高頻電磁仿真軟件的選型和評估

軟件評估報告，選型對比報告，年年要，年年寫，每次都是扣腦殼拼拼湊湊，痛苦，有木有？

好吧，為了幫到有這樣需求的各位攻城獅們，這里梳理一下，來一個“全面而專業(yè)”的軟件評估和軟件選型的“標準模型”，專業(yè)又全面，客觀又公正，一看就是正經(jīng)的，在老板面前，也可以挺直腰桿，說話硬氣了。

來吧，從評估流程說起。

仿真軟件采購評估一般流程

決策流程牽涉到企業(yè)的方方面面，但大同小異，總體來說，會包括以下幾個階段：

市場分析

選擇參評的軟件廠商

調整和細化評估模型

市場研究

軟件評估

發(fā)布報告市場分析選擇分析的目標市場，基于新技術發(fā)布的趨勢和用戶需要了解的市場變化，幫助客戶規(guī)劃，投資決策。

選擇參評的軟件廠商軟件評估不是要評估市場上所有同類軟件，而是進行聚焦。根據(jù)市場份額、客戶數(shù)量、裝機數(shù)量、產(chǎn)品類型活其他定義的特征來選擇候選廠商。

調整和細化評估模型根據(jù)評估框架和待評軟件類別定義合適的評估指標和權重。

市場研究舉行多種市場研究活動，比如：1.廠商演示和介紹；2. 與廠商推薦的客戶進行座談；3. 與最終客戶進行訪談；4. 分析社交媒體上的評論或反饋。

軟件評估采用評估模型，對軟件進行全面評估，整理和分析評估數(shù)據(jù)。

發(fā)布報告根據(jù)評估的數(shù)據(jù)和結果編寫分析報告。

仿真軟件評估的三個維度

目前，市面上商用仿真軟件門類繁多，要了解所有的軟件，幾乎是不可能的，簡直比看懂巨額保險條款還難。那么，這里就不糾結于細枝末節(jié)了，而聚焦在主要矛盾上，怎么分類，怎么衡量，怎么考察？

簡單的來說，按照應用領域來分，仿真軟件可分為兩大類：

通用仿真軟件，如ANSYS的系列專業(yè)軟件，奧泰爾的系列專業(yè)軟件；

專用仿真軟件，如隱身設計仿真軟件，冶金成型仿真軟件等。專用仿真軟件由于應用面小，具有非常大的針對性，在易用性和模板化程度方面，往往更討喜。而工程設計中，靈活性和軟件的潛能開發(fā)，也是極其重要的方面。通用仿真軟件由于其良好的可開拓價值，成熟的底層算法和架構，更全面的資源利用和可持續(xù)性，在仿真軟件市場上，具有絕對核心的市場地位。

這里討論的仿真軟件評估模型，主要針對通用仿真軟件，這樣的比較和評測更具有實際價值。

通用軟件需要面對各種各樣的仿真場景，不同的場景，所關注的功能以及功能的要求也不同，所以，在評估和對比的時候，就需要根據(jù)不同的場景做相應的調整，最好能有量化的評估結果。

評估模型可從三個主要的維度進行：

能不能？（功能點）

好不好？（成熟度）

具體場景需求功能是否滿足？（應用場景）A. 功能點

此維度，主要在于考察軟件是否具備最通用最基本的交互、計算、優(yōu)化以及后處理方面的功能。這些功能往往是仿真應用中最為基礎，最為入門的需求，直接關系到軟件在實際工程仿真中能不能成功應用，以及應用的效率和效果。

簡單的說，主要有以下幾個方面：

前處理，這部分功能主要包括，界面是否易用，是否成熟，是否高效，是否美觀

是否具備模型處理功能，是否可以實現(xiàn)模型的導入，修復，簡化等仿真必須功能

是否支持材料屬性的定義，比如頻變材料，溫變材料，各向異性材料，是否具有材料庫等與材料有關的功能

軟件是否具備網(wǎng)格剖分的功能，是否可手動劃分網(wǎng)格，是否支持網(wǎng)格剖分加速求解器，這部分功能主要包括，

求解器所采用的算法是否成熟

是否有多種算法，比如頻域算法體系的有限元算法，積分方程算法，是否具備加速方法，比如多層快速多極子算法，

是否具備時域算法功能

是否具備本征模及特征模求解功能

是否具有微放電求解功能

求解的核心邏輯以及精度保證策略如何掃參及優(yōu)化，這部分功能主要包括，

是否具備參數(shù)掃描功能

是否具備多參數(shù)優(yōu)化功能

是否具備與第三方優(yōu)化器（如Matlab）聯(lián)合優(yōu)化的能力

是否具備敏感度分析功能

是否具備數(shù)值實驗（DOE）功能后處理，這部分主要包括

以上列舉的只是最基本的核心部分，有沒有所需要的功能，直接關系到軟件是否能用于實際工程問題，所以尤為重要。當然，實際評估中，還需要根據(jù)單位自身的業(yè)務情況，重點考察與業(yè)務直接相關的具體功能點。

