各大微波仿真軟件介紹及算法和原理 - 全文

微波系統(tǒng)的設(shè)計(jì)越來(lái)越復(fù)雜，對(duì)電路的指標(biāo)要求越來(lái)越高，電路的功能越來(lái)越多，電路的尺寸要求越做越小，而設(shè)計(jì)周期卻越來(lái)越短。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法已經(jīng)不能滿足系統(tǒng)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)。隨著單片集成電路技術(shù)的不斷發(fā)展，GaAs、硅為基礎(chǔ)的微波、毫米波單片集成電路（MIMIC）和超高速單片集成電路（VHSIC）都面臨著一個(gè)嶄新的發(fā)展階段，電路的設(shè)計(jì)與工藝研制曰益復(fù)雜化，如何進(jìn)一步提高電路性能、降低成本，縮短電路的研制周期，已經(jīng)成為電路設(shè)計(jì)的一個(gè)焦點(diǎn)，而EDA技術(shù)是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。EDA技術(shù)的范疇包括電子工程設(shè)計(jì)師進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)的全過程，以及電子產(chǎn)品生產(chǎn)過程中期望由計(jì)算機(jī)提供的各種輔助功能。一方面EDA技術(shù)可為系統(tǒng)級(jí)、電路級(jí)和物理實(shí)現(xiàn)級(jí)三個(gè)層次上的輔助設(shè)計(jì)過程，另一方面EDA技術(shù)應(yīng)包括電子線路從低頻到高頻，從線性到非線性，從模擬到數(shù)字，從分立電路到集成電路的全部設(shè)計(jì)過程[1-2]。

隨著無(wú)線和有線設(shè)計(jì)向更高頻率的發(fā)展和電路復(fù)雜性的增加，對(duì)于高頻電磁場(chǎng)的仿真，由于忽略了高階傳播模式而引起仿真的誤差。另外，傳統(tǒng)模式等效電路分析方法的限制，與頻率相關(guān)電容、電感元件等效模型而引起的誤差。例如，在分析微帶線時(shí)，許多易于出錯(cuò)的無(wú)源模式是由于微帶線或帶狀線的交叉、階梯、彎曲、開路、縫隙等等，在這種情況下是多模傳輸。為此，通常采用全波電磁仿真技術(shù)去分析電路結(jié)構(gòu)，通過電路仿真得到準(zhǔn)確的非連續(xù)模式S參數(shù)。

這些EDA仿真軟件與電磁場(chǎng)的數(shù)值解法密切相關(guān)的，不同的仿真軟件是根據(jù)不同的數(shù)值分析方法來(lái)進(jìn)行仿真的。通常，數(shù)值解法分為顯示和隱示算法，隱示算法（包括所有的頻域方法）隨著問題的增加，表現(xiàn)出強(qiáng)烈的非線性。顯示算法（例如FDTD、FIT方法在處理問題時(shí)表現(xiàn)出合理的存儲(chǔ)容量和時(shí)間。

本文根據(jù)電磁仿真工具所采用的數(shù)值解法進(jìn)行分類，對(duì)常用的微波EDA仿真軟件進(jìn)行論述。

2．基于矩量法仿真的微波EDA仿真軟件

基于矩量法仿真的EDA軟件主要包括ADS（Advanced Design System）、Sonnet電磁仿真軟件、IE3D和Microwave office。

2.1 ADS仿真軟件

Agilent ADS(Advanced Design System)軟件是在HP EESOF系列EDA軟件基礎(chǔ)上發(fā)展完善起來(lái)的大型綜合設(shè)計(jì)軟件，是美國(guó)安捷倫公司開發(fā)的大型綜合設(shè)計(jì)軟件，是為系統(tǒng)和電路工程師提供的可開發(fā)各種形式的射頻設(shè)計(jì)，對(duì)于通信和航天／防御的應(yīng)用，從最簡(jiǎn)單到最復(fù)雜，從離散射頻／微波模塊到集成MMIC。從電路元件的仿真，模式識(shí)別的提取，新的仿真技術(shù)提供了高性能的仿真特性。該軟件可以在微機(jī)上運(yùn)行，其前身是工作站運(yùn)行的版本MDS（Microwave Design System）。該軟件還提供了一種新的濾波器的設(shè)計(jì)引導(dǎo)，可以使用智能化的設(shè)計(jì)規(guī)范的用戶界面來(lái)分析和綜合射頻／微波回路集總元濾波器，并可提供對(duì)平面電路進(jìn)行場(chǎng)分析和優(yōu)化功能。它允許工程師定義頻率范圍，材料特性，參數(shù)的數(shù)量和根據(jù)用戶的需要自動(dòng)產(chǎn)生關(guān)鍵的無(wú)源器件模式。該軟件范圍涵蓋了小至元器件，大到系統(tǒng)級(jí)的設(shè)計(jì)和分析。尤其是其強(qiáng)大的仿真設(shè)計(jì)手段可在時(shí)域或頻域內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字或模擬、線性或非線性電路的綜合仿真分析與優(yōu)化，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，使之成為設(shè)計(jì)人員的有效工具 [6-7]。

