1、電磁場仿真軟件簡介隨著電磁場和微波電路領域數值計算方法的發展，在最近幾年出現了大量的電磁場和微波電路仿真軟件。在這些軟件中，多數軟件都屬于準3維或稱為2.5維電磁仿真軟件。例如，Agilent 公司的 ADS（Advanced Design System ）、AWR 公司的 Microwave Office、 Ansoft 公司的 Esemble、Serenade和 CST 公司的 CST Design Studio 等。目前，真正意 義上的三維電磁場仿真軟件只有Ansoft公司的 HFSS、CST公司的 Mafia、CSTMicrowave Studio、Zeland 公司的 Fidelit

2、y 和 IMST GmbH 公司的 EMPIRE。從理論上講, 這些軟件都能仿真任意三維結構的電磁性能。其中，HFSS （HFSS是英文高頻結構仿真器（High Frequency Structure Simulator ）的縮寫）是一種最早出現在商業市場的 電磁場三維仿真軟件。因此，這一軟件在全世界有比較大的用戶群體。由于HFSS進入中國市場較早，所以目前國內的電磁場仿真方面HFSS的使用者眾多，特別是在各大通信技術研究單位、公司、高校非常普及。德國CST公司的MicroWave Studio （微波工作室） 是最近幾年該公司在 Mafia軟件 基礎上推出的三維高頻電磁場仿真軟件。它吸收了

3、Mafia軟件計算速度快的優點，同時又對軟件的人機界面和前、后處理做了根本性的改變。就目前發行的版本而言，CST的MWS的前后處理界面及操作界面比HFSS好。Ansoft也意識到了自己的缺點，在剛剛推出的新版本 HFSS （定名為Ansoft HFSS V9.0 ）中，人機界面及操作都得到了極大 的改善。在這方面完全可以和CST媲美。在性能方面，兩個軟件各有所長。在速度和計算的精度方面 CST和ANSOFT成績相差不多。值得注意的是，MWS采用的理論基礎是FIT （有限積分技術）。與FDTD （時域有限差分法）類似，它是直接從Maxwell方程導出解。因此，MWS可以計算時域解。對于諸如濾波器

4、，耦合器等主要關心帶內 參數的問題設計就非常適合；而HFSS采用的理論基礎是有限元方法（FEM）,這是一種微分方程法，其解是頻域的。所以，HFSS如果想獲得頻域的解，它必須通過頻域轉換到時域。由于，HFSS是用的是微分方法，所以它對復雜結構的計算具有一定的優勢。另外，在高頻微波波段的電磁場仿真方面也應當提及另一個軟件：ANSYS。ANSYS是一個基于有限元法（FEM）的多功能軟件。該軟件可以計算工程力學、材料力 學、熱力學和電磁場等方面的問題。它也可以用于高頻電磁場分析（應用例如：微波輻射和散射分析、電磁兼容、電磁場干擾仿真等）。其功能與HFSS和CST MWS類似。但由于該軟件在建模和網格劃

5、分過程中需要對該軟件的使用規則有詳細的了解，因此， 對一般的工程技術人員來講使用該軟件有一定困難。對于高頻微波波段通信、天線、器件封裝、電磁干擾及光電子設計中涉及的任意形狀三維電磁場仿真方面不如HFSS更專業、更理想。實際上，ANSYS軟件的優勢并不在電磁場仿真方面，而是結構靜力/動力分析、熱分析以及流體動力學等。但是，就其電磁場部分而言，它也能對任意三維結構的電磁特性進行仿真。雖然，Zeland公司的Fidelity和IMST GmbH 公司的EMPIRE也可以仿真三維結構。但由于這些軟件的功能不如前面的軟件，所以用戶相對較少。卜面列出幾個相關軟件的名稱和主要性能，微波CAD 軟件簡介J商名

6、稱主要性能計算方法AgilentADS線性/非線性電路仿真；數字電路仿真；信號系統分析、仿真。Momentum2.5D平面電路高頻電磁場仿真矩量法（MoM ）AnsoftHFSS3D高頻電磁場仿真有限元法（FEM）Designer線性/非線性電路仿真；2.5D平面電路高頻電磁場仿真；信號系統分析、仿真。矩量法（MoM ）Ensemble2.5D平面電路高頻電磁場仿真矩量法（MoM ）SerenadeSymphony信號系統分析、仿真。Harmonica線性/非線性電路仿真；2.5D平面電路高頻電磁場仿真矩量法（MoM ）SPICE Link高級信號與系統仿真；Schematic Capture