后處理結果提取，包括端口參數(shù)（SYZ參數(shù)）提取

場數(shù)據(jù)提取功能，如近場，遠場提取功能

變激勵條件下，提取結果的重復計算代價

后處理的效率提升和模板定義，如腳本化后處理

特定領域的功能，如5G終端天線的CDF曲線，RCS領域的ISAR成像等B. 成熟度

這部分，主要價值在于基本功能滿足之后，擇優(yōu)軟件以提高效率和效果。當今社會，工程研發(fā)領域的競爭日趨殘酷，本質上是一場與時間賽跑的游戲，容不得懈怠和應付。

主要可從以下幾個方面來考慮評估：

精度

我們研究問題，不管用什么樣的方式方法，都是一種對客觀存在的認識和表達，比如用科學公式，用儀器儀表，用比對試紙，還是用仿真軟件，比對的標準，都是實驗結果。所以，精度問題是一個相對問題，只有更好，沒有最好。凡事必有代價，需要取舍的是在可承受的代價范圍內(nèi)，獲取更為科學的有實際價值的結果。

對于仿真軟件的精度來說，本質上，是一個數(shù)值逼近的過程，從幾何模型的離散化，到基函數(shù)定義，到矩陣構建，到矩陣方程的求解，每一步都是一次數(shù)學上的近似，方法的適用性總是存在這樣那樣的局限性，因此，對于使用者來說，最需要關注的問題是，軟件用什么樣的策略，來達到精度和速度方面的平衡，以及如何規(guī)避軟件算法本身的局限性。

比如，為了降低對使用人員的依賴性，可采用軟件自適應迭代的方式，用數(shù)值收斂的方式來強迫軟件達到數(shù)值上的精度可信度。大家都知道，這是Ansoft公司軟件采用的核心技術，該公司于2008年被ANSYS公司全資收購。

效率

時間就是金錢，如何能算得更快更準永遠是仿真工程師，尤其是仿真軟件的研發(fā)工程師們追求的目標。

其一是采用好的算法，優(yōu)化算法實現(xiàn)的代碼；其二是提高并行規(guī)模和并行效率，比如多核并行，跨節(jié)點并行，多層級并行算法，GPU加速，云計算平臺支持等有關功能。

當然，還有其三，就是應用工程師對問題進行合理簡化，加速計算過程的同時，把精度控制在合理范圍內(nèi)。不過這一點是跟人有關的，我們選擇購買軟件的時候，可以把這一點單列。通常情況下，不能要求應用工程師都是大師級的應用專家，即便是，大師如果把精力更多的集中在設計本身，一定更加有價值。

易用性

再好的核心算法，也需要好的用戶交互方式，達到人機合一，高效完成任務。這部分的影響因素，一是軟件的總體框架，二是軟件的使用界面。

擴展性

軟件不可能做到無所不包，窮盡所有可能的功能。所以，軟件需要具備一定的開放性，用于彌補本身功能的局限。所以軟件最好能夠具備開放的接口，具備二次開發(fā)的支持，具備多學科，多軟件的協(xié)同功能。

美觀度

軟件的美觀度雖然是仁者見仁智者見智的事情，不過對于使用者來說，其實也是不容忽視的一個方面。巨丑無比的界面，如果不是不可替代，誰還會繼續(xù)堅持用下去呢？

市場認可度

跟買車一樣，保有量少的車，后期的維護費用，配件供給，服務，都難以為繼，仿真軟件門檻高，對開發(fā)公司的實力要求極高，而公司的運營完全依賴于市場的營業(yè)額，很難想象，一個小眾軟件，經(jīng)過若干年的市場優(yōu)勝劣汰之后，還能保持健康的維護升級和更新。而沒有升級和更新的軟件產(chǎn)品，就如同Windows xp在微軟宣布不再維護以后，如同一個棄兒，逃不掉自生自滅的命運。

市場認可度主要從三個方面來看，一是用戶基數(shù)，二是基數(shù)支持的實力，三是在用戶群里的口碑指數(shù)。C. 應用場景

不同的應用場景，所關注的具體功能和需求也是有差別的，這個維度主要是針對具體的應用領域，提出一些特定的功能需求和考察項目。

以高頻電磁場仿真軟件為例，其應用場景主要可分為如下一些種類：

1.常規(guī)天線

這個領域是高頻的經(jīng)典應用領域，相對難度最小，最成熟，也是最考驗軟件基礎實力的領域。主要關注的關鍵技術包括：

端口類型，端口定義

共形建模和仿真

疊層建模和仿真

天線匹配結構設計與優(yōu)化

邊界的模擬條件2.陣列天線

相控陣是炙手可熱的高頻應用場景，也是軍工和5G為代表的高科技領域最為核心的技術之一，技術難度最大，最受關注，也最能體現(xiàn)軟件的綜合實力。主要關注的關鍵技術包括：

