EMCUBE_Overview

1、仿 真 智 領(lǐng) 創(chuàng) 新Simulating inspires innovation中仿科技December 5, 2021EM.CUBE 整體介紹仿 真 智 領(lǐng) 創(chuàng) 新Simulating inspires innovation仿 真 智 領(lǐng) 創(chuàng) 新Simulating inspires innovationEM.CUBE EM.CUBE 簡要概括簡要概括2多尺度多引擎電磁仿真工具多尺度多引擎電磁仿真工具模塊化的架構(gòu)模塊化的架構(gòu)CubeCAD前處理模塊提供了一個通用的，參數(shù)化的三維前處理模塊提供了一個通用的，參數(shù)化的三維CAD建模環(huán)境，同時包括各種網(wǎng)格生成功能建模環(huán)境，同時包括各種網(wǎng)格生成功能

2、模擬引擎作為插件，使用模擬引擎作為插件，使用ASCII碼輸入和輸出數(shù)據(jù)文件碼輸入和輸出數(shù)據(jù)文件在同一平臺下共享所有的數(shù)據(jù)可視化和計算，模型生成，在同一平臺下共享所有的數(shù)據(jù)可視化和計算，模型生成， 掃描和優(yōu)化工具掃描和優(yōu)化工具仿 真 智 領(lǐng) 創(chuàng) 新Simulating inspires innovation仿 真 智 領(lǐng) 創(chuàng) 新Simulating inspires innovation計算電磁學(xué)計算電磁學(xué)(CEM)(CEM)3CEM 方法可以分作三大類：方法可以分作三大類：靜態(tài)靜態(tài) & 準(zhǔn)靜態(tài)準(zhǔn)靜態(tài) (低頻低頻)全波全波 (通用通用&精確精確)漸進漸進 (高頻高頻) 全波算法是

3、將麥克斯韋方程組的動態(tài)場形式離散化，再全波算法是將麥克斯韋方程組的動態(tài)場形式離散化，再求解每個網(wǎng)格單元上降階的離散方程。求解每個網(wǎng)格單元上降階的離散方程。仿 真 智 領(lǐng) 創(chuàng) 新Simulating inspires innovation仿 真 智 領(lǐng) 創(chuàng) 新Simulating inspires innovationWHAT TO SOLVE & HOW TO SOLVE IT?WHAT TO SOLVE & HOW TO SOLVE IT?4為給定的問題選擇一個適合的數(shù)值算法一直是電磁模擬的一為給定的問題選擇一個適合的數(shù)值算法一直是電磁模擬的一大難題。大難題。我們常常會找到不

4、止一種的數(shù)值算法來求解同一個問題。我們常常會找到不止一種的數(shù)值算法來求解同一個問題。由于準(zhǔn)確性，計算效率，結(jié)構(gòu)和材料的復(fù)雜度和幾何精度的由于準(zhǔn)確性，計算效率，結(jié)構(gòu)和材料的復(fù)雜度和幾何精度的不同，不同的算法對于計算資源的要求也各不一樣。不同，不同的算法對于計算資源的要求也各不一樣。仿 真 智 領(lǐng) 創(chuàng) 新Simulating inspires innovation仿 真 智 領(lǐng) 創(chuàng) 新Simulating inspires innovation模型模型 &數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)庫模擬引擎模擬引擎網(wǎng)格生成網(wǎng)格生成CAD建模建模后處理與后處理與可視化可視化EM.CUBE EM.CUBE 架構(gòu)圖架構(gòu)圖CUB

5、ECUBEEM.CUBE仿 真 智 領(lǐng) 創(chuàng) 新Simulating inspires innovation仿 真 智 領(lǐng) 創(chuàng) 新Simulating inspires innovationEM.CUBE EM.CUBE 模擬引擎模擬引擎6FDTD (Open MP & GPU 加速加速)Planar MoM, Wire MoM and Surface MoM (MPI & AIM 加速加速)SBR 光線追蹤光線追蹤(k-d 樹算法加速樹算法加速)(迭代）物理光學(xué)法迭代）物理光學(xué)法(Open MP)3D 靜態(tài)靜態(tài) & 2D 準(zhǔn)靜態(tài)準(zhǔn)靜態(tài) (傳輸線傳輸線)集成集成EMAG電