7、驅動系統仿真；提取等效電路。Optimatrics參數分析、優化和靈敏度分析有限差分法（FDM ）CSTMafia低頻電場和磁場仿真；3D高頻電磁場仿真； 系統熱力學仿真； 帶電粒子運動仿真。有限積分技術(FIT)Microwave Studio3D高頻電磁場仿真有限積分技術(FIT)Design Studio2.5D平面電路高頻電磁場仿真；矩量法(MoM )AWRMW Office線性/非線性電路；2.5D平面電路高頻電磁場仿真。矩量法(MoM )IMSTGmbHEMPIRE3D高頻電磁場仿真時域有限差分法(FDTD )ZelandIE3D2.5D平面電路高頻電磁場仿真。時域有限差分法(FD

8、TD )Fidelity3D高頻電磁場仿真SonnetEM2.5D平面電路高頻電磁場仿真ANSYSANSYS結構靜力分析結構動力分析線性及非線性屈曲分析斷裂力學分析高度非線性瞬態動力分析熱分析流體動力學3D高頻電磁場分析有限元法(FEM)1.1 幾個主要相關類型軟件的簡介：1.1.1 ADS(Advanced Design System )它是Agilent Technoligyies公司推出的一套電路自動設計軟件。Agilent Technoligyies公 司把已 有產品 HP MDS(Microwave Design System)和 HP EEsof "(Electronic

9、 Engineering Software)兩者的精華有機的結合起來，并增加了許多新的功能，構成了功 能強大的ADS軟件。ADS軟件范圍涵蓋了小至元器件 ，大到系統級的設計和分析， 主要包括RFIC設計 軟件、RF電路板設計軟件、DSP專業設計軟件、通訊系統設計軟件以及微波電路設計 軟件。ADS軟件仿真手段豐富多樣，可實現包括時域和頻域、數字與模擬、線性與非線性、噪聲等多種仿真分析手段，并可對設計結果進行成品率分析與優化，從而大大提高了復雜電路的設計效率，是非常優秀的微波電路、系統信號鏈路的設計工具。不但其仿 真性能優越，而且提供了功能強大的數據后處理能力。這對我們進行復雜、特殊電路的 仿真、

10、數據后處理及顯示提供了可能。該軟件切實考慮到工程實際中各種參數對系統的 影響，對要求分析手段多樣，運算量大的仿真分析，尤其適用。ADS軟件可應用于整個現代通信系統及其子系統，能對通信系統進行快速、便捷、有效的設計和仿真。這是以往任何自動設計軟件都不能夠的。所以，ADS已被廣大電子工程技術人員接受，應用也愈加廣泛。主要應用：ADS功能非常強大，對整個現代通信系統及其子系統的設計和仿真提供支持。主 要應用有以下幾個主要方面：1 .射頻和微波電路的設計(包括RFIC、RF Board)。2 . DSP設計3 .通信系統的設計4 .向量仿真每個設計本身又包括以下幾個內容： 繪制原理圖 系統仿真 布局圖

11、 Pspice 原理圖1.1.2. CST Microwave studioCST MICROWAVE STUDIO CST公司為快速、精確仿真電磁場高頻問題而專門開發的EDAT具，是基于PC機Windows環境下的仿真軟件。 其主要應用領域有：移動通信、無線設計、信號完整性和電磁兼容(EMC)等。具體應用包括：偶合器、濾波器、平面結構電路、聯結器、IC封裝、各種類型天線、微波元器件、藍牙技術和電磁兼容/干擾等。MW疆供三個解算器，四種求解方式。它們是時域解算器、頻域解算器和本征模解 算器。四種求解方式分別為傳輸問題的頻域解、時域解、模式分析解和諧振問題的本征模解。同時也提供各種有效的CAD輸

