法(TLM)、时域有限积分法(FITD)、有限元法(FEM)、矩量法(MoM)、线方法(ML)、边界元法(BEM)、谱域法(SM)、模式匹配法(MM)、横向谐振法(TRM)、和解析法。依照结果的准确度由高到低,分别是:解析法、半解析法、数值方法。在数值方法中,按照结果的准确度有高到低,分别是:高阶、二阶、一阶和零阶。时域有限差分法(FDTD)、时域有限积分法(FITD)、有限元法(FEM)、矩量法(MoM)、传输线法(TLM)、线方法(ML)是纯粹的数值方法;边界元法(BEM)、谱域法(SM)、模式匹配法(MM)、横向谐振法(TRM)则均具有较高的分辨率。模式匹配法(MM)是一个半解析法,倘若传输线的横向模式是准确可得的话。理论上,模式可以是连续谱。但由于数值求解精度的限制,通常要求横向模式是离散谱。这就要求横向结构上是无耗的。更通俗地讲,就是无耗波导结构。换言之,MM 最适用于波导空腔、高Q 且在能量传输的某一维上结构具有一定的均匀性。譬如,它适用于两个圆柱腔在高度维上的耦合的分析,但不适用于两个葫芦间的耦合分析,因为后者没有非常明确的模式参与能量交换,人们只能将大量的模式一并考虑,这样就降低了MM 的效用。有限元法(FEM)是一种一阶纯数值方法(若用一阶元的话)。它适用于任何形状的结构,是一个通用的方法。但事物总是一分为二的。一般来说,通用方法在特殊应用领域的效率将不如特殊方法。对于高Q 空腔滤波器设计,MM 就远优于FEM。

  如果想进一步了解各种数值算法的具体实现,可以参阅以下几本书籍:①Microwave Circuit Modeling Using ElectromagneTIc Field SimulaTIon, ②Numerical Techniques in ElectromagneTIcs, ③Electromagmetic Simunation Using the FDTD Method,④Complex eletromagnetic problems and numerical Simulation Approaches。使用矩量法( MoM )的微波EDA软件有ADS,Sonnet,Ansoft Designer,Microwave Office, Zeland IE3D,Ansoft Esemble,Super NEC和FEKO;使用有限元法( FEM )的微波EDA软件有HFSS和ANSYS;使用时域有限差分法( FDTD )的微波EDA软件有EMPIRE和XFDTD,使用有限积分法( FITD )的微波EDA软件有CST Microwave Studio。

  下面来介绍较流行几种的微波EDA软件的功能和应用。

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