6、路模擬工具（電路模擬工具（ B2.Spice A/D ）：模擬）：模擬電路，數(shù)字電路及混合信號電路仿真器電路，數(shù)字電路及混合信號電路仿真器仿 真 智 領(lǐng) 創(chuàng) 新Simulating inspires innovation仿 真 智 領(lǐng) 創(chuàng) 新Simulating inspires innovation優(yōu)勢優(yōu)勢7更快的學(xué)習(xí)曲線更快的學(xué)習(xí)曲線: 統(tǒng)一的界面，共同的輸入輸出平臺，不同的模擬引統(tǒng)一的界面，共同的輸入輸出平臺，不同的模擬引擎（全波，漸進，靜態(tài)，等等）擎（全波，漸進，靜態(tài)，等等）基準(zhǔn)測試環(huán)境：基準(zhǔn)測試環(huán)境：使用各種算法進行快速的測試與驗證使用各種算法進行快速的測試與驗證(V&V)

7、更多的選擇性更多的選擇性: 沒有一種單一的數(shù)值算法能夠解決所有的仿真問題沒有一種單一的數(shù)值算法能夠解決所有的仿真問題多尺度混合仿真多尺度混合仿真: 利用惠更斯表面數(shù)據(jù)，惠更斯源激勵和其它的界面利用惠更斯表面數(shù)據(jù)，惠更斯源激勵和其它的界面功能實現(xiàn)混合仿真功能實現(xiàn)混合仿真分布式計算分布式計算: 在一個或多個遠程或聯(lián)網(wǎng)的計算機上實現(xiàn)并行計算，比在一個或多個遠程或聯(lián)網(wǎng)的計算機上實現(xiàn)并行計算，比如高性能計算平臺（如高性能計算平臺（HPC）易擴展易擴展: 可快速轉(zhuǎn)變的引擎接口與集成化可快速轉(zhuǎn)變的引擎接口與集成化仿 真 智 領(lǐng) 創(chuàng) 新Simulating inspires innovation仿 真 智 領(lǐng)

8、 創(chuàng) 新Simulating inspires innovationFDTD FDTD 模擬模擬 vs. Planar vs. Planar 矩量法矩量法 模擬模擬Planar 矩量法網(wǎng)格: 216 單元無限大均勻襯底FDTD 網(wǎng)格: 55 23 27 =34,155 單元 有限襯底復(fù)合材料成分8仿 真 智 領(lǐng) 創(chuàng) 新Simulating inspires innovation仿 真 智 領(lǐng) 創(chuàng) 新Simulating inspires innovationEM.TEMPO:EM.CUBEs FDTD EM.TEMPO:EM.CUBEs FDTD 模塊模塊材料類型材料類型: : 完美電導(dǎo)體（P

9、EC）, 完美磁導(dǎo)體（PMC）, 均勻電介質(zhì), 各向異性電介質(zhì), 色散, 來自數(shù)據(jù)庫或用函數(shù)表征的非均質(zhì)材料邊界條件邊界條件: : PEC, PMC,卷積完全匹配層（CPML）, 周期性 (采用在水平方位上固定恒定波數(shù)的方法)激發(fā)源的種類激發(fā)源的種類: : 集總源, 波導(dǎo)源(TEmn 和 TMmn 模式), 平面波, 高斯光束(HGmn 模式), 分布源, 惠更斯源集總元件集總元件: : 電阻器, 電容, 電感, 非線性二極管網(wǎng)格網(wǎng)格: : 自適應(yīng)時域有限差分網(wǎng)格（Yee mesh），自動匹配材料和模型幾何觀察量觀察量: : 場分布(時域 & 頻域), 時域近場, 遠場圖,單、雙站雷達