12、入選項和SPICE參數的提取。另外， CSTMWS!過調用 CST DESIGN STUDIO?內含一個巨大的設計環境庫， CST DESIGN STUDI扇身也 提供外部仿真器的聯結。應用：各種天線、連接器、諧振腔、蜂窩電話、同軸連接器、偶合濾波器、共面結構、串擾問 題、介質濾波器、雙工器、高速數字設備、喇叭天線、IC封裝、互聯器、微帶濾波器、帶狀線結構、微波加熱、微波等離子源、多芯連接器、毫米波集成電路、多層結構、多 路復用器、光學組件、微帶天線、平面結構、功分器、偏光器、雷達/雷達截面（RCS）、SAR計算/解剖設備、傳感器、屏蔽問題、開槽天線、芯片系統、時域反射計（TDR）、波導結構、

13、無線設備1.1.3. Microwave OfficeMicrowave Office軟件為微波平面電路設計提供了最完整，最快速和最精確的解答。它是通過兩個模擬器來對微波平面電路進行模擬和仿真的。對于由集總元件構成的電路，用電路的方法來處理較為簡便。該軟件設有一個叫“ VoltaireXL ”的模擬器來處理集總元件構成的微波平面電路問題。而對于由具體的微帶幾何圖形構成的分布參數微波平面電路則采用場的方法較為有效，該軟件采用的是一個叫“ EMSight”的模擬器來處理任何多層平面結構的三維電磁場的問題。由于這里意在著重于電磁場分析，所以僅涉及“EMSight”模擬器。下面是它的具體功能：“EMS

14、ight”模擬器是一個完整的三維電磁場模擬程序包，它可用于平面高頻電路和天線結構的分析。模擬器分析的電路都安裝在一個矩形的金屬包裝盒內，對于電路的層數和端口數并沒有限制。 它還具有顯示微波平面電路內金屬上電流和空間電場力線的 能力。“EMSight”模擬器可以對微波平面電路進行許多種類的計算,（在該軟件中稱計算為測量）。除了可以計算電路的阻抗參量，導納參量，散射參量，傳輸參量，混合參量之外，對于線T電路，它能計算輔助穩定因子，輸入電容，群延遲，偶/奇模傳輸常數/阻 抗/導納，電壓駐波比，端口輸入阻抗/導納，增益等。具有計算各種線/圓極化微帶天 線的電場方向圖和功率方向圖的能力，在計算天線時矩形

15、的金屬包裝盒邊界可以改變，頂部和底部可以改為自由空間阻抗，而側壁可以拉遠。在“EMSight”模擬器內也設有一個元件庫，其特點是列入了大量的微帶元件的資料如各種彎頭，開路線，短截線，耦合器，階梯，T形接頭等。還包括了許多傳輸線的資料。1.1.4. ANSYSANSYS 是一種廣泛的商業套裝工程分析軟件。該軟件主要包括三個部分：前處理模塊，分析計算模塊和后處理模塊。前處理模塊提供了一個強大的實體建模及網格劃分工具，用戶可以方便地構造有限元模型；分析計算模塊包括結構分析（可進行線性分析、非線性分析和高度非線性分析）、流體動力學分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物理場的耦合分析，可模擬多種物

16、理介質的相互作用，具有靈敏度分析及優化分析能力；后處理模塊可將計算結果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示（可看到結構內部）等圖形方式顯示出 來，也可將計算結果以圖表、曲線形式顯示或輸出。 軟件提供了 100種以上的單元類型，用來模擬工程中的各種結構和材料。這里還是著重介紹電磁場方面。在該軟件的電磁場部分，它主要設計以下幾個方面：2D 3D及軸對稱靜磁場分析及軸對稱時變磁場交流磁場分析。靜電場、AC電場分析，電路分析：包括電阻、電容、電感等。電路、磁場耦合分析。電磁兼容分析。高頻電磁場分析。計算洛倫磁力和焦耳熱/力。主要應用于：螺線管、調節器、發電

17、機、 變換器、磁體、加速器、天線輻射、等離子體裝置、磁懸浮裝置磁成像系統、電解槽及 無損檢測裝置等。1.1.5. Ansoft SerenadeAnsoft Serenade設計環境為現代的射頻以及微波設計者們提供了一個強大的電路、系統和電磁仿真的工具。 簡易的使用環境允許使用者們在仿真器和其他的工具（如文字處理器）最大程度的產生數據資料的轉移。簡單的說，它主要包括Harmonica電路仿真和Symphony系統仿真部分。Symphony可以在Serenade文件夾（一種計算機標原理圖獲取、布局、和仿真環境） 下面運行。它是一個可以仿真有射頻、微波和數字部分組成的通信系統的軟件工具。Symph

