SEMCAD電磁兼容與生物電磁分析軟件

SEMCAD是瑞士SPEAG公司推出的一款專業(yè)面向電磁兼容（EMC），天線系統(tǒng)設(shè)計(jì)和生物電磁學(xué)的三維全電磁仿真設(shè)計(jì)軟件。它起源于瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院（Swiss Federal Institute of Technology）開發(fā)的交變方向隱式時(shí)域有限差分（ADI-FDTD）算法，旨在全面解決無線電設(shè)備、生物醫(yī)療、汽車電子等領(lǐng)域的電磁兼容安全性問題。
SEMCAD軟件在電磁兼容、天線系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)、微波電路、電磁散射、光器件、汽車電子、生物電磁、醫(yī)學(xué)醫(yī)療等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。它可以幫助電磁相關(guān)部門和系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師避免在原型機(jī)或制造階段付出昂貴的代價(jià)，將設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)轉(zhuǎn)移到計(jì)算機(jī)的數(shù)值模擬階段，從而使企業(yè)減少設(shè)計(jì)時(shí)間，降低設(shè)計(jì)成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性，縮短產(chǎn)品上市時(shí)間，最終增加企業(yè)利潤。采用電磁仿真分析軟件，借助高性能計(jì)算模擬進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)、驗(yàn)證已經(jīng)成了當(dāng)今生產(chǎn)、研發(fā)領(lǐng)域必備的重要手段。

目前，SEMCAD憑借其高性能的FDTD求解器、無與倫比的計(jì)算速度和強(qiáng)大的多目標(biāo)多參數(shù)多頻率的優(yōu)化功能，在EMC和天線設(shè)計(jì)等領(lǐng)域已經(jīng)逐漸成為電磁仿真設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)工具包，為電子、通信、醫(yī)療、航空、航天、汽車等行業(yè)提供有效的電磁設(shè)計(jì)解決方案。

SEMCAD功能特點(diǎn)

1 強(qiáng)大的建模能力和豐富的CAD模型接口

SEMCAD采用國際上CAD、CAE軟件流行的三維建模內(nèi)核ACIS，操作界面是完全Windows風(fēng)格，易學(xué)易用。QTech算圖引擎可輕松處理一萬個(gè)以上的CAD元件，支持全參數(shù)化建模，可對(duì)模型分組歸類，形成任意二維、三維陣列，有對(duì)模型的布爾操作、掃描、拉伸、平移、旋轉(zhuǎn)、鏡像、去面等功能。

SEMCAD提供豐富的軟件接口，能夠?qū)崿F(xiàn)與Pro/E, UG, Catia以及Solidworks等CAD軟件的模型無縫連接。SEMCAD軟件具有強(qiáng)大的模型接口功能，可以導(dǎo)入多種格式的文件，包括SAT、 IGES、Pro/E、STEP、CATIA V4、CATIA V5、3DS、STL和DXF等文件，對(duì)PCB電路板有專門的Gerber接口。SEMCAD還提供對(duì)導(dǎo)入模型的修復(fù)功能。

2 高性能FDTD求解器

算法是軟件的核心，是計(jì)算機(jī)仿真與設(shè)計(jì)的靈魂。SEMCAD的核心基本求解算法—— 時(shí)域有限差分（FDTD）方法，已經(jīng)被證明是計(jì)算電磁學(xué)中最通用，應(yīng)用領(lǐng)域最廣泛的電磁場數(shù)值求解方法之一。FDTD方法有以下基本優(yōu)點(diǎn)：

1).直接時(shí)域計(jì)算：一次仿真可以模擬所有寬頻帶特性；
2).廣泛適用性：適合模擬包含任意復(fù)雜結(jié)構(gòu)、任意介質(zhì)分布的空間電磁環(huán)境；
3).節(jié)約存儲(chǔ)空間和計(jì)算時(shí)間：所需內(nèi)存和仿真時(shí)間都與空間網(wǎng)格數(shù)成正比。

SEMCAD擁有最先進(jìn)的FDTD算法，包括有效減少網(wǎng)格誤差的C-FDTD (共形FDTD)和無條件穩(wěn)定的ADI-FDTD。ADI-FDTD消除時(shí)間步長對(duì)網(wǎng)格尺寸的依賴，為仿真大系統(tǒng)中的小尺度結(jié)構(gòu)提供了有利支持。 SEMCAD是世界上第一個(gè)采用C-ADI-FDTD這一高效算法的商業(yè)電磁仿真軟件。

