射頻EDA仿真軟件介紹(包括算法,原理)

1、射頻EDA仿真軟件介紹（包括算法，原理）一、 前言 微波系統(tǒng)的設(shè)計(jì)越來越復(fù)雜，對電路的指標(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。 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軟件以及CST，其次是比較小型的有Microwave O

2、ffice, Ansoft Serenade, Zeland, XFDTD, Sonnet，F(xiàn)EKO等電路設(shè)計(jì)軟件。下面將會(huì)將會(huì)簡要地介紹一下各個(gè)微波EDA軟件的功能特點(diǎn)和使用范圍。這些EDA仿真軟件與電磁場的數(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)值分析方法來進(jìn)行仿真的, 在介紹微波EDA 軟件之前先簡要的介紹一下微波電磁場理論的數(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)電磁場數(shù)值算法的基礎(chǔ)。 電磁學(xué)問題的數(shù)值求解方法總的可分為時(shí)域和頻域兩大類。在頻域，數(shù)值算法有：有限元法 ( FEM - Finite Element Method）、

3、矩量法( MoM - Method of Moments），差分法( FDM - Finite Difference Methods），邊界元法( BEM - Boundary Element Methed），和傳輸線法( TLM - Transmission-Line-matrix Method）。頻域技術(shù)發(fā)展得比較早，也比較成熟。在時(shí)域，數(shù)值算法有：時(shí)域有限差分法( FDTD Finite Difference Time Domain ），和時(shí)域有限積分法( FITD Finite Integration Time Domain）。時(shí)域法的引入是基于計(jì)算效率的考慮，某些問題在時(shí)域中討論起來

4、計(jì)算量要小。例如求解目標(biāo)對沖激脈沖的早期響應(yīng)時(shí)，頻域法必須在很大的帶寬內(nèi)進(jìn)行多次采樣計(jì)算，然后做傅里葉反變換才能求得解答，計(jì)算精度受到采樣點(diǎn)的影響。若有非線性部分隨時(shí)間變化，采用時(shí)域法更加直接。除此之外外還有一些高頻方法作為補(bǔ)充，如GTD，UTD和射線理論。從求解方程的形式看，可以分為積分方程法（IE）和微分方程法（DE）。IE和DE相比，有如下特點(diǎn)：IE法的求解區(qū)域維數(shù)比DE法少一維，誤差限于求解區(qū)域的邊界，故精度高；IE法適合求無限域問題，DE法此時(shí)會(huì)遇到網(wǎng)格截?cái)鄦栴}；IE法產(chǎn)生的矩陣是滿的，階數(shù)小，DE法所產(chǎn)生的是稀疏矩陣，但階數(shù)大；IE法難以處理非均勻、非線性和時(shí)變媒質(zhì)問題，DE法可直

5、接用于這類問題。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，對常用的微波EDA仿真軟件進(jìn)行論述。 二、 基于矩量法MOM仿真的微波EDA仿真軟件矩量法將連續(xù)方程離散化為代數(shù)方程組，既適用于求解微分方程，又適用于求解積分方程。他的求解過程簡單，求解步驟統(tǒng)一，應(yīng)用起來比較方便。然而需要一定的數(shù)學(xué)技巧，如離散化的程度、基函數(shù)與權(quán)函數(shù)的選取，矩陣求解過程等。另外必須指出的是，矩量法可以達(dá)到所需要的精確度，解析部分簡單，可計(jì)算量很大，即使用高速大容量計(jì)算機(jī)，計(jì)算任務(wù)也很繁重。矩量法在天線分析和電磁場散射問題中有比較廣泛地應(yīng)用，已成功用于天線和天線陣的輻射、散射問題、微帶和有耗結(jié)構(gòu)分析、非均勻地球上的傳

6、播及人體中電磁吸收等。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、Zeland IE3D、Microwave office、Ansoft Designer和FEKO等。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)展完善起來的大型綜合設(shè)計(jì)軟件，是美國安捷倫公司開發(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)，對于通信和航天防御的應(yīng)用，從最簡單到最復(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

7、識別的提取，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)范的用戶界面來分析和綜合射頻微波回路集總元濾波器，并可提供對平面電路進(jìn)行場分析和優(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)鍵的無源器件模式。該軟件范圍涵蓋了小至元器件，大到系統(tǒng)級的設(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。現(xiàn)在最新的版本是ADS2006B。2.2 Sonnet仿真軟件