18、ony添加了針對外圍環境的高效的模擬、數字混合方式（模擬和數字）和系統分 析能力。使用者能夠很快的構建一個系統通包括大量元件的庫里的射頻部分的模擬和數 字信號處理。像信道編碼，模擬和數字信號處理濾波器，放大器，晶體震蕩器衰減信道模型。這些都能使設計者們迅速的組建有線的或者無線系統。由于系統自帶了那么多模型，因此設計者只需要對元器件鍵入很少的關鍵特征。它也能夠對線性或非線性系統進行徹底的操作。它也能輸出例如增益、噪聲和在時域或者頻域上的誤碼率。針對不同的設計方法，在早期階段的時候它就能夠迅速的檢查，以減少設計周期時間和避免由于射頻和數字信號處理系統之間的互相干擾而造成的高成本的重新設計。一旦一個

19、設計系統結構被確認了那么一個自上而下的設計流程就能被完成。一個系統的誤碼率能夠基于完整的系統分析而計算出來。對射頻的描述，例如阻抗不匹配，晶體震蕩器的相位噪聲和群延遲，在系統中（當然包括噪聲，輸入功率，S參數和其他的輸入信號掃描分析）把誤碼率的計算作為一個任何參數的函數。1.1.6. Ansoft EnsembleAnsoft Ensemble是一個針對射頻和微波的平面電磁仿真軟件。它是一個對微帶線和像濾波器、功分器和天線一類的平面微波結構進行計算器數和全波場的仿真軟件包。Ensemble軟件包包括一個從底部開始的計算機輔助設計布局，一個仿真器和一個可顯示數據的后處理器。該軟件沒有用傳統的“

20、cut-and- try ”原型，減少了生成的誤差。 下面是它的一些功能：1 仿真分析 包括 s參數，y參數，和z參數。遠場近場輻射。表面電流等。2 Ensemble的應用PC所線和路徑的仿真。多層微波包裝。微波整合電路。超級微波整合電路。平面天線和隊列。電路元件創建。3天線設計分析圓極化。左旋圓極化和右旋圓極化的遠場圖。增益和軸向輻射。交叉極化和共極化場等。4.圖形特征：計算控制初始設計的大小。DXFand GDS的輸入和輸出。史密斯圓圖，極化圖和矩形圖。遠場圖。波形計算等。1.2 Ansoft HFSS 軟件簡介Ansoft HFSS軟件是適用于射頻、無線通信、封裝及光電子設計的任意形狀三

21、維 電磁場仿真的軟件。 ANSOFT HFSS是業界公認的三維電磁場標準仿真軟件包，它必將 為射頻、無線通信、封裝及光電子產品新功能的開發提供嶄新高效的研究手段。本軟件徹底擺脫了傳統的設計模式，大大減少了研制費用和時間，加快產品進入市場的步伐。HFSS提供了一簡潔直觀的用戶設計界面、精確自適應的場求解器、擁有空前電性能分析能力的功能強大后處理器，能計算任意形狀三維無源結構的S參數和全波電磁場。ANSOFT HFSS充分利用了如自動匹配網格產生及加密、切線向矢量有限元、ALPS(Adaptive Lanczos Pade Sweep)和模式-節點轉換(Mode-node)等的先進技術， 從而使操

22、作人員可利用有限元法(FEM)在自己的電腦少對任意形狀的三維無源結構進行電磁場仿真。HFSS自動計算多個自適應的解決方案，直到滿足用戶指定的收斂要求 值。其基于 MAXWELL (麥克斯韋)方程的場求解方案能精確預測所有高頻性能，如 散射、模式轉換、材料和輻射引起的損耗等。用高效率的計算機虛擬模型的方法來取代費時費力的“cut-and-try '試驗方法，可大大縮短設計周期。仿真分析諸如天線、微波轉換器、發射設備、波導器件、射頻濾波器 和任意三維非連續性等復雜問題，已簡單化成只需畫結構圖、定義材料性能、設置端口和邊界條件。HFSS自動產生場求解方案、端口特性和 S參數。其S參數結果可輸

