高速高頻電路電磁場仿真：FDTD和FEM算法各有什么優(yōu)缺點【轉(zhuǎn)發(fā)】

2017-04-03 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

以下是兩位網(wǎng)友的回答,稍微有所調(diào)整:

RanHe的回答:在討論電磁仿真前,先要敬仰前輩。

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計算電磁學(xué)從大的方向可以分為兩大類:全波仿真算法,高頻算法。

全波仿真是一種精確算法,但是非常消耗計算資源。一種簡單的估算方法是:通常我們對物體要進行剖分,剖分至少要達到0.1個波長。那么也就是說,如果這個物體的電尺寸為10個波長,則有100*100*100=一百萬個網(wǎng)格。每一個網(wǎng)格你還要存儲大量的電磁參數(shù),一般都是單精度浮點型。所以很容易就需要上百兆的內(nèi)存。如果電尺寸有20個波長,那就需要上G的內(nèi)存。如果物體的幾何特征比較不正常,有很多的細微結(jié)構(gòu),則需要更密集的剖分,這樣很容易就超過了普通計算機的計算能力。例如,1GHZ的波長是0.3米,GSM的頻率大概位置,這樣也就能對一兩米的物體進行仿真。如果是3G通信,頻率大概是2GHz,我們也就只能計算不超過一米的物體,而且不能有奇形怪狀的結(jié)構(gòu)。

高頻算法就是為了解決這一問題而生的。對于軍用系統(tǒng),我們需要對飛機,艦船的電磁性能進行分析,按照前面的討論,全波仿真顯然不行。這樣高頻算法采用了很多近似,例如物理光學(xué),幾何射線法等等,進行近似計算。

FDTD(時域有限差分)、FEM(有限元)、MOM(矩量法)、FIT(有限體積分)都是屬于全波仿真算法。其中,FDTD,FIT屬于時域算法,代表軟件EMPro和CST;FEM,MOM屬于頻域算法,代表軟件ADS、EMPro和HFSS。時域算法適合寬帶信號分析,以為只要仿真一個脈沖輸入,就可以得到很寬的帶寬信息。而頻域算法一次只能計算一個頻點,適合窄帶信號。

FEM與FDTD相比,主要是剖分精確。因為FEM是三角網(wǎng)格,而FDTD是四邊形。

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以上兩圖很明顯的說明了不同網(wǎng)格對物體的近似程度。第一個是FDTD,第二個是FEM。哪個計算結(jié)果準(zhǔn)確,不用我講了吧。

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現(xiàn)在說說FDTD和FIT有啥區(qū)別。FDT2000D直接對微分方程離散,大家都知道,對于每一個網(wǎng)格,我們認(rèn)為是均勻的。

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FIT是對積分方程離散,他是沿著積分曲線,取了好多電磁參數(shù),適合處理分非均勻的介質(zhì),和交界面,相比FDTD更加精確。

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一身孜然的回答: FDTD作為一種有限差分時間域數(shù)值計算方法,有一次性脈沖分析(寬頻),自然結(jié)合非線性諧波分析、自然結(jié)合Lorentz , 導(dǎo)體等電介質(zhì)的優(yōu)勢。缺點是處理高Q震蕩時候需要花費相當(dāng)長的時間(高Q震蕩需要很久才會消失),此外它的空間差分方式單一,只能分割成長方體。對于非常規(guī)邊界和材料形狀的仿真有些力不從心。

FEM則基本克服了高Q仿真,長方體差分的缺陷,可以對空間進行任意分割(不均勻的四面體,例如)。但問題是,他一般是對單一頻率頻域進行仿真,因此對于脈沖源的仿真比較復(fù)雜,并且難以分析系統(tǒng)響應(yīng)的波形,也難以分析非線性系統(tǒng)出現(xiàn)的諧頻。對于寬頻源的仿真需要更長時間。但對于高Q震蕩的計算不在話下,頻譜分辨率也可以達到任意高。

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