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面向電磁兼容（EMC），天線系統設計和生物電磁學的三維全電磁仿真設計軟件。它起源于瑞士聯邦理工學院（Swiss Federal Institute of Technology）開發的交變方向隱式時域有限差分（ADI-FDTD）算法，旨在全面解決無線電設備、生物醫療、汽車電子等領域的電磁兼容安全性問題。
SEMCAD軟件在電磁兼容、天線系統分析設計、微波電路、電磁散射、光器件、汽車電子、生物電磁、醫學醫療等領域有廣泛的應用。它可以幫助電磁相關部門和系統設計工程師避免在原型機或制造階段付出昂貴的代價，將設計風險轉移到計算機的數值模擬階段，從而使企業減少設計時間，降低設計成本，提高產品質量和可靠性，縮短產品上市時間，最終增加企業利潤。采用電磁仿真分析軟件，借助高性能計算模擬進行產品設計、驗證已經成了當今生產、研發領域必備的重要手段。

目前，SEMCAD憑借其高性能的FDTD求解器、無與倫比的計算速度和強大的多目標多參數多頻率的優化功能，在EMC和天線設計等領域已經逐漸成為電磁仿真設計標準工具包，為電子、通信、醫療、航空、航天、汽車等行業提供有效的電磁設計解決方案。

SEMCAD功能特點

1 強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核ACIS，操作界面是完全Windows風格，易學易用。QTech算圖引擎可輕松處理一萬個以上的CAD元件，支持全參數化建模，可對模型分組歸類，形成任意二維、三維陣列，有對模型的布爾操作、掃描、拉伸、平移、旋轉、鏡像、去面等功能。

SEMCAD提供豐富的軟件接口，能夠實現與Pro/E, UG, Catia以及Solidworks等CAD軟件的模型無縫連接。SEMCAD軟件具有強大的模型接口功能，可以導入多種格式的文件，包括SAT、 IGES、Pro/E、STEP、CATIA V4、CATIA V5、3DS、STL和DXF等文件，對PCB電路板有專門的Gerber接口。SEMCAD還提供對導入模型的修復功能。

2 高性能FDTD求解器

算法是軟件的核心，是計算機仿真與設計的靈魂。SEMCAD的核心基本求解算法—— 時域有限差分（FDTD）方法，已經被證明是計算電磁學中最通用，應用領域最廣泛的電磁場數值求解方法之一。FDTD方法有以下基本優點：

1).直接時域計算：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雜結構、任意介質分布的空間電磁環境；
3).節約存儲空間和計算時間：所需內存和仿真時間都與空間網格數成正比。

SEMCAD擁有最先進的FDTD算法，包括有效減少網格誤差的C-FDTD (共形FDTD)和無條件穩定的ADI-FDTD。ADI-FDTD消除時間步長對網格尺寸的依賴，為仿真大系統中的小尺度結構提供了有利支持。 SEMCAD是世界上第一個采用C-ADI-FDTD這一高效算法的商業電磁仿真軟件。

Ø Yee-FDTD求解器。優化的Yee網格FDTD求解器, 在主頻為3.4 GHz 的P4機器上每秒中可以求解 20-40 兆個單元。64位求解器支持大于10億自由度的復雜問題求解。
Ø C-FDTD求解器。共形FDTD算法包含導體共形技術和介質共形技術, 它擺脫了標準FDTD網格的大量階梯近似，有效減小網格誤差，大大提高了計算準確性。
Ø ADI-FDTD求解器。ADI-FDTD擺脫時間步長對網格尺寸的依賴，可以無條件穩定，為仿真計算大系統中的小尺度結構提供了可能。
Ø C-ADI-FDTD求解器。 結合了C-FDTD和ADI-FDTD 兩種算法。
Ø EM-T求解器。電磁與熱耦合求解器，提供了強大的電磁與熱分析平臺，為人體SAR分析、設備熱分析和EMC聯合設計帶來了極大的方便。
Ø EM-SPICE求解器。電路與電磁場聯合求解器。

