XFdtd 教程与资源

XFdtd是运用时域有限差分法(FDTD)为核心算法的高频电磁仿真软件，在雷达到手机等终端产品的各种天线设计，先进材料研究，生物电磁，静电测试仿真等多样化的科研工作都非常活跃，而且支持基于CUDA架构的GPU进行加速计算，并且高度兼容几乎所有常见的CAD 文档格式，不但具备高效的计算能力，也同时便于用户从第三方CAD软件导入模型，幷且可以用各种方式将输出视觉化，做各种后处理，也可以和Wireless Insite，WaveFarer，XGTD结合，做为仿真中不可或缺的天线模型来源，为了让用户突破语言藩篱，更快上手，我们提供中文教材，并会陆续更新扩充，便于用户学习了解XFdtd，也欢迎访客跟用户和我们联系，让我们知道你们需要甚么材料，我们会尽力满足用户的需求。
 
XFdtd的建模操作
 
XFdtd的建模分为几个步骤，用户只要把这几个步骤完成，就可以开始仿真，幷逐步改善模型精确度，得到有意义的输出，由于XFdtd的仿真，实际上是在网格上进行的，而网格基于用户建立或导入的几何模型来剖分，所以用户在几何模型和电路器件设置上把握两个原则，就会有比较好的机会得到理想的结果，或者把建模的工作朝正确的方向推进，用户清楚的思绪做好模型设计可以让仿真事半功倍，反过来说，欲速则不达，所以用户不需要很着急立刻开始操作，而是先思考一下怎么设计模型，准备好所需的资料和材料，按步就班，摸着石头过河，把模型建好再来仿真会较为妥当。
 
1. FDTD的计算是在网格上进行的，而网格基于几何模型剖分，所以网格和代表零件的几何模型越一致，越可能跑出精确的结果，但由于网格是把连续的几何形状加以离散化重组的数学物理方法，每一个网格都会占用一点内存，硬件有限的情况下，就很难避免取舍，不可能无限制提高网格的精确度，所以用户在满足网格精确度要求下限的前提下，可以将整个模型不同部位的精细度做调整，靠近天线，靠近激励源的地方，尤其是激励源到天线这一路上的导体能够在网格上尽可能不失真或是低失真的重现，会对仿真结果的精确度和稳定性特别有帮助。
 
2. XFdtd可以用几种不同方式描述将能量带进系统的所谓激励源，包括点状的port，面状的波导(Waveguide)，以及代表从外部或所谓的无限远处带进能量的高斯射线(Gaussian Beam)和平面波(Plane Wave)，较常见的是点状的port或称之为discrete source，作为一个一维的能量来源，从电路中特定位置用电流或电压的形式将能量带进来，透过天线辐射出去，这个激励源的位置是否准确，其设置是否接近实际传导能量的方式，幷且是否考虑好其他像是地应该在哪里等条件，会很直接影响到仿真结果是否准确或是否能收敛，如果discrete source这种一维的激励源不能很好的描述能量进入天线的物理现象，用户可以考虑用Wave guide或其他方式来做，越接近实物的运作，就越有机会得到理想的仿真结果。
 
 
从建模到仿真完成，可以大致分成以下几个步骤
 
1. 打开XFdtd进入用户介面，先设定一个适当工作频率范围或是指定频点，XFdtd是全波仿真软件，可以做一次仿真就得到一个频段的结果，幷且从数个用户关心的频点取得稳态输出，而频率又会影响到网格大小，进而影响到仿真所需的硬体资源和时间，如果上限设得太高，网格会被过度剖分，导致计算所需时间和硬件资源过度膨胀，所以用户需要选择一个包含自己关心的工作频点的适当频率范围来进行建模。
 