10、散射截面（RCS）, S/Y/Z 參數(shù), 惠更斯表面數(shù)據(jù),反射和透射系數(shù), k-beta圖, 能量圖, 等等.9仿 真 智 領(lǐng) 創(chuàng) 新Simulating inspires innovation仿 真 智 領(lǐng) 創(chuàng) 新Simulating inspires innovationEM.CUBE: FDTD EM.CUBE: FDTD 模塊模塊TE10 波導(dǎo)饋電式號角天線激發(fā)下的拋物線盤狀反射器輻射場微帶饋電的半球形介質(zhì)諧振天線聚焦高斯光束經(jīng)過雙層負(fù)折射率左手材料的傳播情況仿 真 智 領(lǐng) 創(chuàng) 新Simulating inspires innovation仿 真 智 領(lǐng) 創(chuàng) 新Simulating i

11、nspires innovationEM.CUBE: FDTD EM.CUBE: FDTD 模塊模塊緊湊型磁介天線（緊湊型磁介天線（Compact Magneto-Dielectric Antennas）仿 真 智 領(lǐng) 創(chuàng) 新Simulating inspires innovation仿 真 智 領(lǐng) 創(chuàng) 新Simulating inspires innovationEM.CUBE: FDTD EM.CUBE: FDTD 模塊模塊模擬一個立方衛(wèi)星（模擬一個立方衛(wèi)星（Cube Satellite）12仿 真 智 領(lǐng) 創(chuàng) 新Simulating inspires innovation仿 真 智 領(lǐng)

12、創(chuàng) 新Simulating inspires innovationEM.CUBE: EM.CUBE: 基于基于GPUGPU加速的加速的FDTDFDTD引擎引擎幻影戰(zhàn)斗機幻影戰(zhàn)斗機模型頻率模型頻率: 600 MHz激發(fā)源類型激發(fā)源類型: 平面波源總單元數(shù)總單元數(shù): 25 Million總模擬時間總模擬時間: 15 minutes總模擬時間=網(wǎng)格生成時間+ FDTD 循環(huán)時間 +輻射場后處理計算時間模型頻率模型頻率 400 MHz激發(fā)源類型激發(fā)源類型: 半波偶極子天線總單元數(shù)總單元數(shù): 16 Million總模擬時間總模擬時間: 6 minutes提速提速 50 x 仿 真 智 領(lǐng) 創(chuàng) 新Simu

13、lating inspires innovation仿 真 智 領(lǐng) 創(chuàng) 新Simulating inspires innovationEM.CUBE: EM.CUBE: 基于基于GPUGPU加速的加速的FDTDFDTD引擎引擎F-16戰(zhàn)隼式戰(zhàn)斗機戰(zhàn)隼式戰(zhàn)斗機模型頻率模型頻率: 800 MHz激發(fā)源類型激發(fā)源類型: 平面波源總單元數(shù)總單元數(shù): 26 Million總模擬時間總模擬時間: 12 minutes總模擬時間=網(wǎng)格生成時間+ FDTD 循環(huán)時間 +輻射場后處理計算時間F-15鷹式戰(zhàn)斗機鷹式戰(zhàn)斗機模型頻率模型頻率 400 MHz激發(fā)源類型激發(fā)源類型: 半波偶極子天線總單元數(shù)總單元數(shù): 30

14、Million總模擬時間總模擬時間: 18minutes仿 真 智 領(lǐng) 創(chuàng) 新Simulating inspires innovation仿 真 智 領(lǐng) 創(chuàng) 新Simulating inspires innovation周期性結(jié)構(gòu)的周期性結(jié)構(gòu)的FDTDFDTD周期性結(jié)構(gòu)受到任意角度的周期性結(jié)構(gòu)受到任意角度的平面波入射激勵平面波入射激勵在使用FDTD模擬周期性問題時，k k 2 k 2 保持為恒定值，所要計算的解為(f, )的函數(shù)lxy15仿 真 智 領(lǐng) 創(chuàng) 新Simulating inspires innovation仿 真 智 領(lǐng) 創(chuàng) 新Simulating inspires innovat

