淺談微波射頻仿真軟件綜述和應(yīng)用評(píng)析

微波系統(tǒng)的設(shè)計(jì)約來越復(fù)雜，對(duì)電路的指標(biāo)要求越來越高，電路的功能越來越多，電路的尺寸要求越做越小，而設(shè)計(jì)周期卻越來越短。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法已經(jīng)不能滿足微波電路設(shè)計(jì)的需要，使用微波EDA 軟件工具進(jìn)行微波元器件與微波系統(tǒng)的設(shè)計(jì)已經(jīng)成為微波電路設(shè)計(jì)的必然趨勢(shì)。

EDA即Electronic Design Automation， 電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化；目前，國外各種商業(yè)化的微波EDA 軟件工具不斷涌現(xiàn)，微波射頻領(lǐng)域主要的EDA 工具首推Agilent 公司的ADS 軟件和Ansoft 公司的HFSS、Designer 軟件，其次是比較小型的有Microwave Office， Ansoft Serenade， CST， Zeland， XFDTD， Sonnet 等電路設(shè)計(jì)軟件。下面將會(huì)簡(jiǎn)要地介紹一下各個(gè)微波EDA 軟件的功能特點(diǎn)和使用范圍，以期大家有個(gè)總體的了解。

微波EDA 仿真軟件與電磁場(chǎng)的數(shù)值算法密切相關(guān)，在介紹微波EDA 軟件之前先簡(jiǎn)要的介紹一下微波電磁場(chǎng)理論的數(shù)值算法。所有的數(shù)值算法都是建立在Maxwell方程組之上的，了解Maxwell方程是學(xué)習(xí)電磁場(chǎng)數(shù)值算法的基礎(chǔ)；在頻域，數(shù)值算法有：有限元法 （ FEM -- Finite Element Method）、矩量法（ MoM -- Method of Moments），差分法（ FDM -- Finite Difference Methods），邊界元法（ BEM -- ），和傳輸線法（ TLM -- Transmission-Line-matrix Method），在時(shí)域，數(shù)值算法有：

時(shí)域有限差分法（ FDTD – Finite Difference Time Domain ），和有限積分法（ FIT – Finite Integration Technology ）。如果想進(jìn)一步了解各種數(shù)值算法的具體實(shí)現(xiàn)，可以參閱以下幾本書籍：① Microwave Circuit Modeling Using Electromagnetic Field Simulation， ② Numerical Techniques in Electromagnetics， ③ Electromagmetic Simunation Using the FDTD Method，④ Complex eletromagnetic problems and numerical Simulation Approaches。

其中，使用矩量法（ MoM ） 的微波EDA軟件有ADS，Ansoft Designer，Microwave Office， Zeland IE3D，Ansoft Esemble，Super NEC和FEKO；使用有限元法 （ FEM ） 的微波EDA軟件有HFSS和ANSYS；使用時(shí)域有限差分法（ FDTD ） 的微波EDA軟件有 EMPIRE和XFDTD，使用有限積分法（ FIT ） 的微波EDA軟件有CST Microwave Studio和CST Mafia。

下面來介紹較流行幾種的微波EDA軟件的功能和應(yīng)用。

ADS – Advanced Design System，是Agilent公司推出的微波電路和通信系統(tǒng)仿真軟件，是國內(nèi)各大學(xué)和研究所使用最多的軟件之一。其功能非常強(qiáng)大，仿真手段豐富多樣，可實(shí)現(xiàn)包括時(shí)域和頻域、數(shù)字與模擬、線性與非線性、噪聲等多種仿真分析手段，并可對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行成品率分析與優(yōu)化，從而大大提高了復(fù)雜電路的設(shè)計(jì)效率，是非常優(yōu)秀的微波電路、系統(tǒng)信號(hào)鏈路的設(shè)計(jì)工具。主要應(yīng)用于：射頻和微波電路的設(shè)計(jì)，通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，DSP設(shè)計(jì)和向量仿真?，F(xiàn)在最新的版本是 ADS2004A。