2.2 Sonnet仿真軟件

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。

2.3 IE3D仿真軟件

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。它利用積分的方式求解Maxwell方程組，從而解決電磁波的效應(yīng)、不連續(xù)性效應(yīng)、耦合效應(yīng)、和輻射效應(yīng)問題。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。IE3D在微波/毫米波集成電路（MMIC）、RF印制板電路、微帶天線、線電線和其它形式的RF天線、HTS電路及濾波器、IC的內(nèi)部連接和高速數(shù)字電路封裝方面是一個(gè)非常有用的工具。

2.4 Microwave Office 軟件介紹

“Microwave Office”軟件是通過兩個(gè)模擬器來(lái)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(lái)處理較為簡(jiǎn)便。該軟件設(shè)有“VoltaireXL”的模擬器來(lái)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(lái)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(kù)，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(wú)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(lái)，使得計(jì)算速度加快許多。它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。

Microwave Office 2002 增加了一些新功能，包括濾波器智能綜合、智能負(fù)載牽引，提高對(duì)存在的回路的電磁仿真，包括振蕩器相位噪聲分析和3D平面電磁仿真引擎，使對(duì)某些復(fù)雜問題的仿真更加有效。

3．基于時(shí)域有限差分的微波仿真軟件

基于時(shí)域有限差分的仿真軟件包括：CST MICROWAVE STUDIO、FIDELITY和IMST Empire

3.1 CST MICROWAVE STUDIO 仿真軟件

CST MICROWAVE STUDIO? (CST SD)是為快速、精確仿真電磁場(chǎng)高頻問題而專門開發(fā)的EDA工具，是基于PC機(jī)Windows環(huán)境下的仿真軟件。它主要應(yīng)用在復(fù)雜設(shè)計(jì)和更高的諧振結(jié)構(gòu)。CST DS 通過散射參數(shù)使電磁場(chǎng)元件結(jié)合在一起。把復(fù)雜的系統(tǒng)分離成更小的子單元，通過對(duì)系統(tǒng)每一個(gè)單元行為的S-參數(shù)的描述，可以快速的分析和降低系統(tǒng)所需的內(nèi)存。CST DS 它考慮了在子單元之間高階模式的耦合，結(jié)構(gòu)分成小部分而沒有影響系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

傳統(tǒng)的電路仿真軟件仿真是快速的，但是，當(dāng)考慮集膚效應(yīng)損耗和材料的復(fù)雜性，結(jié)果的準(zhǔn)確性將受到大幅度的影響。像CST DS的3D仿真軟件克服了這種限制，可以解決任意幾何形狀的下所建立的麥克斯韋方程，包括復(fù)雜的材料模式。

CST MICROWAVE STUDIO?　的可以應(yīng)用在仿真電磁場(chǎng)領(lǐng)域包括大多數(shù)的高頻電磁場(chǎng)問題上。移動(dòng)通信、無(wú)線設(shè)計(jì)、信號(hào)完整性和電磁兼容(EMC)等。具體應(yīng)用范圍包括耦合器、濾波器、平面結(jié)構(gòu)電路、聯(lián)結(jié)器、IC封裝、各種類型天線、微波元器件、藍(lán)牙技術(shù)和電磁兼容/干擾等。

