Основы компьютерного моделирования в САПР EMPro

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное

образовательное учреждение высшего образования

«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Инженерно-технологическая академия

Н. Н. КИСЕЛЬ, А. А. ВАГАНОВА

ОСНОВЫ КОМПЬЮТЕРНОГО

МОДЕЛИРОВАНИЯ В САПР EMPRO

Учебное пособие

Ростов-на-Дону ‒ Таганрог

Издательство Южного федерального университета

2018

УДК 621.396.67
ББК 32.845

К443

Печатается по решению кафедры антенн и радиопередающих устройств 

Института радиотехнических систем и управления Южного 

федерального университета (протокол № 13 от 22 февраля 2018 г.)

Рецензенты:

доктор технических наук, заведующий кафедрой антенн и 

радиопередающих устройств Института радиотехнических систем 
и управления  Южного федерального университета Ю. В. Юханов

кандидат технических наук, доцент, старший научный сотрудник 

научно-конструкторского бюро вычислительных систем С. Г. Грищенко

Кисель, Н. Н.

К443    Основы компьютерного моделирования в САПР EMPro : учебное

пособие / Н. Н. Кисель, А. А. Ваганова ; Южный федеральный университет. – Ростов-на-Дону ; Таганрог : Издательство Южного федерального университета, 2018. – 342 с.

ISBN 978-5-9275-3037-3
Учебное пособие представляет собой систематическое описание одной из 

самых 
современных 
программ 
электродинамического 
моделирования 

Electromagnetic Professional (EMPro) компании Agilent EEsof EDA, предназначенной для анализа различных электронных компонентов, таких как корпуса высокоскоростных и высокочастотных (ВЧ) микросхем, соединительные провода, 
антенны, внутрисхемные и внешние пассивные элементы, а также межсоединения печатных плат. Программа EMPro включает в себя современные высокопроизводительные средства проектирования, моделирования и анализа. Кроме того, 
поддерживается возможность интеграции разработки ВЧ- и СВЧ-устройств в 
EMPro и ADS. 

Пособие предназначено для студентов, обучающихся по направлениям 

11.03.01, 11.03.02, 11.04.01, 11.04.02, 11.05.01, при изучении учебных курсов
«Автоматизиированное проектирование РЭА и СВЧ-устройств», «Основы компьютерного моделирования», «САПР СВЧ».

УДК 621.396.67

ББК 32.845

ISBN 978-5-9275-3037-3

© Южный федеральный университет, 2018
© Кисель Н. Н., Ваганова А. А., 2018
© Оформление. Макет. Издательство 

Южного федерального университета. 2018

СОДЕРЖАНИЕ

Перечень сокращений ...................................................................................11

1. ВВЕДЕНИЕ В ВОЗМОЖНОСТИ ПРОГРАММНОГО ПРОДУКТА 
EMPRO ..........................................................................................................12

1.1.Краткие сведения об EMPro...................................................................12

1.2. Типовые применения EMPro.................................................................17

1.2.1. ИС в корпусе........................................................................................17

1.2.2. Многослойные ВЧ-модули.................................................................17

1.2.3. ВЧ-компоненты ...................................................................................17

1.2.4. Аэрокосмическая и оборонная отрасли ............................................18

1.2.5. Разработка печатных плат ..................................................................18

1.2.6. Разъемы высокоскоростных шин.......................................................18

1.2.7. Антенны телефонов.............................................................................18

1.2.8. Анализ ЭМ-помех и ЭМ-совместимости..........................................19

1.3. Обзор среды САПР EMPro....................................................................19

1.3.1. Геометрическое моделирование ........................................................19

1.3.2. Настройка сетки...................................................................................19

1.3.3. Настройка портов и датчиков ............................................................19

1.3.4. Настройка моделирования..................................................................20

1.3.5. Постобработка результатов моделирования и их просмотр...........20

1.3.6. Экспорт 3D- ЭM-моделей компонентов в библиотеку ADS ..........20

2. ИНТЕРФЕЙС ПРОГРАММЫ..................................................................21

2.1. Основные действия с проектом: создание, редактирование, 

архивирование и разархивирование проектов .................................21

2.1.1. Основные настройки при организации проектов.............................21

2.1.2. Сохранение проектов ..........................................................................22

2.1.3. Сохранение проектов в библиотеке...................................................22

2.1.4. Сохранение проекта в формате .ep....................................................23

2.1.5. Сохранение копий проекта.................................................................23

Содержание

4

2.1.6. Настройка панели инструментов .......................................................24

2.1.7. Добавление панели инструментов .....................................................25

2.1.8. Экспорт и импорт настраиваемых параметров панели 

инструментов .............. ........................................................................27

2.2. Настройка параметров............................................................................27

2.2.1. Создание библиотеки EMPro..............................................................27

2.2.2. Создание библиотеки OpenAccess .....................................................28

2.2.3. Пример добавления компонентов в библиотеку ..............................28