Ø Yee-FDTD求解器。優(yōu)化的Yee網(wǎng)格FDTD求解器, 在主頻為3.4 GHz 的P4機(jī)器上每秒中可以求解 20-40 兆個(gè)單元。64位求解器支持大于10億自由度的復(fù)雜問題求解。
Ø C-FDTD求解器。共形FDTD算法包含導(dǎo)體共形技術(shù)和介質(zhì)共形技術(shù), 它擺脫了標(biāo)準(zhǔn)FDTD網(wǎng)格的大量階梯近似，有效減小網(wǎng)格誤差，大大提高了計(jì)算準(zhǔn)確性。
Ø ADI-FDTD求解器。ADI-FDTD擺脫時(shí)間步長對(duì)網(wǎng)格尺寸的依賴，可以無條件穩(wěn)定，為仿真計(jì)算大系統(tǒng)中的小尺度結(jié)構(gòu)提供了可能。
Ø C-ADI-FDTD求解器。 結(jié)合了C-FDTD和ADI-FDTD 兩種算法。
Ø EM-T求解器。電磁與熱耦合求解器，提供了強(qiáng)大的電磁與熱分析平臺(tái)，為人體SAR分析、設(shè)備熱分析和EMC聯(lián)合設(shè)計(jì)帶來了極大的方便。
Ø EM-SPICE求解器。電路與電磁場聯(lián)合求解器。

另外，SEMCAD還有可分析到靜態(tài)場的低頻電磁場求解器，獨(dú)立的熱求解器、并行 FDTD求解器。

3 實(shí)用的優(yōu)化設(shè)計(jì)

SEMCAD軟件具有基于遺傳算法（GA）的多種優(yōu)化設(shè)計(jì)功能，為提高產(chǎn)品質(zhì)量提供了方便的設(shè)計(jì)工具。現(xiàn)將其優(yōu)化功能總結(jié)如下：

4 全面的后處理能力

SEMCAD有強(qiáng)大的可視化后處理功能，可以輸出瞬態(tài)或穩(wěn)態(tài)電磁場場量（P，B，D，E琀，J，S等）參數(shù)，還有如下可視化后處理功能：

Ø 任意二維和三維的場分布圖及動(dòng)態(tài)顯示
Ø 可輸出直角坐標(biāo)圖、極坐標(biāo)圖和Smith圓圖
Ø 近場、遠(yuǎn)場參數(shù)（TIS、TRP、RCS等），天線參數(shù)，Z，U，I，P等
Ø SAR分布、平均SAR（Av. 1g/10g/任意 IEEE 1529）
Ø 多端口S參數(shù)計(jì)算（波導(dǎo)，微帶線等）
Ø 自動(dòng)的失效模式及后果分析（FMEA）
Ø 多個(gè)結(jié)果的比較分析
Ø 輸出時(shí)域或頻域數(shù)據(jù)（FFT、DFT），可存為 Text、Word、Excel等格式文件
Ø 數(shù)據(jù)可輸出到電路分析包，實(shí)現(xiàn)場路耦合求解
Ø 顯示結(jié)果可直接存儲(chǔ)為圖像文件
Ø 可導(dǎo)入DASY4、DASY5、iSAR的測量數(shù)據(jù)（近場、遠(yuǎn)場），直接進(jìn)行比較

5 各種復(fù)雜材料處理能力

SEMCAD有強(qiáng)大的各種復(fù)雜材料的分析能力，可分析的材料總結(jié)如下：

6 完整的標(biāo)準(zhǔn)人體模型庫

SEMCAD提供完整的生物電磁學(xué)國際標(biāo)準(zhǔn)人體模型庫，模型分辨率能達(dá)到0.1mm 以下。用戶在解決生物電磁兼容問題時(shí)，可方便的直接導(dǎo)入所需的各種復(fù)雜人體模型。人體模型庫包括兒童、成年、老年、少年，男性、女性，人腦、骨骼，血管、歐洲人、亞洲人等全部國際標(biāo)準(zhǔn)模型。SEMCAD有多種可變換姿勢(shì)的手模型,能輕松對(duì)三維人體模型的各種姿勢(shì)進(jìn)行調(diào)整。此外，SEMCAD還提供標(biāo)準(zhǔn)的動(dòng)物模型庫（如老鼠）和醫(yī)療設(shè)備模型庫（如核磁共振MRI系統(tǒng)）等。

