1、射頻EDA仿真軟件介紹（包括算法，原理）一、 前言 微波系統的設計越來越復雜，對電路的指標要求越來越高，電路的功能越來越多，電路的尺寸要求越做越小，而設計周期卻越來越短。傳統的設計方法已經不能滿足系統設計的需要，使用微波EDA軟件工具進行微波元器件與微波系統的設計已經成為微波電路設計的必然趨勢。 EDA即Electronic Design Automation, 電子設計自動化。目前,國外各種商業化的微波EDA 軟件工具不斷涌現，微波射頻領域主要的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，FEKO等電路設計軟件。下面將會將會簡要地介紹一下各個微波EDA軟件的功能特點和使用范圍。這些EDA仿真軟件與電磁場的數值解法密切相關的，不同的仿真軟件是根據不同的數值分析方法來進行仿真的, 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值算法。所有的數值算法都是建立在Maxwell方程組之上的，了解Maxwell方程是學習電磁場數值算法的基礎。 電磁學問題的數值求解方法總的可分為時域和頻域兩大類。在頻域，數值算法有：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）。頻域技術發展得比較早，也比較成熟。在時域，數值算法有：時域有限差分法( FDTD Finite Difference Time Domain ），和時域有限積分法( FITD Finite Integration Time Domain）。時域法的引入是基于計算效率的考慮，某些問題在時域中討論起來

4、計算量要小。例如求解目標對沖激脈沖的早期響應時，頻域法必須在很大的帶寬內進行多次采樣計算，然后做傅里葉反變換才能求得解答，計算精度受到采樣點的影響。若有非線性部分隨時間變化，采用時域法更加直接。除此之外外還有一些高頻方法作為補充，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：IE法的求解區域維數比DE法少一維，誤差限于求解區域的邊界，故精度高；IE法適合求無限域問題，DE法此時會遇到網格截斷問題；IE法產生的矩陣是滿的，階數小，DE法所產生的是稀疏矩陣，但階數大；IE法難以處理非均勻、非線性和時變媒質問題，DE法可直

5、接用于這類問題。本文根據電磁仿真工具所采用的數值解法進行分類，對常用的微波EDA仿真軟件進行論述。 二、 基于矩量法MOM仿真的微波EDA仿真軟件矩量法將連續方程離散化為代數方程組，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，求解步驟統一，應用起來比較方便。然而需要一定的數學技巧，如離散化的程度、基函數與權函數的選取，矩陣求解過程等。另外必須指出的是，矩量法可以達到所需要的精確度，解析部分簡單，可計算量很大，即使用高速大容量計算機，計算任務也很繁重。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、微帶和有耗結構分析、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軟件基礎上發展完善起來的大型綜合設計軟件，是美國安捷倫公司開發的大型綜合設計軟件，是為系統和電路工程師提供的可開發各種形式的射頻設計，對于通信和航天防御的應用，從最簡單到最復雜，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計引導，可以使用智能化的設計規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行場分析和優化功能。它允許工程師定義頻率范圍，材料特性，參數的數量和根據用戶的需要自動產生關鍵的無源器件模式。該軟件范圍涵蓋了小至元器件，大到系統級的設計和分析。尤其是其強大的仿真設計手段可在時域或頻域內實現對數字或模擬、線性或非線性電路的綜合仿真分析與優化，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，使之成為設計人員的有效工具。現在最新的版本是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平面高頻電路設計系統以及在微波、毫米波領域和電磁兼容/電磁干擾設計的EDA工具。SonnetTM應用于平面高頻電磁場分析，頻率從1MHz 到幾千GHz。主要的應用有：微帶匹配網絡、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、平面高溫超導電路分析、毫米波集成電路（ MMIC） 設計和分析、混合匹配的電路分析、HDI 和LTCC 轉換、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。現在

9、最新的版本是Sonnet Suite pro 9.5.2。2.3 Zeland IE3D仿真軟件IE3D是一個基于矩量法的電磁場仿真工具，可以解決多層介質環境下的三維金屬結構的電流分布問題。它利用積分的方式求解Maxwell方程組，從而解決電磁波的效應、不連續性效應、耦合效應、和輻射效應問題。仿真結果包括s、y、z參數，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的內部連接和高速數字電路封裝方面是一個非常有用的工具。IE3D可能是最好的