8、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?，F(xiàn)在

9、最新的版本是Sonnet Suite pro 9.5.2。2.3 Zeland IE3D仿真軟件IE3D是一個(gè)基于矩量法的電磁場仿真工具，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。IE3D可能是最好的

10、商業(yè)MoM套件。MoM原理相對簡單，且計(jì)算速度極快。IE3D比較適合2.5維情形，例如算算PCB或者微帶天線比較合適，算復(fù)雜3D結(jié)構(gòu)力不從心。但是，手機(jī)PIFA的計(jì)算就比較適合用IE3D。不是用于做天線項(xiàng)目仿真，而是用于研究天線的基本特征，天線和PCB如何相互耦合、PCB上激發(fā)的表面電流走向等原型階段的預(yù)研。軟件最新版本為Zeland IE3D10.0。2.4 Microwave Office 軟件介紹"Microwave Office"軟件是通過兩個(gè)模擬器來對微波平面電路進(jìn)行模擬和仿真的。對于由集總元件構(gòu)成的電路，用電路的方法來處理較為簡便。該軟件設(shè)有"Volt

11、aireXL"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， 場效應(yīng)晶體管，二極管等等。"EMSight"模擬器是一個(gè)三維電磁場模擬程序包，可用于平面高頻電路和天線結(jié)構(gòu)的分析。特點(diǎn)是把

12、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。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。軟件最新版本為Microwave Office2006。2.5 Ansys公司的FEKO 軟件介紹FEKO 是針對天線設(shè)計(jì)、天線布局與電磁兼容性分析而開發(fā)的專業(yè)電磁場分析軟件，它基于矩量法（MoM：Method of Moment），擁有高效的多層快速多極子法，并將矩量法與高頻分析方法（物理光學(xué)PO：Physical Optics，一致性繞射理論UTD：Uniform Theory of

13、Diffraction）完美結(jié)合，從而非常適合于分析天線設(shè)計(jì)中的各類電磁場分析問題：對于電小結(jié)構(gòu)的天線，F(xiàn)EKO中可以采用完全的矩量法進(jìn)行分析；對于具有電小與電大尺寸混合結(jié)構(gòu)的天線，F(xiàn)EKO中既可以采用多層快速多極子法，又可以采用混合方法：用矩量法分析電小結(jié)構(gòu)部分，而用高頻方法分析電大結(jié)構(gòu)部分。而且，F(xiàn)EKO支持天線工程中的各種激勵(lì)方式，輸出天線的各種電性能參數(shù)。它可以計(jì)算非常復(fù)雜的3D結(jié)構(gòu)和環(huán)境，擅長電大尺寸，常被用做飛機(jī)電磁性能的建模和仿真。軟件最新版本為FEKO 5.2。2.6 Ansoft DesignerDesigner是Ansoft公司推出的微波電路和通信系統(tǒng)仿真軟件；它是第一個(gè)將

14、高頻電路系統(tǒng),版圖和電磁場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

15、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 3.0。2.7 SuperNEC采用MoM法，要使用MatLab平臺。這個(gè)會(huì)限制它的計(jì)算速度，因?yàn)镸atLab是行解釋型的，代碼不編譯。 三、 基于時(shí)域有限差分法FDTD的微波仿真軟件 FDTD用有限差分式替代時(shí)域麥克斯韋旋度方程中的微分式，得到關(guān)于場分量的有限差分式，針對不同的研究對象，可在不同的坐標(biāo)系中建模，因而具有這幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)，容易對復(fù)雜媒體建模，通過一次時(shí)域分析計(jì)算，借助傅里葉變換可以得到整個(gè)同帶范圍內(nèi)的頻率響應(yīng)；能夠?qū)崟r(shí)在現(xiàn)場的空間分布，精確模擬各種輻射體和散射體的輻射特性和散射特性；計(jì)算時(shí)間短。但是FD

16、TD分析方法由于受到計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)容量的限制，其網(wǎng)格空間不能無限制的增加，造成FDTD方法不能適用于較大尺寸，也不能適用于細(xì)薄結(jié)構(gòu)的媒質(zhì)。因?yàn)檫@種細(xì)薄結(jié)構(gòu)的最小尺寸比FDTD網(wǎng)格尺寸小很多，若用網(wǎng)格擬和這類細(xì)薄結(jié)構(gòu)只能減小網(wǎng)格尺寸，而這必然導(dǎo)致計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)容量的加大。因此需要將FDTD與其他技術(shù)相結(jié)合，目前這種技術(shù)正蓬勃發(fā)展，如時(shí)域積分方程FDTD方法，F(xiàn)DTDMOM等。FDTD的應(yīng)用范圍也很廣闊，諸如手持機(jī)輻射、天線、不同建筑物結(jié)構(gòu)室內(nèi)的電磁干擾特性研究、微帶線等。目前所有FDTD的軟件都是采用PML吸收邊界條件?；跁r(shí)域有限差分的仿真軟件包括：Zeland FIDELITY、IMST Empir