15、ion頻域全波求解器頻域全波求解器矩量法矩量法(MOM) 并矢格林函數(shù)法（并矢格林函數(shù)法（Dyadic GreensFunction Solution）電偶極矩產(chǎn)生的電場電偶極矩產(chǎn)生的電場磁偶極矩產(chǎn)生的電場磁偶極矩產(chǎn)生的電場電偶極矩產(chǎn)生的磁場電偶極矩產(chǎn)生的磁場磁偶極矩產(chǎn)生的磁場磁偶極矩產(chǎn)生的磁場16GE J GE M GH J GHM仿 真 智 領(lǐng) 創(chuàng) 新Simulating inspires innovation仿 真 智 領(lǐng) 創(chuàng) 新Simulating inspires innovation 模擬中用電壓源表征金屬微帶(PEC)上的間隙激勵（gap source）模擬中用一個電流源表征縫隙

16、上的間隙激勵（gap source）I 0, j 2,3,.1V111 jIZ用集總單元（電路）來建立縫隙間的歐姆關(guān)系17gap源源 &集總電路集總電路 & 基于基于prony算法的端口特性分析算法的端口特性分析 仿 真 智 領(lǐng) 創(chuàng) 新Simulating inspires innovation仿 真 智 領(lǐng) 創(chuàng) 新Simulating inspires innovationEM.CUBEEM.CUBE中的矩量法（中的矩量法（MoMMoM）求解器）求解器18平面矩量法（平面矩量法（Planar MoM）: 混臺位積分公式(MPIE)適用于平面結(jié)構(gòu)的仿真，譜域公式則適用于周期性結(jié)

17、構(gòu)的仿真。上述結(jié)構(gòu)中還包含若干數(shù)量的襯底層，金屬組件、凹槽、垂直互聯(lián)及介電薄層等。線矩量法（線矩量法（Wire MoM）: Pocklington 積分方程求解金屬線框結(jié)構(gòu)面矩量法（面矩量法（Surface MoM）: 使用電磁場積分公式EFIE/MFIE/CFIE和PMCHWT模擬集成各類金屬組件、絕緣介質(zhì)和復(fù)合組件的面結(jié)構(gòu)和體結(jié)構(gòu)，并支持MPI和AIM加速激發(fā)源的種類激發(fā)源的種類: 間隙激勵源（Gap sources），短偶極源，平面波, 惠更斯源，以及S參數(shù)計算（基于Prony算法）的非嵌入式源網(wǎng)格網(wǎng)格: 適用于線MoM和面MoM計算的三角形網(wǎng)格，適用于3D平面MoM計算的三角形/四邊形

18、混合網(wǎng)格，并且同時支持局部網(wǎng)格控制及STL格式網(wǎng)格對象的輸入和輸出仿 真 智 領(lǐng) 創(chuàng) 新Simulating inspires innovation仿 真 智 領(lǐng) 創(chuàng) 新Simulating inspires innovationEM.CUBE: EM.CUBE: 平面（平面（Planar MoMPlanar MoM）模塊）模塊模擬截取一角的U型CP貼片天線19Wilkinson功率分配器功率分配器仿 真 智 領(lǐng) 創(chuàng) 新Simulating inspires innovation仿 真 智 領(lǐng) 創(chuàng) 新Simulating inspires innovationEM.CUBE: EM.CUBE:

19、 平面（平面（Planar MoMPlanar MoM）模塊）模塊64個單元的矩形貼片天線陣列位于三層上下有金屬盤的導(dǎo)體襯底上傳統(tǒng)傳統(tǒng)矩量法矩量法NCCBFNCCBF矩量法矩量法系統(tǒng)規(guī)模（單元數(shù)）11,728336線性系統(tǒng)延拓時間354 sec354 sec(BiCG)(BiCG)199 Iterations199 Iterations2 sec (LU)2 sec (LU)總計算時間504 sec152 secNCCBF:數(shù)值構(gòu)造特征基函數(shù)（Numerically Constructed Characteristic Basis Functions）仿 真 智 領(lǐng) 創(chuàng) 新Simulating