Ansoft Designer，是Ansoft公司推出的微波電路和通信系統(tǒng)仿真軟件；它采用了最新的視窗技術(shù)，是第一個(gè)將高頻電路系統(tǒng)，版圖和電磁場(chǎng)仿真工具無縫地集成到同一個(gè)環(huán)境的設(shè)計(jì)工具，這種集成不是簡(jiǎn)單和界面集成，其關(guān)鍵是Ansoft Designer獨(dú)有的按需求解的技術(shù)，它使你能夠根據(jù)需要選擇求解器，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)計(jì)過程的完全控制。Ansoft Designer實(shí)現(xiàn)了“所見即所得”的自動(dòng)化版圖功能，版圖與原理圖自動(dòng)同步，大大提高了版圖設(shè)計(jì)效率。

同時(shí)，Ansoft還能方便地與其他設(shè)計(jì)軟件集成到一起，并可以和測(cè)試儀器連接，完成各種設(shè)計(jì)任務(wù)，如頻率合成器，鎖相環(huán)，通信系統(tǒng)，雷達(dá)系統(tǒng)以及放大器，混頻器，濾波器，移相器，功率分配器，合成器和微帶天線等。主要應(yīng)用于：射頻和微波電路的設(shè)計(jì)，通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，電路板和模塊設(shè)計(jì)，部件設(shè)計(jì)?，F(xiàn)在最新的版本是Ansoft Designer 2.1。

Ansoft HFSS，是Ansoft公司推出的三維電磁仿真軟件；是世界上第一個(gè)商業(yè)化的三維結(jié)構(gòu)電磁場(chǎng)仿真軟件，業(yè)界公認(rèn)的三維電磁場(chǎng)設(shè)計(jì)和分析的電子設(shè)計(jì)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。HFSS提供了一簡(jiǎn)潔直觀的用戶設(shè)計(jì)界面、精確自適應(yīng)的場(chǎng)解器、擁有空前電性能分析能力的功能強(qiáng)大后處理器，能計(jì)算任意形狀三維無源結(jié)構(gòu)的S參數(shù)和全波電磁場(chǎng)。HFSS軟件擁有強(qiáng)大的天線設(shè)計(jì)功能，它可以計(jì)算天線參量，如增益、方向性、遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖剖面、遠(yuǎn)場(chǎng)3D圖和3dB帶寬；繪制極化特性，包括球形場(chǎng)分量、圓極化場(chǎng)分量、Ludwig第三定義場(chǎng)分量和軸比。

使用HFSS，可以計(jì)算：① 基本電磁場(chǎng)數(shù)值解和開邊界問題，近遠(yuǎn)場(chǎng)輻射問題；② 端口特征阻抗和傳輸常數(shù)；③ S參數(shù)和相應(yīng)端口阻抗的歸一化S參數(shù)；④ 結(jié)構(gòu)的本征模或諧振解。而且，由Ansoft HFSS和Ansoft Designer構(gòu)成的Ansoft高頻解決方案，是目前唯一以物理原型為基礎(chǔ)的高頻設(shè)計(jì)解決方案，提供了從系統(tǒng)到電路直至部件級(jí)的快速而精確的設(shè)計(jì)手段，覆蓋了高頻設(shè)計(jì)的所有環(huán)節(jié)?，F(xiàn)在最新的版本是Ansoft HFSS 9.2。

Microwave Office，是AWR公司推出的微波EDA軟件，為微波平面電路設(shè)計(jì)提供了最完整， 最快速和最精確的解答。它是通過兩個(gè)模擬器來對(duì)微波平面電路進(jìn)行模擬和仿真的。對(duì)于由集總元件構(gòu)成的電路，用電路的方法來處理較為簡(jiǎn)便；該軟件設(shè)有 VoltaireXL的模擬器來處理集總元件構(gòu)成的微波平面電路問題。而對(duì)于由具體的微帶幾何圖形構(gòu)成的分布參數(shù)微波平面電路則采用場(chǎng)的方法較為有效；該軟件采用的是EMSight的模擬器來處理任何多層平面結(jié)構(gòu)的三維電磁場(chǎng)的問題。

VoltaireXL 模擬器內(nèi)設(shè)一個(gè)元件庫，在建立電路模型時(shí)，可以調(diào)出微波電路所用的元件，其中無源器件有電感、電阻、電容、諧振電路、微帶線、帶狀線、同軸線等等，非線性器件有雙極晶體管，場(chǎng)效應(yīng)晶體管，二極管等等。EMSight模擬器是一個(gè)三維電磁場(chǎng)模擬程序包，可用于平面高頻電路和天線結(jié)構(gòu)的分析。特點(diǎn)是把修正譜域矩量法與直觀的視窗圖形用戶界面（GUI）技術(shù)結(jié)合起來，使得計(jì)算速度加快許多。MWO可以分析射頻集成電路 （RFIC）、微波單片集成電路（MMIC）、微帶貼片天線和高速印制電路（PCB）等電路的電氣特性。