2. 在XFdtd的用户介面绘制零件或从外部导入CAD文档，用户也可以导入后再加以修改，XFdtd兼容绝大多数常见的CAD文档格式，并且可以在导入后做修整，原因是结构或设计部门在制图的时候重点是把外观依照设计概念画出来幷且维持视觉上的美观，因而可能会用一些特殊的编辑方式，或是为了方便建立形状特殊的零件而用多个几何图形拼凑，这个过程有可能导致这些图做为结构设计展示或是生产单位使用没有问题，图形外观看起来或是远看也没有问题，但是导入仿真软件之后，由于网格会依照模型中的几何零件轮廓建立，就有可能产生不正确的网格，用户会需要检查幷做必要的修改，或是请结构部门协助处理这些问题，确保建立正确，有意义的网格。
 
3. 几何模型或CAD零件图导入后，可以开始设置材料，XFdtd会要求所有的零件都有设置材料，因为建立网格会需要考虑材料特性，如果不知道一个零件是甚么材料做的，建立网格就有困难，概念上在XFdtd中所谓的材料可视为描述一种物质电磁特性的数学模型，根据材料的不同特性和仿真的需要提供不同的描述方式，所以一种材料也可能用多种方式描述，或是在不同频率有不同介电系数或导电率，也有可能不是均质性的材料，或者是一种生物组织材料，XFdtd的运作方式是先建立这种数学模型，然后把这种数学模型附加到零件上，作为描述这个零件的电气/电磁特性的一个属性，进一步反映在网格上，会影响到网格解析度或是干涉时哪一个零件占用网格，正常的状况下，导电率高的材料会占用网格。
 
4. 材料设置完成后，进一步设置激励源(port)等内部或是外部能量来源，需要的话也可以一并将匹配电路的各种器件设置到模型里面，这些器件可以是单纯的负载，或二极体，开关，或是内部有复杂电路的器件，这些电路器件会构成模型中的动态部分，从将能量带入模型或透过其电气特性影响电流，电场等各种物理量的变化。
 
5. 电路器件设置完成后，可以进一步设置和调整网格，先确认边界跟几何零件的外围轮廓是否距离足够，接着确认边界条件是否适当，然后确认网格解析度是否足够，再针对一些重要零件，比方说天线本身，匹配电路的导线等重要零件的网格是否有失真或偏移的现象，port和电路器件的网格是否有偏移或断开的现象，有没有重要的零件由于结构干涉所以在网格上消失了，检查这些问题，加以调整修正，让网格在合理的硬体资源范围内尽量忠实的表达结构和电路。
 
6. 结构，材料，电路器件及网格设置完成后，接着考虑需要那些输出，厘清要以数值或是二维图型还是三维场型的方式视觉化呈现，XFdtd使用各种Sensor来捕捉和储存仿真所得的物理量，厘清需要甚么物理量之后，依照需求设置各种近场或远场Sensor作为容器来储存，也可以设置特殊的像是SAR Sensor来捕捉特定的输出。
 
7. 设置要使用的GPU或是CPU线程数量，建立一个Simulation，有需要的话可以设置各种参数，把模型参数化，做多次的仿真，或设置需要撷取稳态数据的频点，设置S参数的计算，并且进一步设定计算收敛的条件或计算的时间，设置完成之后，就开始跑仿真计算。
 
8. 经过一段时间，计算完成之后，检视结果，可以检视数值，绘制曲线图，检视二维时变动态场型或三维辐射场型，或进行各种后处理，也可以将数值导出，在Wireless Insite等软件中做后续的运用。
 
以下提供教程文档下载，我们会陆续更新章节，也会随着软件版本更新内容，我们竭诚欢迎用户提出问题或是分享心得和指正。
所有的文件以及压缩文档都是干净安全的pdf文档，用户可以放心开启阅读。
目前最新版本为 XFdtd 7.10
 
中文教程视频

第一讲 ： 仿真的概念，建模以及XFdtd概论性介绍，从建模到视觉化输出的操作

把XFDTD的操作带过一次给用户看，让用户了解软件是如何运作的，怎么样从头到尾建立一个模型并且跑仿真
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第二讲 ： 深入介绍用户界面与功能

 