天線庫與天線單元

快速陣列建模能力

大型陣列天線快速計算能力

相控陣快速掃描能力

相控陣輻射特性快速評估

平面疊層結構陣列天線

饋電網(wǎng)絡與陣列一體化設計和仿真能力

陣列可靠性仿真能力及有關的擴展性3. 終端天線

在5G，IoT蓬勃發(fā)展的今天，終端作為極其重要又數(shù)量最為眾多的一個部分，市場空間最大最分散，目標體積最小最靈活多樣，對陣列天線的設計要求也越高。在毫米波頻段，更加需要特別考察有關的關鍵技術，包括：

天線模型貼附功能，解決共形建模問題

場路協(xié)同功能，解決封裝天線問題（Aip）

場路協(xié)同功能，解決天線匹配調諧問題

特征模功能

頭、手模型對天線性能影響

頭、身體、SAR仿真

終端產(chǎn)品整機仿真能力，包括復雜模型網(wǎng)格剖分，模塊化建模，頻變材料，高性能計算，分布式掃參功能

平面疊層結構的建模和仿真能力4. 天線罩

天線罩作為一個特定的類別，其問題特征很明顯，就是模型復雜度高，尤其是帶FSS的天線罩，主要需要特別考察的功能包括：

天線罩建模能力，天線-天線罩一體化建模能力，以及依據(jù)材料特性的建模，設計和優(yōu)化能力

FSS設計建模能力

FSS天線罩的建模和仿真能力，包括共形建模功能，復雜網(wǎng)格剖分功能，大規(guī)模計算能力

大規(guī)模計算和優(yōu)化能力5. 目標特性

電磁隱身屬于專用領域的關注問題，一般用于軍工，隨著ADAS，目標感知等新興技術的使用，在民用領域也具有一定的應用前景。需要關注的主要功能包括：

復雜模型建模和預處理能力，包括

模型導入，簡化，修復能力

復雜模型的網(wǎng)格剖分能力

目標表面反射特性建模能力

涂層模擬及優(yōu)化能力

腔體目標的仿真計算能力

天線等強輻射結構的RCS仿真能力超電大計算能力，主要考察超電大問題的算法，以及 高性能計算的支持規(guī)模和并行加速效果

后處理功能，主要包括ISAR，Range-Doppler成像，以及Rang Profile成像功能6. 微波電路與器件

該應用場景屬于經(jīng)典應用領域，雖然在早期發(fā)展階段，仿真技術就是基于這部分應用而進行的，到今天，還依然有不少較為挑戰(zhàn)的問題。需要關注的主要技術功能包括：

模型復用能力，如部件建模，部件裝配，模型加密共享等現(xiàn)代化協(xié)作式研發(fā)所需要的功能

有源和無源部件協(xié)同仿真能力

設計探索功能，包括伴隨求導，實時調諧，參數(shù)掃描，自動優(yōu)化，敏感度分析，以及數(shù)值實驗等新興技術的使用

多層平面結構的建模和仿真能力

可靠性仿真能力，如跨學科問題，電熱耦合等問題7. 無線電總體

這個應用領域主要包括航電，OEM車廠，基站，各種多功能終端，載車，船舶等的無線電總體部門關注的多射頻系統(tǒng)問題，屬于比較專門的應用領域。主要需要考察的技術包括：

系統(tǒng)鏈路的建模和模擬能力，如指標分配，裕量設計

系統(tǒng)可靠性，電-熱-結構方面的耦合問題

共址干擾，天線布局仿真能力

射頻系統(tǒng)干擾問題的模擬和仿真能力8. 汽車電子

汽車電子作為一個單獨的領域，主要是由于近年來的自動輔助駕駛技術（ADAS）的發(fā)展以及智能網(wǎng)聯(lián)汽車（v2X）技術的發(fā)展，值得將目光單獨聚焦到新興汽車電子這個專門的領域，來考慮以下這個方面所需要的關鍵技術。主要包括：

8. 其他應用場景

電磁場和電磁波是現(xiàn)代電子系統(tǒng)中非常核心的應用支撐，所以高頻電磁場的問題五花八門，無法一一窮盡，這里列舉了主要的一些場景，供大家參考，限于能力所限，未觸及的部分，歡迎大家多多提意見，如果能幫到行業(yè)里面有類似需求的朋友，將是莫大的榮幸。

車載天線設計

整車環(huán)境下天線性能仿真能力

整車系統(tǒng)級抗干擾問題模擬能力，包括天線建模，與供應鏈協(xié)作仿真能力（知識產(chǎn)權保護），整車電磁兼容抗干擾仿真能力

ADAS系統(tǒng)毫米波雷達仿真能力，包括

道路、地形及建筑物模擬

車輛動態(tài)場景模擬

雷達參數(shù)定義

時域場景仿真能力

多普勒效應分析V2X系統(tǒng)仿真能力，包括

天線及天線系統(tǒng)

射頻通道與射頻干擾

物理信道建模能力

動態(tài)場景模擬能力結語

限于知識和眼界，無法做到面面俱到，但求從應用者的角度出發(fā)，為應用工程師們拋磚引玉，將高頻仿真軟件的選型和評估對比的有關因素羅列一二，希望幫到有需要的朋友們。

群眾的眼睛是雪亮的，歡迎任何建議和意見，接受一切合理的批評和指正！