10、商業MoM套件。MoM原理相對簡單，且計算速度極快。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，算復雜3D結構力不從心。但是，手機PIFA的計算就比較適合用IE3D。不是用于做天線項目仿真，而是用于研究天線的基本特征，天線和PCB如何相互耦合、PCB上激發的表面電流走向等原型階段的預研。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"Volt

11、aireXL"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"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。"VoltaireXL" 模擬器內設一個元件庫，在建立電路模型時，可以調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， 場效應晶體管，二極管等等。"EMSight"模擬器是一個三維電磁場模擬程序包，可用于平面高頻電路和天線結構的分析。特點是把

12、修正譜域矩量法與直觀的視窗圖形用戶界面(GUI)技術結合起來，使得計算速度加快許多。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 是針對天線設計、天線布局與電磁兼容性分析而開發的專業電磁場分析軟件，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PO：Physical Optics，一致性繞射理論UTD：Uniform Theory of

13、Diffraction）完美結合，從而非常適合于分析天線設計中的各類電磁場分析問題：對于電小結構的天線，FEKO中可以采用完全的矩量法進行分析；對于具有電小與電大尺寸混合結構的天線，FEKO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構部分，而用高頻方法分析電大結構部分。而且，FEKO支持天線工程中的各種激勵方式，輸出天線的各種電性能參數。它可以計算非常復雜的3D結構和環境，擅長電大尺寸，常被用做飛機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仿真軟件；它是第一個將

14、高頻電路系統,版圖和電磁場仿真工具無縫地集成到同一個環境的設計工具，這種集成不是簡單和界面集成,其關鍵是Ansoft Designer獨有的"按需求解"的技術,它使你能夠根據需要選擇求解器,從而實現對設計過程的完全控制。Ansoft Designer實現了“所見即所得”的自動化版圖功能，版圖與原理圖自動同步，大大提高了版圖設計效率。同時,Ansoft還能方便地與其他設計軟件集成到一起，并可以和測試儀器連接，完成各種設計任務，如頻率合成器，鎖相環，通信系統，雷達系統以及放大器，混頻器，濾波器，移相器，功率分配器，合成器和微帶天線等。主要應用于：射頻和微波電路的設計，通信系統的

15、設計，電路板和模塊設計，部件設計。現在最新的版本是Ansoft Designer 3.0。2.7 SuperNEC采用MoM法，要使用MatLab平臺。這個會限制它的計算速度，因為MatLab是行解釋型的，代碼不編譯。 三、 基于時域有限差分法FDTD的微波仿真軟件 FDTD用有限差分式替代時域麥克斯韋旋度方程中的微分式，得到關于場分量的有限差分式，針對不同的研究對象，可在不同的坐標系中建模，因而具有這幾個優點，容易對復雜媒體建模，通過一次時域分析計算，借助傅里葉變換可以得到整個同帶范圍內的頻率響應；能夠實時在現場的空間分布，精確模擬各種輻射體和散射體的輻射特性和散射特性；計算時間短。但是FD

16、TD分析方法由于受到計算機存儲容量的限制，其網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，也不能適用于細薄結構的媒質。因為這種細薄結構的最小尺寸比FDTD網格尺寸小很多，若用網格擬和這類細薄結構只能減小網格尺寸，而這必然導致計算機存儲容量的加大。因此需要將FDTD與其他技術相結合，目前這種技術正蓬勃發展，如時域積分方程FDTD方法，FDTDMOM等。FDTD的應用范圍也很廣闊，諸如手持機輻射、天線、不同建筑物結構室內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。基于時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是基于非均勻網格的時域有限差分方法的全三維電磁 場仿真器，可以解決具有復雜填充介質求解域的場分布問題。仿真結果包括S-、Y-、Z-參數，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雜介質結構的問題。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的內部連接和高速數字電路封裝，EMI及EMC方面的應用。 FIDELITY的特點有：1)可對真正的三維金屬和非絕緣介質結構進行建模；2)高效、高準確非均