20、 inspires innovation仿 真 智 領(lǐng) 創(chuàng) 新Simulating inspires innovationEM.CUBE:EM.CUBE:面矩量法（面矩量法（Surface MoM Surface MoM ）模塊）模塊SMOM 網(wǎng)格網(wǎng)格在平面波法向入射激勵下兩個相鄰在平面波法向入射激勵下兩個相鄰PEC球的輻射場球的輻射場分析分析N = 2280單個單個CPU進行進行165次迭代的總計算時間：次迭代的總計算時間：327 sec 使用使用8核核CPU經(jīng)經(jīng)165次迭代次迭代MPI并行計算時間：并行計算時間：52 sec 仿 真 智 領(lǐng) 創(chuàng) 新Simulating inspires i

21、nnovation仿 真 智 領(lǐng) 創(chuàng) 新Simulating inspires innovationEM.CUBE: 面矩量法（面矩量法（Surface MoM ）模塊）模塊帶有縫隙的中空波導(dǎo)雷達散射界帶有縫隙的中空波導(dǎo)雷達散射界面面RCS分析分析22仿 真 智 領(lǐng) 創(chuàng) 新Simulating inspires innovation仿 真 智 領(lǐng) 創(chuàng) 新Simulating inspires innovationEM.CUBE: SBR 光線追蹤光線追蹤捕食者無人機在城市上空飛行捕食者無人機在城市上空飛行仿 真 智 領(lǐng) 創(chuàng) 新Simulating inspires innovation仿 真

22、智 領(lǐng) 創(chuàng) 新Simulating inspires innovationEM.CUBE: SBR EM.CUBE: SBR 光線追蹤光線追蹤位置位置A位置位置 B位置位置C24仿 真 智 領(lǐng) 創(chuàng) 新Simulating inspires innovation仿 真 智 領(lǐng) 創(chuàng) 新Simulating inspires innovationEM.CUBE: SBR EM.CUBE: SBR 光線追蹤光線追蹤25仿 真 智 領(lǐng) 創(chuàng) 新Simulating inspires innovation仿 真 智 領(lǐng) 創(chuàng) 新Simulating inspires innovationEM.CUBE: EM

23、.CUBE: 迭代物理光學(xué)法迭代物理光學(xué)法 (IPO) (IPO)廣義積分方程廣義積分方程:仿 真 智 領(lǐng) 創(chuàng) 新Simulating inspires innovation仿 真 智 領(lǐng) 創(chuàng) 新Simulating inspires innovationEM.CUBE: EM.CUBE: 迭代物理光學(xué)法迭代物理光學(xué)法 (IPO) (IPO)廣義廣義 IPO算法算法:J(0) (r) 1 n Hinc (r)M(0) (r) 1 n Einc (r)仿 真 智 領(lǐng) 創(chuàng) 新Simulating inspires innovation仿 真 智 領(lǐng) 創(chuàng) 新Simulating inspires i

24、nnovationEM.CUBE: EM.CUBE: 迭代物理光學(xué)法迭代物理光學(xué)法 (IPO) (IPO)在頻率在頻率1.0 GHz下的下的三面角反射器三面角反射器FDTD: E-FieldFDTD: H-FieldIPO: E-FieldIPO: H-FieldFDTD方法:網(wǎng)格數(shù): 12.3 million cells GPU 加速計算速度 243 MCells/s總計算時間: 175 secIPO方法:網(wǎng)格數(shù): 5600 三角形網(wǎng)格單元Open-MP 加速經(jīng)過4次迭代至收斂總計算時間: 55 sec28仿 真 智 領(lǐng) 創(chuàng) 新Simulating inspires innovation仿 真 智 領(lǐng) 創(chuàng) 新Simulating inspires i