TF-eMag 通用电磁仿真分析软件
多算法融合的高频与低频电磁仿真软件
TF-eMag 简介
TF-eMag是针对国内电磁仿真需求倾力打造的一款全中文通用电磁仿真软件。现已经开发出支持多种解算方案的矩量法、有限元（高频、低频）、光学近似求解器，拥有功能完善的前处理模块，灵活丰富的后处理数据分析和可视化功能，可广泛应用于天线、微波组件、滤波器、高速互连设备、印刷电路封装、 电磁兼容、大型目标散射等场景的电磁产品设计与仿真优化。
TF-eMag通用电磁仿真软件作为电磁基础性研发平台，与许多学科和工业技术相互渗透，可广泛应用于航空航天、船舶海洋工程、建筑与环境工程、汽车与轨道交通、电子电器、机械制造等领域，在国民经济和国防事业中具有重要地位。
TF-eMag软件可以帮助用户获得高精度的电磁仿真结果，改善产品性能，提高市场竞争力。同时，TF-eMag高效的高性能计算能够帮助用户节约更多时间和费用来创新和优化产品性能，加快推向市场的速度。
功能亮点
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高频电磁解算方案
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高频电磁仿真场景
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低频电磁解算方案
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低频电磁仿真场景
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高性能计算
高频电磁解算方案
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高频近似算法
高频近似算法借用计算机图形学光线追踪原理，采用基于KD-Tree二叉树的射线追踪加速算法，利用OpenMp与MPI的混合并行加速策略，能迅速将数量为百万级面元的树结构在短时间内构建完毕。通过无栈带线索追踪的加速结构Rope-KDtree，大幅度提升射线追踪效率，快速预估超电大尺寸复杂模型的RCS散射特性。并可将射线法GO-PO与全波精确算法矩量法/有限元法相结合，进行优势互补，能够准确求解诸如大型载波平台上的天线/天线罩远场辐射特性，大大提高算法的适用性，将计算场景扩展至两种算法单独使用时无法求解的领域内。
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有限元
有限元方法是建立在变分原理和加权余量法基础上发展起来的应用最为广泛的数值分析方法，在处理复杂边界和连续介质问题上独具优势。TF-eMag软件的电磁有限元，提供直接频率求解、模态求解和快速插值求解三种解算方案，包含丰富的边界与激励功能。搭配自动完美匹配层（AML）、辐射边界等丰富的电磁吸收边界模拟，同时具备基于频率的网格自适应分析算法，为用户提供完备齐全的电磁仿真方案。
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矩量法
矩量法针对工程应用中的复杂材料电磁计算需求，开发出复杂材料计算模块，以电磁积分方程方法中的多层矩阵分解（MLMDA）、多层快速多极子（ MLFMM）、区域分解等算法为核心，对复杂目标的电磁辐射和散射进行数值建模和高精度、高效率数值求解，实现电大尺寸目标散射与辐射问题的精确数值仿真。并且针对各种复杂材料，采用了多种积分方程与边界条件以实现精确建模。
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耦合方法
TF-eMag具备两种混合算法：有限元边界积分（FE-BI）与射线法+有限元/矩量法。FE-BI方法能够更精确地截断有限元的计算边界，相比吸收边界更贴近物体本身。根据实际问题，FE-BI允许形成多个不连通的计算区域，适合解决同时存在电大散射体和复杂辐射结构的双向耦合问题。 射线法GO-PO与全波精确算法矩量法/有限元法相结合，进行优势互补，能够准确求解诸如大型载波平台上的天线/天线罩远场辐射特性，大大提高算法的适用性，将计算场景扩展至两种算法单独使用时无法求解的领域内。
高频电磁仿真场景