XFDTD，是Remcom公司推出的基于時(shí)域有限差分法（FDTD）的三維全波電磁場(chǎng)仿真軟件。XFDTD用戶界面友好、計(jì)算準(zhǔn)確；但XFDTD 本身沒有優(yōu)化功能，須通過第三方軟件Engineous完成優(yōu)化。該軟件最早用于仿真蜂窩電話，長(zhǎng)于手機(jī)天線和SAR計(jì)算。現(xiàn)在廣泛用于無線、微波電路、雷達(dá)散射計(jì)算，化學(xué)、光學(xué)、陸基警戒雷達(dá)和生物組織仿真。軟件最新版本為 XFDTD 6.0

Zeland IE3D，IE3D是一個(gè)基于矩量法的電磁場(chǎng)仿真工具，可以解決多層介質(zhì)環(huán)境下的三維金屬結(jié)構(gòu)的電流分布問題。IE3D可分為MGRID、MODUA和 PATTERNVIEW三部分；MGRID為IE3D的前處理套件，功能有建立電路結(jié)構(gòu)、設(shè)定基板與金屬材料的參數(shù)和設(shè)定模擬仿真參數(shù)；MOODUA是 IE3D的核心執(zhí)行套件，可執(zhí)行電磁場(chǎng)的模擬仿真計(jì)算、性能參數(shù)（Smith園圖，S參數(shù)等）計(jì)算和執(zhí)行參數(shù)優(yōu)化計(jì)算；PATTERNVIEW是IE3D 的后處理套件，可以將仿真計(jì)算結(jié)果，電磁場(chǎng)的分布以等高線或向量場(chǎng)的形式顯示出來。IE3D仿真結(jié)果包括S、Y、Z參數(shù)，VWSR，RLC等效電路，電流分布，近場(chǎng)分布和輻射方向圖，方向性，效率和RCS等；應(yīng)用范圍主要是在微波射頻電路、多層印刷電路板、平面微帶天線設(shè)計(jì)的分析與設(shè)計(jì)。軟件最新版本為 Zeland IE3D10.0。

CST MICROWAVE STUDIO，是德國CST（Computer Simulation Technology）公司推出的高頻三維電磁場(chǎng)仿真軟件。廣泛應(yīng)用于移動(dòng)通信、無線通信（藍(lán)牙系統(tǒng)）、信號(hào)集成和電磁兼容等領(lǐng)域。微波工作室使用簡(jiǎn)潔，能為用戶的高頻設(shè)計(jì)提供直觀的電磁特性。微波工作室除了主要的時(shí)域求解器模塊外，還為某些特殊應(yīng)用提供本征模及頻域求解器模塊。CAD文件的導(dǎo)入功能及 SPICE參量的提取增強(qiáng)了設(shè)計(jì)的可能性并縮短了設(shè)計(jì)時(shí)間。另外，由于CST設(shè)計(jì)工作室的開放性體系結(jié)構(gòu)能為其它仿真軟件提供鏈接，使微波工作室與其它設(shè)計(jì)環(huán)境相集成。

Sonnet，是一種基于矩量法的電磁仿真軟件，提供面向3D平面高頻電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)以及在微波、毫米波領(lǐng)域和電磁兼容/電磁干擾設(shè)計(jì)的EDA工具。 SonnetTM應(yīng)用于平面高頻電磁場(chǎng)分析，頻率從1MHz 到幾千GHz。主要的應(yīng)用有：微帶匹配網(wǎng)絡(luò)、微帶電路、微帶濾波器、帶狀線電路、帶狀線濾波器、過孔（層的連接或接地）、偶合線分析、PCB板電路分析、 PCB 板干擾分析、橋式螺線電感器、平面高溫超導(dǎo)電路分析、毫米波集成電路（MMIC）設(shè)計(jì)和分析、混合匹配的電路分析、HDI 和LTCC 轉(zhuǎn)換、單層或多層傳輸線的精確分析、多層的平面的電路分析、單層或多層的平面天線分析、平面天線陣分析、平面偶合孔的分析等。

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