17、e和XFDTD等。3.1 Zeland 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 場仿真器，可以解決具有復(fù)雜填充介質(zhì)求解域的場分布問題。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

18、勻網(wǎng)格的FDTD仿真引擎；3)能方便地對分析目標(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)域信號顯示；9）輻射方向圖的計(jì)算、近場動(dòng)態(tài)顯示功能；10）具有切片顯示功能的三維和二維電場、磁場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3.2 IMST Empire 仿真軟件IMST Empire是非常優(yōu)

19、秀的高頻電磁場套件，德國人的東西。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)和輻射場圖。對于結(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。獲得歐洲多次仿真大賽的優(yōu)勝，仿真題目是一個(gè)Vivalti天線，速度最快，又最準(zhǔn)確。但是正如德國人的問

20、題，好是好，但又有太過明顯缺陷。建模法太復(fù)雜，學(xué)起來比較困難。軟件最新版本為IMST Empire 4.12。3.3 XFDTD 仿真軟件 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。經(jīng)常和很多測試SAR的硬件系統(tǒng)聯(lián)系在一起，在加載人體電磁模型后可以計(jì)算SAR值。缺點(diǎn)是天線Pattern沒有3D顯示，只有2D

21、截面。這個(gè)缺點(diǎn)已在新版本中改進(jìn)。軟件最新版本為XFDTD 6.0。 四、 基于有限元的微波EDA仿真軟件將有限元法移植到電磁工程領(lǐng)域還是二十世紀(jì)六七十年代的事情，它比較新穎。有限元法的優(yōu)點(diǎn)是適用于具有復(fù)雜邊界形狀或邊界條件、含有復(fù)雜媒質(zhì)的定解問題。這種方法的各個(gè)環(huán)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，得到通用的計(jì)算程序，而且有較高的計(jì)算精度。但是這種方法的計(jì)算程序復(fù)雜冗長，由于他是區(qū)域性解法，分割的元素?cái)?shù)和節(jié)點(diǎn)數(shù)較多，導(dǎo)致需要的初始數(shù)據(jù)復(fù)雜繁多，最終得到的方程組的元數(shù)很大，這使得計(jì)算時(shí)間長，而且對計(jì)算機(jī)本身的存儲(chǔ)也提出了要求。4.1 基于有限元的典型仿真軟件是：Ansoft HFSS。Ansoft HFSS是世界

22、上第一個(gè)商業(yè)化的三維結(jié)構(gòu)電磁場仿真軟件，可分析仿真任意三維無源結(jié)構(gòu)的高頻電磁場，可直接得到特征阻抗、傳播常數(shù)、S參數(shù)及電磁場、輻射場、天線方向圖等結(jié)果。該軟件被廣泛應(yīng)用于無線和有線通信、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、使用靈活的宏語言，直觀的后處理器及獨(dú)有的場計(jì)算器，可計(jì)算分析顯示各種復(fù)雜的電磁場，并利用Optimetrics可對任意的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化和掃描分析。使用Ansoft HFSS，可以計(jì)算：1）基本電磁場數(shù)值解和開邊界問題，近遠(yuǎn)場輻射問題。2）

23、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)。軟件最新版本為ansoft HFSS 10。 五、 基于時(shí)域有限積分FITD的微波仿真軟件 CST MICROWAVE STUDIOCST的Microwave Studio，大家一直以為它是采用FDTD方法進(jìn)行仿真，其實(shí)它是時(shí)域積分法（FITD），當(dāng)然其實(shí)兩種方法比較接近。和FEM方法不同，F(xiàn)DTD或者FITD都是先在時(shí)域計(jì)算，用一個(gè)寬頻譜的激勵(lì)信號（方波或者高斯波都有）去激勵(lì)模型，在時(shí)域計(jì)算然后去反演到頻域。系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)和場參數(shù)基本上是反演后的得到的。特點(diǎn)是可以計(jì)算相當(dāng)大的帶寬結(jié)果，而不需要象用HFSS，可能要