電磁仿真軟件總體設計技術

王麗娜

摘 要： 通過調研分析國外電磁仿真軟件的架構設計方案，并充分考慮國內重大工程應用的特點和難點，設計了電磁計算軟件系統架構。電磁計算軟件系統分為積分方程法子系統和微分方程法子系統，主要由3個功能模塊組成，包括前處理模塊、計算模塊和后處理模塊。可實現幾何建模、參數設置、材料賦值、網格生成、電磁計算、數據后處理等完整電磁仿真流程。

關鍵詞： 電磁仿真; ?電磁計算; ?數據分析

文章編號： 2095-2163（2021）03-0164-03 中圖分類號： TM715 文獻標志碼：A

【Abstract】Through investigation and analysis of the architecture design of foreign electromagnetic simulation software， and fully considering the characteristics and difficulties of domestic major engineering applications， the architecture of electromagnetic calculation software system is designed. Electromagnetic calculation software system is divided into integral equation subsystem and differential equation subsystem， which mainly consists of three functional modules， including pre-processing module， calculation module and post-processing module. It can realize geometric modeling， parameter setting， material assignment， grid generation， electromagnetic calculation， data post-processing and other complete electromagnetic simulation process.

【Key words】 electromagnetic simulation; ?electromagnetic calculation; data analysis

0 引 言

軍用和民用領域對電磁仿真軟件都有巨大需求。國內在計算電磁學算法方面擁有較好的研究基礎，并于近些年突破了部分大規模并行電磁計算關鍵技術，但國內電磁算法的軟件化程度不足，難以對科研機構進行推廣使用。由于國產電磁仿真軟件發展滯后，國外中低端電磁仿真軟件壟斷了國內市場。然而，這些中低端電磁仿真軟件只能滿足小規模部件級仿真需求，無法滿足大規模系統級工業仿真需求，并且存在禁運風險以及安全隱患。與此同時，國外對高端軍用電磁仿真軟件嚴格封鎖。可見，系統級精確電磁仿真能力不足、國產電磁仿真軟件發展滯后的現狀已經嚴重制約國內新型信息化裝備的電磁分析與設計能力。

近年來，受益于國產超級計算機的迅猛發展，國內高性能電磁計算方法和技術發展迅速，電磁計算能力穩步提升，這為國產電磁仿真軟件的發展提供了契機。本項目在前期研究工作基礎上，以“高、精、尖”為目標，通過對比分析國外成熟商業電磁軟件的架構設計方案，并考慮本項目大規模并行電磁計算的優勢，設計涵蓋積分方程法與微分方程法的電磁軟件架構，為研制出具有自主知識產權、安全可控的大規模系統級精確電磁計算軟件提供保障。

電磁軟件架構設計遵循以下原則：

（1）滿足幾何建模、參數錄入、網格生成、電磁計算、數據分析等功能性需求，同時滿足穩定性、易用性等非功能性需求。這是電磁仿真軟件的基本要求，也是軟件架構設計時應該遵循的基本原則。

（2）實用性原則，能精確計算金屬、介質模型的電磁散射、輻射、耦合特性，架構設計也必須實用，否則就會“過度設計”或“脫離實際”。

（3）滿足前后處理、網格生成等模塊的復用要求，最大程度地提高開發人員的工作效率。

1 國外商業軟件架構分析

經過二十余年發展，國外研發了多款商業電磁仿真軟件。其中，Altair FEKO是積分方程法商業軟件的代表，ANSYS HFSS是微分方程法商業軟件的代表。通過分析國外電磁仿真軟件的架構設計方案，并充分考慮國內重大工程應用的特點和難點，設計形成軟件整體架構。

電磁仿真軟件的操作流程一般可分為5步：幾何建模與網格生成，材料、負載與邊界的設置，激勵源設置，仿真計算和數據后處理。電磁仿真軟件架構通常會圍繞這5部分展開，而根據不同的算法，軟件架構在具體實現上有差異。下面對2款代表性商業軟件的架構進行分析。

1.1 FEKO軟件

FEKO是美國Altair公司的一款以低階矩量法（MoM）及快速多極子方法（FMM）為主的高頻電磁場仿真軟件，其將幾何模型剖分為三角形網格，通過直接求解或迭代求解進行仿真計算。

該軟件的特點是適合計算中小電尺寸電磁問題，尤其擅長金屬、均勻介質模型的散射特性計算。該軟件的MoM、FMM均使用面網格離散模型表面，在計算體積大、表面積小的模型時有優勢，同時軟件還具有核外求解技術，可以在內存不足時將硬盤納入計算過程，有效擴大計算規模。該軟件界面簡潔合理，通過偽代碼方式增強了電磁算法的可操控性，人機交互性能較好。FEKO軟件的交互界面如圖1所示。由圖1可見，操作欄用于控制整個仿真流程，模型與定義欄用于顯示模型組件、設置激勵與邊界條件等輸入參數，模型細節樹給出模型詳細的線、面、材料等信息，模型窗口是模型可視化的區域，狀態欄顯示軟件運行狀態。

需要指出，FEKO軟件的并行電磁算法可擴展性有限、不支持區域分解算法，導致計算能力不足;對于復雜曲線、曲面模型的建模能力較差，千萬量級以上的網格生成效率低，需要借助第三方軟件完成復雜模型建模和網格生成;數據量、網格量較大時，存在可視化不流暢、操作卡頓等問題。