SEMCAD典型應(yīng)用

一 EMC/EMI

1 GPU芯片和PCB板的仿真
模型為帶有76 個(gè)管腳的GPU芯片和PCB布線的顯卡。芯片模型從CAD數(shù)據(jù)導(dǎo)入,PCB板的布局從Gerber文件導(dǎo)入。GPU芯片用PEC地平面模擬,通過負(fù)載電阻與76個(gè)管腳連接，整個(gè)芯片嵌入在有損電介質(zhì)內(nèi)。8個(gè)不同激勵(lì)端口被用來激勵(lì)不同的數(shù)據(jù)線，研究了不同端口的交叉耦合效應(yīng)和芯片電流分布。

2 機(jī)箱屏蔽性能

為研究PC機(jī)箱的電磁泄露問題，SEMCAD X導(dǎo)入一個(gè)具體的PC機(jī)箱CAD模型。SEMCAD X一次性仿真帶寬達(dá)到10GHz的超寬帶響應(yīng)，從而獲得相關(guān)的遠(yuǎn)場參數(shù)和相關(guān)性能信息。

3 帶細(xì)縫屏蔽箱體的電磁干擾分析

這是一個(gè)典型的EMC/EMI分析模型。屏蔽箱體為完全導(dǎo)電體，由特性阻抗為50歐姆的同軸線饋電，饋線終端加載47歐姆的電阻，箱體側(cè)面開了一個(gè)細(xì)縫和一個(gè)孔。SEMCAD計(jì)算了帶寬從400MHz到2.1GHz的寬帶響應(yīng)，仿真結(jié)果與公開的測量結(jié)果一致。

4 帶人體的汽車多天線系統(tǒng)（GSM、藍(lán)牙、單極天線）

在汽車不同位置分別放置GSM天線，藍(lán)牙和單極天線，分析整個(gè)汽車的近場分布，人體的SAR分布和S參數(shù)。由于天線的存在，汽車成為電大尺寸模型，采用SEMCAD的硬件加速技術(shù)，可在合理時(shí)間內(nèi)輕松解決。

二 天線系統(tǒng)

1 Vivaldi天線是國際上驗(yàn)證電磁軟件準(zhǔn)確性的標(biāo)準(zhǔn)天線分析模型。用四分之一波長的波導(dǎo)作為激勵(lì)源，SEMCAD在場變化劇烈的地方加密網(wǎng)格來有效提高準(zhǔn)確性，通過一次仿真得到頻帶1-10GHz內(nèi)的反射系數(shù)、輸入阻抗和輻射效率、增益等參數(shù)。

2 折疊單極天線由帶狀線構(gòu)成，安置在PCB板上，用50 歐姆的帶狀線饋電，一個(gè)3單元的T形匹配網(wǎng)絡(luò)用來和天線輸入端匹配。天線的帶狀線寬度用3-5個(gè)網(wǎng)格離散，介質(zhì)基片厚度剖分成5個(gè)網(wǎng)格。遠(yuǎn)場結(jié)果類似標(biāo)準(zhǔn)單極天線。

3 手機(jī)系統(tǒng)的近場分析

4 天線優(yōu)化
此實(shí)例考慮手機(jī)真實(shí)環(huán)境下（考慮人手和人腦的影響），手機(jī)輻射參數(shù)的優(yōu)化。對(duì)手機(jī)貼片天線的優(yōu)化目標(biāo)是在850MHz到950MHz之間反射損耗低于-10dB，通過優(yōu)化天線的縫隙大小和貼片的位置等參數(shù)，達(dá)到優(yōu)化目的。

三 生物電磁學(xué)

磁共振成像MRI系統(tǒng)的場分析，考慮的人體為國際標(biāo)準(zhǔn)模型，包括100多處組織。 MRI工作頻率64MHz，人體最小網(wǎng)格1mm。采用硬件加速器CIB800，仿真時(shí)間小于1個(gè)小時(shí)。

四 其它微波工程

軟件支持硬件加速功能

SEMCAD是第一個(gè)提供硬件加速技術(shù)的FDTD工具包。目前，SEMCAD提供的硬件加速方案包括兩種：

（1）加速適配卡aXware系列；
（2）加速集群盒CIB系列。

軟件支持平臺(tái)

Ø Windows 32/64位 RedHat Linux 32/64位
Ø Mandrake Linux 32/64位 SuSE Linux 32/64位
Ø Mac OSX SUN Solaris V8或更高
Ø SGI，HP 等