23、出到 通用的線性和非線性電路仿真器中來使用。ANSOFT HFSS的自適應網格加密技術使 FEM方法得以實用化。初始網格(將幾 何子分為四面體單元)的產生是以幾何結構形狀為基礎的，利用初始網格可以快速解算并提供場解信息，以區分出高場強或大梯度的場分布區域。然后只在需要的區域將網格加密細化，其迭代法求解技術節省計算資源并獲得最大精確度。必要時還可方便地使用人工網格化來引導優化加速網格細化匹配的解決方案。HFSS采用高階基函數、對稱性和周期邊界等方法，從而節省計算時間和內存，進 一步加大求解問題的規模并加速求解的速度。1.2.1 Ansoft HFSS 軟件功能HFSS軟件還有強大的繪圖功能。它可

24、以與AutoCAD完全兼容，完全集成 ACIS固態建模器。它可以完成以下操作：無限的undo/redo多個物體組合、相減、相交布爾運算動態幾何旋轉點擊物體選擇/隱藏二維物體沿第三維掃描得到三維物體（如圓柱體） 宏記錄/宏文本錐螺旋、圓柱和立方體的參數化宏可選的“實表面”幾何體在線關聯幫助以加快新功能的應用它擁有先進的材料庫綜合的材料數據庫包括了常用物質的介電常數、滲透率、電磁損耗正切。用戶在仿真中可分析均勻材料、非均勻材料、各向異性材料、導電材料、阻 性材料和半導體材料。 對不可逆設備，標配的HFSS可直接分析具有均勻靜磁偏的鐵氧 體問題，用戶還可選用 ANSOFT 3DFS選件以完成鐵氧體靜

25、磁 FEM的解算仿真。ANSOFT HFSS軟件含有一個龐大的庫，用該庫可參數化定義以下標準形狀： 微帶T行結 寬邊耦合線 斜接彎和非斜接彎 半圓彎和非對稱彎 圓螺旋和方螺旋 混合T接頭 貼片天線 螺旋幾何Ansoft HFSS軟件還可以以周期邊界來解決相控陣。通過指定兩個或多個邊界間的 場關系，關連邊界條件（LBCs）使得包含有源等設備的新一類問題也可建模仿真。在 對長的、均勻的和周期性白結構建模仿真時，LBCs可大大節省計算時間和內存。周期性的LBCs通過相位關系可確定多個主-從邊界。設計師可通過分析相控陣中的一個單 元來提取有源單元因子和阻抗，從而研究確定陣列盲區、極化性能和柵瓣。Ans

26、oft HFSS軟件強大的天線設計功能，它可以計算下列問題：計算天線參量，如增益、方向性、遠場方向圖剖面、遠場 3D圖和3dB帶寬。繪制極化特性，包括球形場分量、圓極化場分量、Ludwig第三定義場分量和軸比。二分之一、四分之一、八分之一對稱模型并自動計算遠場方向圖。Ansoft HFSS還擁有以下三種頻率掃描技術： 寬帶快速率掃描利用APLS快速掃頻技術可有效地進行寬帶仿真。 APLS能產生一個在寬頻帶內有 效的低階次的模型，并通過計算零極點來完成寬頻帶求解。 APLS包含端口散射以精確 確定頻段內的輸入功率和頻帶外抑制。超寬帶插值掃頻利用插值掃頻技術可有效地進行超寬帶仿真。插值掃頻能在超寬

27、頻帶內根據頻響變化斜率自動增插點數，確保精確確定頻段內的所有頻響特性。離散掃頻利用離散掃頻技術可有效地進行離散頻點的寬帶仿真。其利用當前網格重新 求解電磁場，從而精確得到各頻率點上的性能參數。Ansoft HFSS擁有強大的場后處理器：產生生動逼真的場型動畫圖，包括矢量圖、等高線圖、陰影等高線圖。任意表面，包括物體表面、任意剖面、 3D物體表面和3D相等面的靜態和動 態圖形。動態矢量場、標量場或任何用場計算器推導出的量。動態的表面動畫可使圖形能以旋轉和移位的方式步進。新的圖一3D云圖上有一薄薄的彩色像素層，使你能非常清晰地觀察場型特性，用戶旋轉幾何時圖形會實時更新。ANSOFTHFSS可以設計最優化解決方案，它支持強大的具