另外，SEMCAD還有可分析到靜態場的低頻電磁場求解器，獨立的熱求解器、并行 FDTD求解器。

3 實用的優化設計

SEMCAD軟件具有基于遺傳算法（GA）的多種優化設計功能，為提高產品質量提供了方便的設計工具。現將其優化功能總結如下：

4 全面的后處理能力

SEMCAD有強大的可視化后處理功能，可以輸出瞬態或穩態電磁場場量（P，B，D，E琀，J，S等）參數，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態顯示
Ø 可輸出直角坐標圖、極坐標圖和Smith圓圖
Ø 近場、遠場參數（TIS、TRP、RCS等），天線參數，Z，U，I，P等
Ø SAR分布、平均SAR（Av. 1g/10g/任意 IEEE 1529）
Ø 多端口S參數計算（波導，微帶線等）
Ø 自動的失效模式及后果分析（FMEA）
Ø 多個結果的比較分析
Ø 輸出時域或頻域數據（FFT、DFT），可存為 Text、Word、Excel等格式文件
Ø 數據可輸出到電路分析包，實現場路耦合求解
Ø 顯示結果可直接存儲為圖像文件
Ø 可導入DASY4、DASY5、iSAR的測量數據（近場、遠場），直接進行比較

5 各種復雜材料處理能力

SEMCAD有強大的各種復雜材料的分析能力，可分析的材料總結如下：

6 完整的標準人體模型庫

SEMCAD提供完整的生物電磁學國際標準人體模型庫，模型分辨率能達到0.1mm 以下。用戶在解決生物電磁兼容問題時，可方便的直接導入所需的各種復雜人體模型。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準模型。SEMCAD有多種可變換姿勢的手模型,能輕松對三維人體模型的各種姿勢進行調整。此外，SEMCAD還提供標準的動物模型庫（如老鼠）和醫療設備模型庫（如核磁共振MRI系統）等。

SEMCAD典型應用

一 EMC/EMI

1 GPU芯片和PCB板的仿真
模型為帶有76 個管腳的GPU芯片和PCB布線的顯卡。芯片模型從CAD數據導入,PCB板的布局從Gerber文件導入。GPU芯片用PEC地平面模擬,通過負載電阻與76個管腳連接，整個芯片嵌入在有損電介質內。8個不同激勵端口被用來激勵不同的數據線，研究了不同端口的交叉耦合效應和芯片電流分布。

2 機箱屏蔽性能

為研究PC機箱的電磁泄露問題，SEMCAD X導入一個具體的PC機箱CAD模型。SEMCAD X一次性仿真帶寬達到10GHz的超寬帶響應，從而獲得相關的遠場參數和相關性能信息。

3 帶細縫屏蔽箱體的電磁干擾分析

這是一個典型的EMC/EMI分析模型。屏蔽箱體為完全導電體，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，箱體側面開了一個細縫和一個孔。SEMCAD計算了帶寬從400MHz到2.1GHz的寬帶響應，仿真結果與公開的測量結果一致。

4 帶人體的汽車多天線系統（GSM、藍牙、單極天線）

在汽車不同位置分別放置GSM天線，藍牙和單極天線，分析整個汽車的近場分布，人體的SAR分布和S參數。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，可在合理時間內輕松解決。

二 天線系統

1 Vivaldi天線是國際上驗證電磁軟件準確性的標準天線分析模型。用四分之一波長的波導作為激勵源，SEMCAD在場變化劇烈的地方加密網格來有效提高準確性，通過一次仿真得到頻帶1-10GHz內的反射系數、輸入阻抗和輻射效率、增益等參數。

2 折疊單極天線由帶狀線構成，安置在PCB板上，用50 歐姆的帶狀線饋電，一個3單元的T形匹配網絡用來和天線輸入端匹配。天線的帶狀線寬度用3-5個網格離散，介質基片厚度剖分成5個網格。遠場結果類似標準單極天線。

3 手機系統的近場分析

4 天線優化
此實例考慮手機真實環境下（考慮人手和人腦的影響），手機輻射參數的優化。對手機貼片天線的優化目標是在850MHz到950MHz之間反射損耗低于-10dB，通過優化天線的縫隙大小和貼片的位置等參數，達到優化目的。

三 生物電磁學

磁共振成像MRI系統的場分析，考慮的人體為國際標準模型，包括100多處組織。 MRI工作頻率64MHz，人體最小網格1mm。采用硬件加速器CIB800，仿真時間小于1個小時。

四 其它微波工程

軟件支持硬件加速功能

SEMCAD是第一個提供硬件加速技術的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

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