射頻EDA仿真軟件介紹（包括算法，原理）

　　微波系統的設計越來(lái)越復雜，對電路的指標要求越來(lái)越高，電路的功能越來(lái)越多，電路的尺寸要求越做越小，而設計周期卻越來(lái)越短。傳統的設計方法已經(jīng)不能滿(mǎn)足系統設計的需要，使用微波EDA軟件工具進(jìn)行微波元器件與微波系統的設計已經(jīng)成為微波電路設計的必然趨勢。隨著(zhù)單片集成電路技術(shù)的不斷發(fā)展，GaAs、硅為基礎的微波、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(zhù)一個(gè)嶄新的發(fā)展階段，電路的設計與工藝研制日益復雜化，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)成為電路設計的一個(gè)焦點(diǎn)，而EDA技術(shù)是設計的關(guān)鍵。EDA技術(shù)的范疇包括電子工程設計師進(jìn)行產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的全過(guò)程，以及電子產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中期望由計算機提供的各種輔助功能。一方面EDA技術(shù)可為系統級、電路級和物理實(shí)現級三個(gè)層次上的輔助設計過(guò)程，另一方面EDA技術(shù)應包括電子線(xiàn)路從低頻到高頻，從線(xiàn)性到非線(xiàn)性，從模擬到數字，從分立電路到集成電路的全部設計過(guò)程[1-2]。

　　隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)和有線(xiàn)設計向更高頻率的發(fā)展和電路復雜性的增加，對于高頻電磁場(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(xiàn)時(shí)，許多易于出錯的無(wú)源模式是由于微帶線(xiàn)或帶狀線(xiàn)的交叉、階梯、彎曲、開(kāi)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)去分析電路結構，通過(guò)電路仿真得到準確的非連續模式S參數。

　　這些EDA仿真軟件與電磁場(chǎng)的數值解法密切相關(guān)的，不同的仿真軟件是根據不同的數值分析方法來(lái)進(jìn)行仿真的。通常，數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(zhù)問(wèn)題的增加，表現出強烈的非線(xiàn)性。顯示算法（例如FDTD、FIT方法在處理問(wèn)題時(shí)表現出合理的存儲容量和時(shí)間。

　　本文根據電磁仿真工具所采用的數值解法進(jìn)行分類(lèi)，對常用的微波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軟件基礎上發(fā)展完善起來(lái)的大型綜合設計軟件，是美國安捷倫公司開(kāi)發(fā)的大型綜合設計軟件，是為系統和電路工程師提供的可開(kāi)發(fā)各種形式的射頻設計，對于通信和航天／防御的應用，從最簡(jiǎn)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。該軟件可以在微機上運行，其前身是工作站運行的版本MDS（Microwave Design System）。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(hù)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，參數的數量和根據用戶(hù)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，大到系統級的設計和分析。尤其是其強大的仿真設計手段可在時(shí)域或頻域內實(shí)現對數字或模擬、線(xiàn)性或非線(xiàn)性電路的綜合仿真分析與優(yōu)化，并可對設計結果進(jìn)行成品率分析與優(yōu)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 [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平面高頻電路設計系統以及在微波、毫米波領(lǐng)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(chǎng)分析，頻率從1MHz 到幾千GHz。主要的應用有：微帶匹配網(wǎng)絡(luò )、微帶電路、微帶濾波器、帶狀線(xiàn)電路、帶狀線(xiàn)濾波器、過(guò)孔（層的連接或接地）、偶合線(xiàn)分析、PCB板電路分析、PCB 板干擾分析、橋式螺線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)分析、平面天線(xiàn)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)境下的三維金屬結構的電流分布問(wèn)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(wèn)題。仿真結果包括s、y、z參數，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(xiàn)、線(xiàn)電線(xiàn)和其它形式的RF天線(xiàn)、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(gè)非常有用的工具。

　　2.4 Microwave Office 軟件介紹

　　"Microwave Office"軟件是通過(guò)兩個(gè)模擬器來(lái)對微波平面電路進(jìn)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(lái)處理較為簡(jiǎn)便。該軟件設有"VoltaireXL"的模擬器來(lái)處理集總元件構成的微波平面電路問(wèn)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(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構的三維電磁場(chǎng)的問(wèn)題。