1.2 HFSS軟件

HFSS是美國ANSYS公司的一款以有限元法（FEM）為核心的高頻電磁仿真軟件。軟件將模型離散為四面體網格，進而進行有限元求解。

該軟件的自適應網格技術使其對復雜精細結構的建模能力非常強，適合用于復雜天線模型的輻射與耦合問題仿真。作為國內市場占有率非常高的商業電磁仿真軟件之一，其用戶交互界面友好，參數設置方便快捷，自動化程度高，易用性很強。HFSS的交互界面如圖2所示。操作欄用于控制整個仿真流程，工程管理欄可以管理多個工程且方便定義工程之間的聯動，屬性欄給出操作對象的具體屬性，模型窗口和模型樹顯示模型信息，信息欄和進程欄給出軟件提示信息和運行狀態。

作為微分方程法，有限元法離散電大模型產生的網格量和計算量通常非常大，因而該軟件對于大型陣列天線輻射特性、電大尺寸目標散射特性的計算能力不足。對于大型電磁問題，有限元法大規模稀疏矩陣方程的求解極其耗時。雖然使用并行計算技術能夠在一定程度上提升稀疏矩陣方程求解能力，但稀疏矩陣方程的并行求解算法可擴展性有限。更重要的是，該軟件的并行計算版本費用高昂，性價比低。

2 總體設計

2.1 總體架構設計

通過調研分析國外電磁仿真軟件的架構設計方案，并充分考慮國內重大工程應用的特點和難點，國產電磁計算軟件總體架構設想如下。軟件架構包含應用控制層、通用功能層、電磁建模層、電磁算法層、數據分析層等。其中，電磁算法層是整個系統的核心部分，包含多種核心求解算法方案。

該軟件具備仿真多類電磁問題的能力，對此擬展開分述如下。

（1）精確計算多種形式天線的近場、遠場（增益）等電磁數據，用于復雜大型天線分析與設計、天線與載體平臺綜合設計。

（2）精確計算電大尺寸目標的雷達散射截面（RCS），用于目標特性分析。

（3）精確計算耦合模型的網絡參數（S參數等），用于電磁兼容問題分析、天線與微波器件設計。

2.2 功能描述

電磁仿真軟件基本功能和適用的電磁問題如圖3所示。

由圖3可知，在軟件設計層面，電磁仿真軟件包含幾何建模、網格生成、電磁計算、數據分析等基本功能。其中，幾何建模主要指實現仿真目標幾何模型構建的功能，支持用戶自主建立模型以及從外部導入幾何模型，并支持模型修改、刪除等功能，用戶可以設置模型面、體的材料參數等。網格生成是把已經建立并包含材料、邊界、負載、激勵源等屬性的幾何模型離散成電磁算法可計算的網格信息的功能。電磁計算是指完成模型電磁仿真的功能。數據分析主要指對電磁計算得到的結果進行數據可視化、對比分析以及導入導出等功能，數據可視化包括三維圖顯示、二維圖顯示以及動態顯示等。

在軟件應用層面，軟件可解決目標散射問題、天線輻射問題以及電磁耦合問題。目標散射特性計算主要指目標的雷達散射截面（RCS）計算，用以判斷飛機、艦船等目標的散射特性或隱身性能。目標散射特性計算需要平面波激勵源。天線輻射特性計算主要指天線的增益、主瓣寬度、副瓣電平、近場、S參數等計算。軟件需要支持天線的典型激勵源，如天線的delta源、波導縫隙天線的波端口激勵源、微帶天線的同軸激勵源等。電磁耦合特性計算指天線、微波器件等端口的耦合參數（例如S參數）計算。電磁耦合問題的端口一般也是波端口。

2.3 軟件組成

電磁仿真軟件主要由3個功能模塊組成，詳見表1。由表1分析可知，用戶通過前處理模塊建立需要仿真的幾何模型，并利用網格生成模塊將幾何模型剖分為網格模型。前處理模塊將網格信息和用戶設置的電磁參數傳輸給電磁算法模塊。當用戶確認幾何模型和電磁參數設置無誤后即可執行運行指令，運行指令將根據用戶選擇的電磁算法和運行方式（串行、并行）調用相應的電磁算法模塊進行計算。軟件完成計算任務后將計算結果按統一的格式輸出到指定文件中，用戶通過后處理模塊對計算結果數據進行可視化和分析。

前處理模塊包含幾何建模、基本參數設置、材料屬性設置、負載與邊界設置以及激勵源設置，主要負責電磁仿真模型的構建。根據不同的電磁問題類型，在建立的模型中設置不同的激勵源和邊界條件。通過網格生成獲取電磁網格模型，結合所設置的電磁參數，輸出電磁算法模塊所需的輸入參數，調用相應的電磁算法模塊完成計算任務后，得到計算結果數據，并調用后處理模塊對結果數據進行可視化和分析后，即完成整個電磁問題的仿真。整個仿真過程中，每個模塊都可以通過所定義的接口與其他模塊進行交互。

3 結束語

通過調研分析國外電磁仿真軟件的架構設計方案，并充分考慮國內重大工程應用的特點和難點，設計了電磁計算軟件系統架構。電磁計算軟件系統分為積分方程法子系統和微分方程法子系統，主要由3個功能模塊組成，包括前處理模塊、計算模塊和后處理模塊。可實現幾何建模、參數設置、材料賦值、網格生成、電磁計算、數據后處理等完整電磁仿真流程。

在后續軟件研制過程中，將根據新出現的重大應用需求對軟件架構進行持續改進，實現可持續發展。

參考文獻

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