18、勻網格的FDTD仿真引擎；3)能方便地對分析目標排列定位和幾何結構的編輯與檢查；4）可對非各向同性介質填充的同軸波導和矩形波導進行建模；5）具有自動網格生成功能、網格優化功能和對輸入的幾何結構進行單獨網格生成功能；6）預定義同軸、微帶、矩形波導和用戶定義端口；7）不同邊界條件的實現（如PML）；8）集成的預處理和后處理功能，包括S參數提取和時域信號顯示；9）輻射方向圖的計算、近場動態顯示功能；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）平面波激勵和SAR計算功能3.2 IMST Empire 仿真軟件IMST Empire是非常優

19、秀的高頻電磁場套件，德國人的東西。它是一種基于3D的時域有限差分的方法，這種方法已經變成RF元件設計的標準。它的應用范圍從分析平面結構、互聯、的多端口集成到微波波導、天線、EMC問題。EMPIRE基本覆蓋了RF設計3D場仿真的整個領域。根據用戶的定義的頻率范圍，一次的仿真的運行，就可以得到散射參數、輻射參數和輻射場圖。對于結構的定義，3D編輯器集成到EMPIRE軟件中。AUTOCADTM是一個流行的機械畫圖工具，可以在EMPIRE環境中使用。監視窗口和動畫可以給出電磁波的現象，并獲得準確的結果。獲得歐洲多次仿真大賽的優勝，仿真題目是一個Vivalti天線，速度最快，又最準確。但是正如德國人的問

20、題，好是好，但又有太過明顯缺陷。建模法太復雜，學起來比較困難。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、計算準確；但XFDTD本身沒有優化功能，須通過第三方軟件Engineous完成優化。該軟件最早用于仿真蜂窩電話，長于手機天線和SAR計算。現在廣泛用于無線、微波電路、雷達散射計算，化學、光學、陸基警戒雷達和生物組織仿真。經常和很多測試SAR的硬件系統聯系在一起，在加載人體電磁模型后可以計算SAR值。缺點是天線Pattern沒有3D顯示，只有2D

21、截面。這個缺點已在新版本中改進。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域還是二十世紀六七十年代的事情，它比較新穎。有限元法的優點是適用于具有復雜邊界形狀或邊界條件、含有復雜媒質的定解問題。這種方法的各個環節可以實現標準化，得到通用的計算程序，而且有較高的計算精度。但是這種方法的計算程序復雜冗長，由于他是區域性解法，分割的元素數和節點數較多，導致需要的初始數據復雜繁多，最終得到的方程組的元數很大，這使得計算時間長，而且對計算機本身的存儲也提出了要求。4.1 基于有限元的典型仿真軟件是：Ansoft HFSS。Ansoft HFSS是世界

22、上第一個商業化的三維結構電磁場仿真軟件，可分析仿真任意三維無源結構的高頻電磁場，可直接得到特征阻抗、傳播常數、S參數及電磁場、輻射場、天線方向圖等結果。該軟件被廣泛應用于無線和有線通信、計算機、衛星、雷達、半導體和微波集成電路、航空航天等領域。Ansoft HFSS采用自適應網格剖分，ALPS快速掃頻，切向元等專利技術，集成了工業標準的建模系統，提供了功能強大、使用靈活的宏語言，直觀的后處理器及獨有的場計算器，可計算分析顯示各種復雜的電磁場，并利用Optimetrics可對任意的參數進行優化和掃描分析。使用Ansoft HFSS，可以計算：1）基本電磁場數值解和開邊界問題，近遠場輻射問題。2）

23、端口特征阻抗和傳輸常數。3）S參數和相應端口阻抗的歸一化S參數。4）結構的本征模或諧振解。而且，由Ansoft HFSS和Ansoft Designer構成的Ansoft高頻解決方案，是目前唯一以物理原型為基礎的高頻設計解決方案，提供了從系統到電路直至部件級的快速而精確的設計手段，覆蓋了高頻設計的所有環節。軟件最新版本為ansoft HFSS 10。 五、 基于時域有限積分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方法進行仿真，其實它是時域積分法（FITD），當然其實兩種方法比較接近。和FEM方法不同，FDTD或者FITD都是先在時域計算，用一個寬頻譜的激勵信號（方波或者高斯波都有）去激勵模型，在時域計算然后去反演到頻域。系統的網絡參數和場參數基本上是反演后的得到的。特點是可以計算相當大的帶寬結果，而不需要象用HFSS，可能要