3.2 FIDELITY 仿真軟件

FIDELITY是基于非均勻網(wǎng)格的時(shí)域有限差分方法的全三維電磁 場(chǎng)仿真器，可以解決具有復(fù)雜填充介質(zhì)求解域的場(chǎng)分布問題。仿真結(jié)果包括S-、Y-、Z-參數(shù)，VSWR，RLC等效電路，近場(chǎng)分布，波印廷矢量和輻射方向圖等。FIDELITY可以分析非絕緣和復(fù)雜介質(zhì)結(jié)構(gòu)的問題。它在微波/毫米波集成電路（MMIC）、RF印制板電路、微帶天線、線電線和其它形式的RF天線、HTS電路及濾波器、IC的內(nèi)部連接和高速數(shù)字電路封裝，EMI及EMC方面的應(yīng)用。

FIDELITY的特點(diǎn)有：

1)可對(duì)真正的三維金屬和非絕緣介質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模；

2)高效、高準(zhǔn)確非均勻網(wǎng)格的FDTD仿真引擎；3)能方便地對(duì)分析目標(biāo)排列定位和幾何結(jié)構(gòu)的編輯與檢查；

4）可對(duì)非各向同性介質(zhì)填充的同軸波導(dǎo)和矩形波導(dǎo)進(jìn)行建模；

5）具有自動(dòng)網(wǎng)格生成功能、網(wǎng)格優(yōu)化功能和對(duì)輸入的幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行單獨(dú)網(wǎng)格生成功能；

6）預(yù)定義同軸、微帶、矩形波導(dǎo)和用戶定義端口；

7）不同邊界條件的實(shí)現(xiàn)（如PML）；

8）集成的預(yù)處理和后處理功能，包括S參數(shù)提取和時(shí)域信號(hào)顯示；

9）輻射方向圖的計(jì)算、近場(chǎng)動(dòng)態(tài)顯示功能；

10）具有切片顯示功能的三維和二維電場(chǎng)、磁場(chǎng)及坡印廷矢量的顯示；

11）一次仿真即可得到寬帶頻譜的功能；

12）平面波激勵(lì)和SAR計(jì)算功能

3.3 IMST Empire 仿真軟件

IMST Empire是一種3D電磁場(chǎng)仿真軟件。它是一種基于3D的時(shí)域有限差分的方法，這種方法已經(jīng)變成RF元件設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)。它的應(yīng)用范圍從分析平面結(jié)構(gòu)、互聯(lián)、的多端口集成到微波波導(dǎo)、天線、EMC問題。EMPIRE基本覆蓋了RF設(shè)計(jì)3D場(chǎng)仿真的整個(gè)領(lǐng)域。根據(jù)用戶的定義的頻率范圍，一次的仿真的運(yùn)行，就可以得到散射參數(shù)、輻射參數(shù)和輻射場(chǎng)圖。對(duì)于結(jié)構(gòu)的定義，3D編輯器集成到EMPIRE軟件中。AUTOCADTM是一個(gè)流行的機(jī)械畫圖工具，可以在EMPIRE環(huán)境中使用。監(jiān)視窗口和動(dòng)畫可以給出電磁波的現(xiàn)象，并獲得準(zhǔn)確的結(jié)果。

4．基于有限元的微波EDA仿真軟件

基于有限元的典型仿真軟件是：Ansoft HFSS

Ansoft HFSS 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，可分析仿真任意三維無(wú)源結(jié)構(gòu)的高頻電磁場(chǎng)，可直接得到特征阻抗、傳播常數(shù)、S參數(shù)及電磁場(chǎng)、輻射場(chǎng)、天線方向圖等結(jié)果。該軟件被廣泛應(yīng)用于無(wú)線和有線通信、計(jì)算機(jī)、衛(wèi)星、雷達(dá)、半導(dǎo)體和微波集成電路、航空航天等領(lǐng)域。

Ansoft HFSS采用自適應(yīng)網(wǎng)格剖分，ALPS快速掃頻，切向元等專利技術(shù)，集成了工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的建模系統(tǒng)，提供了功能強(qiáng)大、使用靈活的宏語(yǔ)言，直觀的后處理器及獨(dú)有的場(chǎng)計(jì)算器，可計(jì)算分析顯示各種復(fù)雜的電磁場(chǎng)，并利用Optimetrics可對(duì)任意的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化和掃描分析。

使用Ansoft 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?；蛑C振解。