2.2.4. Доступ к существующим библиотекам.............................................30

2.2.5. Открытие основных библиотечных проектов ..................................30

2.2.6. Удаление выбранных библиотек........................................................31

2.3. Настройка EMPro...................................................................................31

2.3.1. Вкладка General....................................................................................31

2.3.2. Вкладка Interface..................................................................................33

2.3.3. Панели инструментов..........................................................................34

2.3.4. Вкладка Commands..............................................................................35

2.3.5. Вкладка Modeling.................................................................................35

2.3.6. Вкладка Graphs.....................................................................................36

2.3.7. Вкладка Compatibilty...........................................................................37

2.3.8. Задание переменных............................................................................37

2.4. FEM-установки ......................................................................................42

2.5.Установка граничных условий...............................................................44

2.5.1. Типы граничных условий ...................................................................45

2.5.2. Граничные поверхности......................................................................45

2.5.3. Идеальный электрический проводник...............................................47

2.5.4. Идеальный магнитный проводник.....................................................47

2.5.5. Периодические граничные условия...................................................47

2.5.6. Плоскости симметрии .........................................................................47

2.6.Основы построения геометрии...............................................................48

Содержание

5

2.6.1. Ограничения на геометрию................................................................49

2.6.2. Сложные объекты................................................................................51

2.6.3. Основные операции построения........................................................51

2.6.4. Основные панели инструментов построения объекта.....................51

2.6.5. Панель инструментов преобразования геометрии объектов..........55

2.6.6. Панель инструментов просмотра моделей .......................................56

2.6.7. Настройка рабочей сетки....................................................................59

2.7.Создание двумерных объектов ..............................................................60

2.7.1. Рекомендации и ограничения.............................................................64

2.7.2. Пример: создание прямоугольника ...................................................64

2.8. Создание 3D-объектов ...........................................................................65

2.8.1. Базовые примитивы.............................................................................65

2.8.2. Создание объекта на основе операции трассировки .......................67

2.8.3. Создание объектов Bondwire..............................................................68

2.8.4. Создание объектов через описания уравнениями............................71

2.8.5. Модификация созданных объектов...................................................72

2.9. Привязка объекта....................................................................................92

2.10. Системы координат в EMPro ..............................................................95

2.10.1. Основные системы координат .........................................................95

2.10.2. Операции вращения, скручивания, изменения ориентации 

положения ..........................................................................................104

2.11. Работа с объектами.............................................................................108

2.11.1. Измерение расстояний, геометрическая параметризация...........108

2.11.2. Определение параметров материала, основные 

параметры и типы материалов.........................................................109

2.11.3. Электрические материалы..............................................................114

2.11.4. Магнитные материалы....................................................................123

2.12. Примеры создания геометрии...........................................................124

Содержание

6

2.12.1. Создание, назначение и изменение параметров 

прямоугольного волновода...............................................................124

2.12.2. Создание и изменение прямоугольного параллелепипеда..........127

2.13. Порты и индикаторы результатов расчета.......................................128

2.13.1. Добавление элементов в схему ......................................................128

2.13.2. Добавление пассивных сосредоточенных элементов..................129

2.13.3. Способы подключения питания.....................................................133

2.13.4. Основные типы внешнего возбуждения........................................134

2.13.5. Различные формы сигналов............................................................135

2.14. Порты индикаторов (датчиков).........................................................142

2.15. Представление результатов расчета .................................................146

2.15.1. Вычисление S-параметров, КСВ, коэффициентов отражения....153

2.15.2. Поле в ближней зоне .......................................................................155

2.15.3. Поле в заданной области на плоскости, на поверхности 

в объеме ..............................................................................................155

2.15.4. Поле в дальней зоне.........................................................................159

2.15.5. SAR-параметры................................................................................163

2.16. Просмотр результатов моделирования.............................................164

3. ОСОБЕННОСТИ ЧИСЛЕННЫХ МЕТОДОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ 
ЗАДАЧ В EMPro..........................................................................................175

3.1. Анализ электромагнитных полей........................................................175

3.2. Моделирование с использованием FDTD..........................................177

3.2.1. Метод FDTD EMI- Exact Field Values..............................................177

3.2.2. Метод FDTD S-parameter ..................................................................181

3.2.3. FEM S-parameters-метод....................................................................183

3.2.4. Антенна мобильных средств связи..................................................186

3.2.5. Использование метода дальнего поля .............................................189

3.3.Метод конечных разностей во временной области FDTD................190

3.3.1. Процесс моделирования....................................................................191

Содержание

7

3.3.2. Запуск моделирования ......................................................................191

3.3.3. Управление решением ......................................................................192

3.3.4. Моделирование очередей .................................................................192

3.4. Обзор FDTD ..........................................................................................192

3.4.1. Ячейка Yee с маркированными компонентами поля.....................193

3.4.2. Диэлектрическая сфера, сформированная в сетке FDTD .............194

3.4.3. Материалы..........................................................................................195