　　"VoltaireXL" 模擬器內設一個(gè)元件庫，在建立電路模型時(shí)，可以調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(xiàn)、帶狀線(xiàn)、同軸線(xiàn)等等，非線(xiàn)性器件有雙極晶體管， 場(chǎng)效應晶體管，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(xiàn)結構的分析。特點(diǎn)是把修正譜域矩量法與直觀(guān)的視窗圖形用戶(hù)界面(GUI)技術(shù)結合起來(lái)，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(xiàn)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、智能負載牽引，提高對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，使對某些復雜問(wèn)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(wèn)題而專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)的EDA工具，是基于PC機Windows環(huán)境下的仿真軟件。它主要應用在復雜設計和更高的諧振結構。CST DS 通過(guò)散射參數使電磁場(chǎng)元件結合在一起。把復雜的系統分離成更小的子單元，通過(guò)對系統每一個(gè)單元行為的S-參數的描述，可以快速的分析和降低系統所需的內存。CST DS 它考慮了在子單元之間高階模式的耦合，結構分成小部分而沒(méi)有影響系統的準確性。

　　傳統的電路仿真軟件仿真是快速的，但是，當考慮集膚效應損耗和材料的復雜性，結果的準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，包括復雜的材料模式。

　　CST MICROWAVE STUDIO?　的可以應用在仿真電磁場(chǎng)領(lǐng)域包括大多數的高頻電磁場(chǎng)問(wèn)題上。移動(dòng)通信、無(wú)線(xiàn)設計、信號完整性和電磁兼容(EMC)等。具體應用范圍包括耦合器、濾波器、平面結構電路、聯(lián)結器、IC封裝、各種類(lèi)型天線(xiàn)、微波元器件、藍牙技術(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，可以解決具有復雜填充介質(zhì)求解域的場(chǎng)分布問(wèn)題。仿真結果包括S-、Y-、Z-參數，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雜介質(zhì)結構的問(wèn)題。它在微波/毫米波集成電路（MMIC）、RF印制板電路、微帶天線(xiàn)、線(xiàn)電線(xiàn)和其它形式的RF天線(xiàn)、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(diǎn)有：1)可對真正的三維金屬和非絕緣介質(zhì)結構進(jìn)行建模；2)高效、高準確非均勻網(wǎng)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(zhì)填充的同軸波導和矩形波導進(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構進(jìn)行單獨網(wǎng)格生成功能；6）預定義同軸、微帶、矩形波導和用戶(hù)定義端口；7）不同邊界條件的實(shí)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(shí)域信號顯示；9）輻射方向圖的計算、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）平面波激勵和SAR計算功能

　　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元件設計的標準。它的應用范圍從分析平面結構、互聯(lián)、的多端口集成到微波波導、天線(xiàn)、EMC問(wèn)題。EMPIRE基本覆蓋了RF設計3D場(chǎng)仿真的整個(gè)領(lǐng)域。根據用戶(hù)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(chǎng)圖。對于結構的定義，3D編輯器集成到EMPIRE軟件中。AUTOCADTM是一個(gè)流行的機械畫(huà)圖工具，可以在EMPIRE環(huán)境中使用。監視窗口和動(dòng)畫(huà)可以給出電磁波的現象，并獲得準確的結果。

　　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)化的三維結構電磁場(chǎng)仿真軟件，可分析仿真任意三維無(wú)源結構的高頻電磁場(chǎng)，可直接得到特征阻抗、傳播常數、S參數及電磁場(chǎng)、輻射場(chǎng)、天線(xiàn)方向圖等結果。該軟件被廣泛應用于無(wú)線(xiàn)和有線(xiàn)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(lǐng)域。

　　Ansoft HFSS采用自適應網(wǎng)格剖分，ALPS快速掃頻，切向元等專(zhuān)利技術(shù)，集成了工業(yè)標準的建模系統，提供了功能強大、使用靈活的宏語(yǔ)言，直觀(guān)的后處理器及獨有的場(chǎng)計算器，可計算分析顯示各種復雜的電磁場(chǎng)，并利用Optimetrics可對任意的參數進(jìn)行優(yōu)化和掃描分析。

　　使用Ansoft HFSS，可以計算：1）基本電磁場(chǎng)數值解和開(kāi)邊界問(wèn)題，近遠場(chǎng)輻射問(wèn)題。2）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?；蛑C振解。