XFDTD是一套发展了很长时间的仿真软件，经过设计跟优化的用户界面不但操作方便，也包含很多建模跟软件调适功能，这些蕴含在界面的各种功能就是用户的工具箱，发掘这些功能让用户了解自己能动用的建模与计算工具，用户能掌握这些东西，知道在哪里找这些东西来用，才能够释放生产力，不然很容易建模进行一下子就卡住了，因为一些其实可以很快解决的小问题不知道怎办，这一讲两个视频就是深入介绍用户界面的所有功能键与选单的内容，把 XFdtd提供的功能跟资源和用户的操作结合起来，给后续的建模工作提供更顺畅的操作条件。

 

2.1  从XFDTD窗口的左上角的各种选单与快捷键开始介绍与演示，让用户了解基本的系统性操作，软件或模型的全局设置与影响，以及跟第三方软件跟文档的互动方式。

 

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2.2 从左边的树形图模型要素总览区域开始介绍，包含这个具体跟建模工作直接相关的区域各种功能如何规划以及跟建模逻辑的关系，再接着讲中间跟右半部的各种编辑模型功能以及流程控制部分，这一段主要在介绍具体的操作。

 

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第三讲 : 关于作图建模的各种操作
XFDTD具有功能接近CAD软件的3D制图建模能力，熟悉操作的用户可以制作出复杂且逼真的3D模型，或者是可以用来编辑跟调整从第三方的CAD软件导入的零件或是电路模型，这些制图建模的功能实际上是用脚本的方式嵌入在软件的操作界面里面，用户可以把它当成填充题来做，也就是说提供脚本所需要的参数输入，然后就可以让脚本依照用户的要求产生3D零件，操作上可以用这个观念来看待
这个部分可以分成几个区块，分别是基本但是不具特性的3D几何模型脚本，用来建立有特定特征的3D模型脚本，各种修改编辑3D零件的工具，布林运算脚本，第三方CAD文档的导入导出，电路设计模型导入，以及加密等相关功能，这个章节我们使用7个视频尽可能详细地来讲解，让用户可以比较容易地掌握这些功能来做各种3D建模的工作。

3.1 这个视频主要在讲解作图界面的各种基本功能，包含从如何设置作图的参考平面调整坐标系统到各种基本的作图功能操作的详细说明。

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3.2 这个视频主要在讲解如何操作各种基本几何形状的3D建模脚本操作，让用户了解从拉伸开始到建立薄片等等各种功能怎么操作

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3.3 这个视频主要讲解如何操作建立各种特殊3D模型的建模脚本，从圆柱等基本的几何形状到鸟笼怎么操作都加以尽可能的详细说明。

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3.4 这个视频主要讲解XFDTD的各种布林运算功能，从交集开始到分割都有详细说明

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3.5 这个视频主要讲解如何在XFDTD里面制作一个加密并且有遮罩覆盖从外观到各种参数都需要保密的模块，以便于分享给不同团队做仿真同时又可以保证重要的机密不泄露

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3.6  这个视频主要在讲解各种CAD文件导入以及把XFDTD建立的3D模型用各种CAD文档格式导出的操作

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3.7 这个视频主要在讲解如何从一些EDA软件把电路模型导入XFDTD使用

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第四讲 ： 材料设置原理，材料数值模型与操作说明

设置材料在XFDTD里面是一个操作简单但可能影响深远的环节，但由于其操作简单，几乎是随手完成，经常被忽略。这个系列的视频用来介绍XFDTD的材料设置

对仿真软件而言，设置材料就是选择一个数学模型框架，填入参数，用这个数学模型带入仿真计算，尽可能贴近真实的描述一个存在于现实世界或是符合特定理论材料假设的特性，但是材料特性各异并没有一个单一的数值模型适用于所有的材料，因此用户必须要考虑的是第一个自己手上有没有完整的数据，第2个是应该用哪一种数值模型来描述这个材料

应用到仿真里头反应出来的就是在这个材料占据的网格上可能产生的功耗，所以如果材料的数值模型并不精确或者是说有其他的错误的话跑出来的仿真就会有问题，也就是你的网格不是你以为的网格，你的材料不是你以为的材料。