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天线辐射
已开发辐射吸收边界、PML完美匹配层功能，用于精确模拟外边界对电磁场的吸收。具备周期边界+阵因子计算阵列方向图功能，在计算规模量较小的情况下实现高精度求解，并针对天线指标已开发了丰富的后处理显示功能。
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电磁兼容
TF-eMag具备场辐射计算功能，通过后处理监视器或者切平面功能，可观察到域内任意一点的电场场强或者某个平面上的电场分布，可计算电磁辐射电磁兼容问题。
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电磁散射特性
TF-eMag的矩量法模块与高频近似算法模块均具备电磁散射特性计算功能，并支持在笛卡尔和球坐标系下进行设置。可选择仅计算单站或双站或者两者同时计算，后处理支持1D/2D极坐标/2D直角坐标/3D极坐标等多种显示功能，具备完备的后处理显示能力。
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SAR成像
TF-eMag的二维聚束SAR成像雷达算法，先后利用二维插值算法Interp2、二维傅里叶逆变换ifft2、频谱搬移函数fftShift，将二维RCS数据的时域信号转变为频域信号，最终获取目标各个单元的二维投影分布，该成像算法能够清晰获取大型军事目标诸如战斗机、无人机、坦克等的大致轮廓，成像时间短，效率高。
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滤波器优化
TF-eMag已开发二端口滤波器的耦合矩阵提取、耦合矩阵综合、耦合矩阵目标计算、耦合矩阵修正、加载相位提取、矢量拟合、基于耦合矩阵的牛顿优化法等功能，可在失谐较严重情况下完成S参数的拟合并实现滤波器优化，优化算法为自研的快速收算法，可以高效的完成大失谐下的优化。
低频电磁解算方案
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直流电场模块
TF-eMag软件的低频电磁有限元直流电场模块，基于节点有限元，通过求解电势的拉普拉斯方程来求解低频稳态直流电场。直流电场模块具备完善的激励和边界条件，包括电压、电流密度、电流和悬浮电位激励，电绝缘边界、极化边界、电场垂直边界。搭配自适应误差估计和网格细化功能，直流电场模块可为用户提供通用场景的直流电场仿真方案。
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瞬态电场模块
TF-eMag软件的低频电磁有限元瞬态电场模块，基于节点有限元，通过求解电势的时变电场方程来求解低频瞬态电场。瞬态电场模块具备完善的激励和边界条件，包括电压、电流密度、电流和悬浮电位激励，电绝缘边界、电场垂直边界。搭配自适应误差估计和网格细化功能，瞬态电场模块可为用户提供常见场景的瞬态电场仿真方案。
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低频磁场模块
TF-eMag软件的低频电磁有限元静磁场和频域磁场模块，基于高阶矢量有限元，采用Auto-gauging技术，通过求解磁矢势A和电标量的静磁场和时谐磁场方程来求解低频静磁场和频域磁场。静磁场和频域磁场模块具备完善的激励和边界条件，包括绞合线圈、固体导体线圈、外加电流密度激励，磁绝缘边界、磁场垂直边界，以及丰富的后处理功能，包括磁场能量、电磁力、电感矩阵、铜损和涡流损耗等的计算。结合静磁场和频域磁场的误差估计和自适应网格细化功能可为用户提供低频静磁场和频域磁场的仿真方案。
低频电磁仿真场景
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土壤埋管阴极保护
已开发电压、电流、悬浮电位等常用激励端口，支持基于塔菲尔(Tafel)模型、巴特勒-沃尔默(Butler-Volmer)模型、非线性极化曲线等解析和数值极化边界，支持基于电极动力学的二次电流分布下的土壤埋管和海底沉船阴极保护仿真，可用于埋地燃气管道的阴极保护网络的设计分析。
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聚变装置线圈磁场计算
