XFdtd 教程與資源


XFdtd 教程與資源
 
XFdtd是運用時域有限差分法(FDTD)為核心算法的高頻電磁模擬軟體,在雷達到手機等終端產品的各種天線設計,先進材料研究,生物電磁,靜電測試模擬等多樣化的科研工作都非常活躍,而且支持基於CUDA架構的GPU進行加速計算,並且高度兼容幾乎所有常見的CAD 檔案格式,不但具備高效的計算能力,也同時便於用戶從第三方CAD軟體導入模型,並且可以用各種方式將輸出視覺化,做各種後處理,也可以和Wireless Insite,WaveFarer,XGTD結合,做為模擬中不可或缺的天線模型來源,為了讓用戶突破語言藩籬,更快上手,我們提供中文教材,並會陸續更新擴充,便於用戶學習了解XFdtd,也歡迎訪客跟用戶和我們聯繫,讓我們知道你們需要甚麼材料,我們會盡力滿足用戶的需求。
 
XFdtd的建模操作
 
XFdtd的建模分為幾個步驟,用戶只要把這幾個步驟完成,就可以開始跑模擬,並逐步改善模型的精確度,得到有意義的輸出,由於XFdtd的模擬,實際上是在網格上進行的,而網格基於用戶建立或導入的幾何模型來剖分,所以用戶在幾何模型和電路器件設置上把握兩個原則,就會有比較好的機會得到理想的結果,或者把建模的工作朝著正確的方向推進,用戶清楚的思緒做好模型設計可以讓模擬事半功倍,反過來說,欲速則不達,所以用戶不需要很著急立刻開始操作,而是先思考一下怎麼設計模型,準備好所需的資料和材料,按步就班,摸著石頭過河,把模型建好再來跑模擬會較為妥當。

1. FDTD的計算是在網格上進行的,而網格基於幾何模型剖分,所以網格和代表零件的幾何模型越一致,越可能跑出精確的結果,但由於網格是把連續的幾何形狀加以離散化重組的數學物理方法,每一個網格都會占用一點記憶體空間,計算資源有限的情況下,就很難避免取捨,不可能無限制提高網格的精確度,所以用戶在滿足網格最低精確度的前提下,可以將整個模型不同部位的精細度做調整,靠近天線,靠近激勵源的地方,尤其是激勵源到天線這一路上的導體能夠在網格上儘可能不失真或是低失真的重現,會對模擬結果的精確度和穩定性特別有幫助。
 
2. XFdtd可以用幾種不同方式描述將能量帶進系統的所謂激勵源,包括點狀的port,面狀的波導(Waveguide),以及代表從外部或所謂的無限遠處帶進能量的高斯射線(Gaussian Beam)和平面波(Plane Wave),最常見的是點狀的port或稱之為discrete source,作為一個一維的能量來源,從電路中特定位置用電流或電壓的形式將能量帶進來,透過天線輻射出去,這個激勵源的位置是否準確,其設置是否接近實際傳導能量的方式,並且是否考慮好其他像是地應該在哪裡等條件,會很直接影響到模擬結果是否準確或是否能收斂,如果discrete source這種一維的激勵源不能很好的描述能量進入天線的物理現象,用戶可以考慮用Wave guide或其他方式來做,越接近實物的運作,就越有機會得到理想的模擬結果。
 
 
從建模到模擬完成,可以大致分成以下幾個步驟
 
1. 打開XFdtd進入用戶介面,先設定一個適當工作頻率範圍或是指定頻點,XFdtd是全波模擬軟體,可以做一次模擬就得到一個頻段的結果,並且從數個用戶關心的頻點取得穩態輸出,而頻率又會影響到網格大小,進而影響到模擬所需的硬體資源和時間,如果上限設得太高,網格會被過度剖分,導致計算所需時間和硬體資源過度膨脹,所以用戶需要選擇一個包含自己關心的工作頻點的適當頻率範圍來進行建模。
 
2. 在XFdtd的用戶介面繪製零件或從外部導入CAD文檔,用戶也可以導入後再加以修改,XFdtd兼容絕大多數常見的CAD文檔格式,並且可以在導入後做修整,原因是機構或設計部門在製圖的時候重點是把外觀依照設計概念畫出來並且維持視覺上的美觀,因而可能會用一些特殊的編輯方式,或是為了方便建立形狀特殊的零件而用多個幾何圖形拼湊,這個過程有可能導致這些圖做為機構設計展示或是生產單位使用沒有問題,圖形外觀看起來或是遠看也沒有問題,但是導入模擬軟體之後,由於網格會依照模型中的幾何零件輪廓建立,就有可能產生不正確的網格,用戶會需要檢查並做必要的修改,或是請機構部門協助處理這些問題,確保建立正確,有意義的網格。
 
3. 幾何模型或CAD零件圖導入後,可以開始設置材料,XFdtd會要求所有的零件都有設置材料,因為建立網格會需要考慮材料特性,如果不知道一個零件是甚麼材料做的,建立網格就有困難,概念上在XFdtd中所謂的材料可視為描述一種物質電磁特性的數學模型,根據材料的不同特性和模擬的需要提供不同的描述方式,所以一種材料也可能用多種方式描述,或是在不同頻率有不同介電係數或導電率,也有可能不是均質性的材料,或者是一種生物組織材料,XFdtd的運作方式是先建立這種數學模型,然後把這種數學模型附加到零件上,作為描述這個零件的電氣/電磁特性的一個屬性,進一步反映在網格上,會影響到網格解析度或是干涉時哪一個零件占用網格,正常的狀況下,導電率高的材料會占用網格。
 