XFDTD软件本身提供了许多种电以及磁的材料数值模型选择，这系列的视频就是从界面上的功能跟菜单开始介绍怎么操作哪些东西有什么用，然后进一步的介绍这一些数值模型要怎么样去建立或填写可能要注意些什么，希望可以让用户在建模的时候对材料的部分有更好的掌握建出来精确度更好或仿真表现更接近用户要求的模型

4.1 XFDTD 材料篇(1) 材料建模界面原理

这个视频从基本的材料设置界面操作开始介绍，说明XFDTD里面的材料数学模型观念，解释其操作界面设计的原理

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4.2接续上一个视频对框架及观念的介绍，进一步介绍这些材料数值模型参数的意义，用户可以怎么考虑使用及填写，以及dispersive material calculator的用途与用法

这个视频从基本的材料设置界面操作开始介绍，说明XFDTD里面的材料数学模型观念，解释其操作界面设计的原理

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第五讲 ： 网格的观念与设置调试

网格是XFDTD数学上的基石，建模的问题很大一部分来自于网格(mesh)的设置与调适，网格失真，偏移就不能真实的反应模型，而用户在跑的仿真是基于网格的模型，这就可能导致仿真得到不精确甚至很离谱的结果，或是跑了很长时间没法收敛等疑难杂症，网格要是设置妥当，就比较有机会在合理的时间和硬件成本内得到较为满意，精确的仿真结果，因此了解网格的原理与设置操作就成为XFDTD不可不察的一个重要环节。

5.1 XFDTD 中的网格是什么，观念介绍与全局设置

从数学观念开始介绍网格在XFDTD中的物理意义和作用，以及软件基于网格的运作方式

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5.2 XFDTD 的网格全局设置

完整介绍网格全局设置与调适界面的操作与细节

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5.3 XFDTD 的网格个别零件设置

XFDTD提供较为有弹性，针对个别零件网格设置功能，介绍相关功能的操作与观念

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第六讲 ： 波形设置与操作说明，波形在仿真中对数学物理算法起到的作用

波形是XFDTD的建模很底层的部分,主要是用一个数学模型描述输入的能量以某种波的形态随着时间振荡变化,有这个数学模型我们才能够掌握随着时间变化跟模型中不同的结构各种的材料发生作用的能量作为一个系统的输入是如何变化的，同时也可以反过来了解用这样的形式对系统输入能量，设置激励是不是合适，有没有覆盖到我们的仿真要研究的频率范围，能不能良好的反应出我们想要研究的物理现象

由于XFDTD默认设置的关系，通常用户在建模时会默认使用模板波形的自动选项，通常这也足以覆盖大多数用户的用途，但是在某些情况下，这个自动选项提供的波形不一定能够很好的覆盖用户的需求，也很有可能用户要输入的波形/信号是不规则的，不能用一个可解析的数学式来描述他对时间的变化，这个时候我们就要选用其他的波形模板，或者是自行定义一个波形作为仿真输入的底层数学模型，这个章节的视频教程，主要就是在介绍怎么使用这些波形模板，上面的设置对波形及仿真结果会有什么影响，最后会演示如何自定义波形，怎麽制作波形文档，还有要注意些什么才能正确建立用户自定义波形文档。

 

6.1 模板波形的使用方式

这一节主要在介绍如何使用模板波形，透过一个简单的例程(偶极子天线)，让用户了解不同的模板波形以及不同的参数设置对仿真输出对仿真结果会有什么影响，并提供一些想法让用户在选用波形时作为参考

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6.2 自定义波形

这一节主要在介绍如何建立用户自定的波形并导入XFDTD,当模板波形不能满足仿真的需求时,可能是因为波形函数较为特殊,或是波形对时间的振幅关系本身就是不规律的，比方说静电放电产生的脉冲，这个时候用户就需要建立自定制波形文档，将它导入XFDTD来进行仿真

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讲义文档下载：

XFdtd 简介

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1. XFdtd 7.10 培训教材第一章

这个章节在介绍XFdtd的方法论(FDTD)，软件的架构和运作方式，操作，用户界面和建模流程，作为一系列教材的基干篇章，希望用户在阅读这份教材后能够开始上手XFdtd，进行建模与仿真，至于建模各环节的细节，会在后续章节介绍：

 

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