已开发电压、电流激励端口，绞合线圈、固体导体线圈和远场边界，周期性边界等边界，支持非线性BH曲线，具备体/面云图、切面云图、曲线绘制、点计算、面积分和体积分等丰富的后处理功能，能够对低频磁场应用场景（如托卡马克纵场线圈、储能线圈等）进行磁场，储能，电感和电磁力的计算。
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电感矩阵提取
TF-eMag低频电磁有限元已开发直流电感和互感提取功能，再对导体网络进行直流电场分析之后会继续进行静磁场分析，并提取导体网络的直流电感矩阵。
高性能计算
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高性能计算
电磁有限元求解器现已开发MPI+OpenMP的混合并行计算能力，其最大支持并行计算CPU处理器的核数不低于32核。在不损失计算精度的前提下，极大地缩短了计算时间，帮助用户提高仿真效率。
典型应用
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连接器信号完整性分析
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介质雷达罩电热耦合仿真
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FSS贴片天线阵列RCS计算
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蒸汽锅炉电场仿真
连接器信号完整性分析
连接器的信号完整性仿真非常重要，特别是在高速数字通信和高频模拟电路中，直接影响着系统的性能和可靠性。TF-eMag在此连接器模型采用插值快速算法，仅对少量插值点的S参数进行计算，便可插值得到整个宽频段准确的S参数。再采用多核计算，对有限元矩阵进行并行求解，在相同网格下可得到比参考软件更短的计算时间。
连接器信号完整性分析
介质雷达罩电热耦合仿真
雷达罩是一种用于保护雷达系统的外壳或覆盖物，能够保护雷达系统免受恶劣环境条件的影响，确保雷达系统的正常运行和长期稳定性。TF-eMag软件通过电磁求解器和流体求解器的耦合来进行电磁照射下的温度分布计算。先通过电磁求解器求出初始状态下的电磁损耗分布，计算结束后自动将网格与电磁损耗分布传递给流体求解器，流体求解器再设置正确的材料热参数与边界条件，进行迭代收敛计算便可得到电磁照射下的最终温度分布结果，与参考软件高度一致。电磁求解器并且可以采用有限元边界积分算法，使天线罩与天线之间大量区域可从求解域中去除，边界紧贴天线罩与之共形，进而极大地减少了求解计算量与仿真时间。
介质雷达罩电热耦合仿真
FSS贴片天线阵列RCS计算
矩量法属于全波算法，可精确计算金属、介质、吸波涂层等多种场景下的RCS，而弹跳射线法属于近似算法，精度低于矩量法但可快速评估散射特性，适应于高频场景。在对双层介质板夹心金属FSS贴片天线阵列进行散射特性分析时，传统全波算法存在网格量大计算时间长的困难，而弹跳射线法可有效解决此类问题，实现高精度且快速的求解。
FSS贴片天线阵列RCS计算
蒸汽锅炉电场仿真
电极锅炉因具有效率高、无噪声、环保无污染、占地面积小、启动速度快等特点，是实现电力充分利用、风光电力消纳、环境污染治理的有效手段。TF-eMag对电锅炉的仿真设计专门开发了电锅炉仿真模块，内置多种不同的电锅炉模块，能够实现对电锅炉的快速建模和高效的参数化分析以及稳态直流仿真和瞬态仿真，并给出电锅炉在正常工作状态和短路事故状态下等不同工作状态下的电场强度、电流密度以及电功率分布。根据事故状态下的电场强度，参考相关国家标准可以对所设计的绝缘厚度进行校核，确保所设计电锅炉绝缘要求满足国家标准；根据电锅炉的电流密度分布，参考电流密度与炉水浓度和炉水电解产氢的电流密度阈值，可以对电锅炉的电极棒形状和位置进行优化，确保相关位置处的电流密度小于产氢阈值；同时根据电工路电功率分布可以对电锅炉的电极组件形状进行优化，确保电功率在锅炉内部分布更加均匀，减小局部出现过热的风险。同时电锅炉仿真模块能够将少量仿真结果结合设计参数进行多参数拟合，为电锅炉的几何尺寸优化提供快速的结果预测，从而提高电锅炉设计的研发效率。
蒸汽锅炉电场仿真
