網格分割與調控

XFdtd 的網格分割與調控
FDTD演算法是將時間與空間細分為很小的段落,然後計算隨著時間的推進在模擬計算的空間範圍內計算各種物理量的變化,網格的大小有一定的限制,基本上最長邊不得大於十分之一波長計算才會穩定,在XFdtd裡,計算是發生在網格(mesh)上,而網格是軟體參照幾何模型的邊界,特徵還有材料等特性剖分出來的,同時也可以用設定優先度等方式進一步的微調,讓網格最接近真實的狀況而不失真確保計算的精度和效能。

PrOGrid Project Optimized Gridding

手動的進行網格剖分的設定是個苦差事,而且很面面俱到,由於人工處理很難面面俱到,經常是顧此失彼或有遺漏,就算有運用調適性的網格剖分(Adaptive Meshing)機能局部的調整網格解析度仍然是一件苦差事。
關於建立模型工作中的這個問題,REMCOM 在XFdtd7給了一個答案,就是PrOGrid Project Optimized Gridding功能,這個功能可以取代人工建立網格的工作,用XFdtd的網格剖分引擎自動化的依照用戶給予的解析度等參數,再考慮到各個零件的材料參數和幾何特徵來產生模擬計算用的網格,可以在幾乎一瞬間把對人來說困難又複雜的網格剖分工作完成,建立高精確度的網格提供模擬計算使用。
 
下圖為一個包含圓角,曲線,圓孔等複雜的幾何特徵的模型
  • 包含曲線,圓角,圓孔等複雜幾何特徵的模型
在沒有任何調控之下,剖分出的立方體型態FDTD網格,由於能做的變化有限,所以解析度不理想,失真的狀況也比較嚴重,用來做模擬計算可能有精度等疑慮並不合適。

  • 傳統的等邊立方體網格分割方式
  • 對於非直線的幾何特徵難以精確的表達,必須要進一步的做微調
PrOGrid Project Optimized Gridding 以在XFdtd的網格控制頁面打開

在打開這個機能之後,XFdtd就會開始分析整個模型,透過掌握模型裡面各零件的幾何特徵和材料等特性自動剖分網格,依據這些特徵會自動的調適網格的解析度,使用者也可以增加其他的設定條件讓網格更為貼近真實模型的狀況或是滿足不同的設計或計算需求,網格會在非常短的時間迅速建立完成,使用者接著就可以詳細的檢查網格的所有細節。
  • 透過PrOGrid Project Optimized Gridding機能調適過的網格
  • 自動採取adaptive meshing方式將各種幾何特徵更精確的表達
XACT Accurate Cell Technology
 
在手機,筆記型電腦或是各種電子產品中各式各樣的零件和元件經常會有非直線的造型,比方說曲面,圓角,圓孔等等,天線的形狀也可能極為不規則,傳統的FDTD網格是以立方體或是長方體堆疊的方式來呈現這樣的結構,如果要逼真的呈現就必須把網格調整到非常細,會占用大量記憶體造成模擬計算在運用上的困難,但如果網格不夠精細,又難以還原這些不規則的非直線結構,可能造成計算上的誤差,這種問題經常陷使用者於兩難。
 
XFdtd的XACT提供的技術,就是一個可以用相對較低的記憶體使用量來建立接近曲線的網格,XACT會把大網格加以細分成子網格,用這些子網格來建構接近曲線的的網格結構。
  • 在XFdtd中可以針對個別零件打開XACT功能產生特殊形狀的網格
  • XACT技術產生的曲線形狀網格
  • 用XACT技術建立的圓角形狀結構
Fixed Points功能網格與零件的緊密配合
 
在剖分網格的時候,難免由於解析度等問題,網格線落在的位置不一定和零件在空間中的位置是一致的,如果是較為不重要的零件,這一點些微的誤差影響有限,甚至可以忽略,但如果這一類位置偏移的誤差發生在電路或天線上,就有可能造成模擬計算的結果有明顯的誤差甚至是不能收斂,也可能發生在饋點(port)或是匹配電路元件附近,造成饋點或匹配明顯的偏移,甚至發生其他的問題,而且也不見得能靠大幅的提高網格精細度來解決這個問題。
  • 網格線和零件的輪廓不一致的偏移現象
在XFdtd中有許多可以對網格進行細部修正和調控的方式,最常用的機能其中之一,就是Fixed Points機能,這個功能會把網格做一定程度的細部調整,在相對於原始設定的解析度之下不過度增加記憶體使用量的前提之下,針對個別零件改善偏移的問題。
  • 針對個別零件啟用Fixed Points功能
Fiexed Points功能打開之後,XFdtd針對那一個零件做網格的調整,基本上會把網格線和網格點放在這個零件的邊緣和各種幾何特徵的輪廓上,確保網格會完整並且確實的描述出這個零件的形狀和各種幾何特徵以及輪廓所在位置而不發生偏移。
  • 開啟Fixed Points之後軟體微調網格,讓輪廓和網格線達到一致
不過在零件的數量眾多,機構複雜的狀況之下,仍然可能因為網格解析度不夠或是優先度等問題,不一定能夠完全的讓網格線和網格點精確地落在輪廓上,這個部分就有賴使用者進行更多微調,而XFdtd也有提供更多工具來讓用戶完成這工作。
 
除了上面提到的這幾個最常用的網格剖分優化選項之外,XFdtd還提供了許多可用於調整網格的工具,有傳統的Adaptive Mesh,也有針對個別幾何特徵做智慧型精細微調的選項,只要能夠善用,就可以件建立出具備效能和精度的網格,讓模擬的結果精確又不失去效能。

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