各大仿真軟件介紹（包括算法，原理）

1．引言

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。隨著單片集成電路技術的不斷發(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）都面臨著一個嶄新的發(fā)展階段，電路的設計與工藝研制曰益復雜化，如何進一步提高電路性能、降低成本，縮短電路的研制周期，已經成為電路設計的一個焦點，而EDA技術是設計的關鍵。EDA技術的范疇包括電子工程設計師進行產品開發(fā)的全過程，以及電子產品生產過程中期望由計算機提供的各種輔助功能。一方面EDA技術可為系統級、電路級和物理實現級三個層次上的輔助設計過程，另一方面EDA技術應包括電子線路從低頻到高頻，從線性到非線性，從模擬到數字，從分立電路到集成電路的全部設計過程[1-2]。

隨著無線和有線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，許多易于出錯的無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去分析電路結構，通過電路仿真得到準確的非連續(xù)模式S參數。

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。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）隨著問題的增加，表現出強烈的非線性。顯示算法（例如FDTD、FIT方法在處理問題時表現出合理的存儲容量和時間。

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。

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)展完善起來的大型綜合設計軟件，是美國安捷倫公司開發(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(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(yōu)化，并可對設計結果進行成品率分析與優(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。

2.3 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(huán)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(xù)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。

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“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”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。

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，使對某些復雜問題的仿真更加有效。

3．基于時域有限差分的微波仿真軟件

基于時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、精確仿真電磁場高頻問題而專門開發(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 通過散射參數使電磁場元件結合在一起。把復雜的系統分離成更小的子單元，通過對系統每一個單元行為的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領域包括大多數的高頻電磁場問題上。移動通信、無線設計、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。

3.2 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(yōu)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(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）平面波激勵和SAR計算功能

3.3 IMST Empire 仿真軟件

IMST Empire是一種3D電磁場仿真軟件。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(huán)境中使用。監(jiān)視窗口和動畫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 是世界上第一個商業(yè)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(wèi)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(yè)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(yōu)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）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。