电磁波的方程组及与高速电子设计的关系

自从詹姆斯·克拉克·麦克斯韦 (James Clerk Maxwell) 在“电磁场的动力学理论”中向世界介绍麦克斯韦方程以来的 155 年里，出现了一些惊人的突破和洞察力。作为一名年轻的电气工程专业学生，我们向我们介绍了描述电磁波的方程组，但通常很难想象和理解波的传播以及它与高速电子设计的关系。正是在这一领域，Ansys HFSS 作为该行业的先驱脱颖而出。

自 HFSS 于 1990 年推出以来，它提供了一种独特的电磁问题洞察力。在实验室诊断设计问题需要测量组件和测试板上的时域波形或 S 参数。通常，对这些波形的观察违背了对电磁现象的基本理解。从频域 S 参数中的 TDR（时域反射计）“毛刺”或神秘的“吸出”来看，调试这些设计可能极具挑战性。在像 HFSS 这样的全波电磁求解器中对这些结构的所有 3D 复杂性进行建模可以非常快速地发现这些问题的根源。用真实世界的信号激发问题、观察场在模型中传播以及快速发现隐藏的不连续性或耦合机制的能力是非常宝贵的。

在电磁仿真的能力方面，HFSS 一直处于行业领先地位。工程师一直希望模拟更大、更复杂的设计。从 HFSS 早期的同轴转波导适配器解决方案开始，设计人员一直在呼吁能够包含更大的 3D 模型、更详细的机械和电气 CAD 以及更复杂的材料属性。引入 HFSS 时，当时复杂的同轴电缆至波导适配器需要大约 10,000 个矩阵元素和 10 个小时才能解决单个频率点。今天，同一个模型在笔记本电脑上在 30 秒内解决了整个频段的问题。最初的全波 FEM 解决方案已经从解决简单的波导组件发展到整个微波系统、复杂的天线阵列和整个印刷电路板。

有许多算法创新导致用户可以在当今的 HFSS 中解决前所未有的规模问题。我们已经解决了诸如多处理矩阵解决方案之类的问题，以将这些解决方案分布在数十个计算节点和数百个内核中。HFSS 推出了第一个用于全波电磁学的商用域分解方法求解器，从而能够对大问题的各个部分进行网格剖分和求解，然后将它们组合在一起以获得完整的模型场解决方案。无论是创建、开发和商业化新的计算电磁算法，还是更有效地存储信息，这些改进多年来都以指数方式提高了 HFSS 的速度和容量。

有些人会声称容量的增加主要是由于 HFSS 三十年历史中的硬件创新。这些硬件改进由 Gordon Moore 于 1964 年描述，通俗地称为摩尔定律，放大了这些算法的发展。自从首次引入 HFSS 以来，浮点运算的速度提高了近 500 倍。将 CPU 的原始时钟速度改进与缓存和主存储器的大小和速度增加相结合，可以在更短的时间内执行更大的模拟。

说工程师几乎没有耐心等待模拟并不过分。根据我的经验，最快乐的工程师应该是能够在舒适的客厅里用平板电脑在几秒钟内解决整个复杂电磁系统的工程师。对于一些人来说，在家工作的现实最近已经实现，但我们仍然没有达到能够在几秒钟内解决这些系统的地步。但是，使用 Ansys Cloud 和 HFSS，您可以通过手机或平板电脑舒适地访问和监控这些仿真。

审核编辑：郭婷