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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(xué)習(xí)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(biāo)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(dāng)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(xué)的學(xué)科之一,原因就是需要面對復(fù)雜的麥克斯韋方程組以及不同的復(fù)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(fù)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(fù)雜,甚至已經(jīng)成為一個專門的子學(xué)科:計算電磁學(xué)。但我們作為應(yīng)用者,對算法雖然不必像研究學(xué)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(xué)習(xí)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(dāng)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(biāo)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(fù)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(biāo)配了,都不是問題。如果您剛好不是科班,當(dāng)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(xué)習(xí),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(xué)習(xí)漫長,學(xué)習(xí)起來時間成本還是挺高的,實在等不及,當(dāng)然可以按照自己的節(jié)奏來。那就是選擇教材和書籍自學(xué)。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(xué)習(xí)的難度,縮短學(xué)習(xí)周期。
主要有以下幾個方向:
天線
微波
鐵氧體器件
雷達
仿真類教材
仿真類案例
5.3 專業(yè)培訓(xùn)
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(xùn)或者第三方高質(zhì)量的培訓(xùn)服務(wù)是一個非常便捷而高效的選擇。這種培訓(xùn),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(xué)習(xí)效果相比自學(xué)要好很多,也高效得多。
這里面,官方的培訓(xùn)教材,好的培訓(xùn)教材,也是非常重要的學(xué)習(xí)資料。
此外,行業(yè)內(nèi),也有很多相關(guān)的專業(yè)培訓(xùn),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(xué)習(xí),去跟進最新的知識和動態(tài),可以說,只要你想學(xué),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(fēng)格最正規(guī),內(nèi)容最嚴肅??梢躁P(guān)注些重要的學(xué)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(xué)習(xí)。
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!