3.4.4. Ближняя зона и дальняя зона ...........................................................196

3.4.5. Широкополосные и установившиеся вычисления.........................197

3.4.6. Внешние границы излучения ...........................................................197

3.4.7. Вычислительные требования ...........................................................198

3.4.8. Создание FDTD-симулятора ............................................................199

3.4.9. Построение геометрии......................................................................200

3.4.10. Определение сетки и создание сетки ............................................200

3.4.11. Установки запуска проекта ............................................................201

3.4.12. Запуск моделирования ....................................................................201

3.4.13. Просмотр вывода.............................................................................201

3.4.14. Задание установки моделирования FDTD ....................................202

3.4.15. Отображение окна настройки программы FDTD ........................202

3.4.16. Настройка алгоритма изменения частоты ....................................203

3.4.17. Добавление новых параметров ......................................................203

3.4.18. Настройка S-параметров.................................................................204

3.4.19. Определение частот в симуляторах FDTD ...................................205

3.4.20. Вычисление рассеянной мощности...............................................206

3.4.21. Сохранение данных для пост-симуляции дистанционной 

стационарной обработки ..................................................................206

3.4.22. Определение частотного плана.....................................................207

3.4.23. Определение критериев завершения.............................................207

3.4.24. Определение сходимости ...............................................................208

Содержание

8

3.4.25. Дополнительные параметры...........................................................209

3.5. Особенности меширования в FDTD ...................................................211

3.5.1. Традиционная сетка для метода FDTD ...........................................211

3.5.2. Конформная сетка для метода FDTD ..............................................211

3.5.3. Таблица областей сетки ....................................................................212

3.5.4. Вкладка «Limits»................................................................................213

3.5.5. Использование редактора свойств сетки.........................................214

3.5.6. Определение параметров Solid Meshing..........................................217

3.5.7. Отображение сетки............................................................................218

3.5.8. Использование конформного меширования...................................219

3.5.9. Выбор подходящего размера ячейки...............................................220

3.6. Добавление формы сигнала для временной рефлектометрии .........223

3.7. Просмотр результатов волны TDR .....................................................224

3.8. GPU-ускорение для моделирования FDTD........................................224

3.9. Установки GPU-ускорения..................................................................225

3.10. Примеры моделирования в FDTD.....................................................227

3.10.1. Моделирование коаксиального листа с помощью FDTD............227

3.10.2. Настройка моделирования FDTD ..................................................230

3.10.3. Создание симулятора фильтра низких частот ..............................231

3.10.4. Представление напряженности электрического поля .................242

3.11. Создание Monopole antenna ...............................................................243

3.12. Расчет удельной поглощаемой мощности SAR...............................252

3.13. Моделирование витой пары...............................................................256

3.14. Использование портов в симуляторах FDTD ..................................260

3.15. Методы моделирования FEM............................................................262

3.15.1. Метод конечных элементов. Базисные функции .........................262

3.15.2. Связь меширования и точности решения......................................264

3.15.3. Режимы и частота ............................................................................267

3.15.4. Режимы и множественные порты на поверхности.......................267

Содержание

9

3.15.5. Границы портов ...............................................................................268

3.15.6. Поглощение (излучение) ................................................................268

3.15.7. Отображение вычисленных полей.................................................269

3.15.8. Расчет портов и вычисление импеданса .......................................269

3.16. Визуализация и отображение результатов ......................................270

3.16.1. Обзор процесса FEM-симуляции...................................................270

3.16.2. Новый низкочастотный алгоритм FEM ........................................271

3.16.3. Обзор режима собственных гармоник ..........................................272

3.16.4. Отбор проб тетраэдров....................................................................272

3.16.5. Матричная система с собственными модами...............................272

3.16.6. Точность и уточнение сетки...........................................................273

3.16.7. Отображение результатов...............................................................273

3.17. Обзор метода FEM для двумерных портов......................................273

3.18. Основные установки FEM-моделирования .....................................275

3.18.1. Выбор симулятора FEM..................................................................275

3.18.2. Завершение процесса настройки программы установки.............276

3.18.3. Настройки меширования ................................................................279

3.18.4. Выбор способа решения в FEM .....................................................282

3.18.5. Определение свойств сходимости .................................................287

3.18.6. Управление симуляцией собственного режима...........................292

3.18.7. Особенности меширования ............................................................292

3.18.8. Автоматический выбор частоты после процесса настройки ......295

3.18.9. Просмотр сетки меширования FEM ..............................................298

3.19. Использование портов в моделировании FEM ...............................302

3.19.1. Волноводный порт ..........................................................................303

3.19.2. Создание волноводного порта .......................................................304

3.19.3. Задание размеров порта ..................................................................306

3.19.4. Узловые и модальные порты..........................................................308

3.20. Вычисление S-параметров при FEM-моделировании....................313