4. 材料設置完成後,進一步設置激勵源(port)等內部或是外部能量來源,需要的話也可以一併將匹配電路的各種器件設置到模型裡面,這些器件可以是單純的負載,或二極體,開關,或是內部有複雜電路的器件,這些電路器件會構成模型中的動態部分,從將能量帶入模型或透過其電氣特性影響電流,電場等各種物理量的變化。
 
5. 電路器件設置完成後,可以進一步設置和調整網格,先確認邊界跟幾何零件的外圍輪廓是否距離足夠,接著確認邊界條件是否適當,然後確認網格解析度是否足夠,再針對一些重要零件,比方說天線本身,匹配電路的導線等重要零件的網格是否有失真或偏移的現象,port和電路器件的網格是否有偏移或斷開的現象,有沒有重要的零件由於機構干涉所以在網格上消失了,檢查這些問題,加以調整修正,讓網格在合理的硬體資源範圍內盡量忠實的表達機構和電路。
 
6. 機構,材料,電路器件及網格設置完成後,接著考慮需要那些輸出,釐清要以數值或是二維圖型還是三維場型的方式視覺化呈現,XFdtd使用各種Sensor來捕捉和儲存模擬所得的物理量,釐清需要甚麼物理量之後,依照需求設置各種近場或遠場Sensor作為容器來儲存,也可以設置特殊的像是SAR Sensor來捕捉特定的輸出。
 
7. 設置要使用的GPU或是CPU線程數量,建立一個Simulation,有需要的話可以設置各種參數,把模型參數化,做多次的模擬,或設置需要擷取穩態資料的頻點,設置S參數的計算,並且進一步設定計算收斂的條件或計算的時間,設置完成之後,就開始跑模擬計算。
 
8. 經過一段時間,計算完成之後,檢視結果,可以檢視數值,繪製曲線圖,檢視二維時變動態場型或三維輻射場型,或進行各種後處理,也可以將數值導出,在Wireless Insite等軟體中做後續的運用。
 
以下提供教程資料下載我們會陸續更新章節,也會隨著軟體版本更新內容,我們竭誠歡迎用戶提出問題或是分享心得和指正。
所有的文件以及壓縮檔案都是乾淨安全的pdf檔案,用戶可以放心開啟閱讀。
目前最新版本為 XFdtd 7.10

中文教程視頻 
第一講 : 模擬計算的概念,建模,與XFdtd概論介紹,從建模到視覺化輸出的操作
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第二講 : 深入介紹用戶介面的各種功能
XFdtd 是一套發展了很長時間的仿真軟件,經過設計跟優化的用戶介面不但操作方便,也包含很多建模跟軟體調適功能,這些蘊含在用戶介面的各種功能就是用戶的工具箱,發掘這些功能讓用戶了解自己能動用的建模與計算工具,用戶能掌握這些東西,知道在哪裡找這些東西來用,才能夠釋放生產力,不然很容易建模進行一下子就卡住了,因為一些其實可以很快解決的小問題不知道怎辦,這一講兩個視頻就是深入介紹用戶介面的所有功能鍵與選單的內容,把XFdtd提供的功能跟資源和用戶的操作結合起來,給後續的建模工作提供更順暢的操作條件。
 
2.1 從XFdtd視窗的左上角的各種選單與快捷鍵開始介紹與演示,讓用戶了解基本的系統性操作,軟體或模型的全局設置與影響,以及跟第三方軟件跟檔案的互動方式。

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2.2 從左邊的樹狀圖模型要素總覽區域開始介紹,包含這個具體跟建模工作直接相關的區域各種功能如何規劃以及跟建模邏輯的關係,再接著講中間跟右半部的各種編輯模型功能以及流程控制部分,這一段主要在介紹具體的操作

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第三講 網格的觀念與設置調適


網格是XFDTD數學上的基石,建模的問題很大一部分來自於網格(mesh)的設置與調適,網格失真,偏移就不能真實的反應模型,而使用者在跑的模擬是基於網格的模型,這就可能導致模擬得到不精確甚至很離譜的結果,或是跑了很長時間沒法收斂等疑難雜症,網格要是設置妥當,就比較有機會在合理的時間和硬體成本內得到較為滿意,精確的模擬結果,因此瞭解網格的原理與設置操作就成為XFDTD不可不察的一個重要環節。

3.1 XFDTD 中的網格是什麼,觀念介紹與全域設置
從數學觀念開始介紹網格在XFDTD中的物理意義和作用,以及軟體基於網格的運作方式
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3.2 XFDTD 的網格全域設置
完整介紹網格全域設置與調適介面的操作與細節
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3.3 XFDTD 的網格個別零件設置
XFDTD提供較為有彈性,針對個別零件網格設置功能,介紹相關功能的操作與觀念
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XFdtd 概要介紹,簡要,蓋括性的介紹XFdtd。

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1. XFdtd 7.9 培訓教材第一章
這個章節目的在介紹XFdtd的方法論(FDTD),軟體的架構和運作方式,操作,用戶界面和建模流程,作為一系列教材的基幹篇章,希望用戶在閱讀這份教材之後能夠開始上手XFdtd,進行建模和模擬,至於建模各環節的細節,會在後續章節介紹
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