仿真軟件綜述

微波射頻仿真軟件綜述和應(yīng)用評析微波系統(tǒng)的設(shè)計越來越復(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)計周期卻越來越短。傳統(tǒng)的設(shè)計方法已經(jīng)不能滿足微波電路設(shè)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(tǒng)的設(shè)計已經(jīng)成為微波電路設(shè)計的必然趨勢。EDA即ElectronicDesignAutomation,電子設(shè)計自動化；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，其次是比較小型的有MicrowaveOffice,AnsoftSerenade,CST,Zeland,XFDTD,Sonnet等電路設(shè)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(diǎn)和使用范圍，以期大家有個總體的了解。微波EDA仿真軟件與電磁場的數(shù)值算法密切相關(guān)，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)；在頻域，數(shù)值算法有：有限元法(FEM--FiniteElementMethod)、矩量法(MoM--MethodofMoments)，差分法(FDM--FiniteDifferenceMethods)，邊界元法(BEM--)，和傳輸線法(TLM--Transmission-Line-matrixMethod)，在時域，數(shù)值算法有：時域有限差分法(FDTD一FiniteDifferenceTimeDomain)，和有限積分法(FIT-FiniteIntegrationTechnology)。如果想進(jìn)一步了解各種數(shù)值算法的具體實(shí)現(xiàn)，可以參閱以下幾本書籍：①M(fèi)icrowaveCircuitModelingUsingElectromagneticFieldSimulation,②NumericalTechniquesinElectromagnetics,③ElectromagmeticSimunationUsingtheFDTDMethod，④ComplexeletromagneticproblemsandnumericalSimulationApproaches。其中，使用矩量法(MoM)的微波EDA軟件有ADS，AnsoftDesigner，MicrowaveOffice,ZelandIE3D，AnsoftEsemble，SuperNEC和FEKO；使用有限元法(FEM)的微波EDA軟件有HFSS和ANSYS；使用時域有限差分法(FDTD)的微波EDA軟件有EMPIRE和XFDTD，使用有限積分法(FIT)的微波EDA軟件有CSTMicrowaveStudio和CSTMafia。下面來介紹較流行幾種的微波EDA軟件的功能和應(yīng)用。ADS-AdvancedDesignSystem,是Agilent公司推出的微波電路和通信系統(tǒng)仿真軟件，是國內(nèi)各大學(xué)和研究所使用最多的軟件之一。其功能非常強(qiáng)大，仿真手段豐富多樣，可實(shí)現(xiàn)包括時域和頻域、數(shù)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(shè)計結(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)計效率，是非常優(yōu)秀的微波電路、系統(tǒng)信號鏈路的設(shè)計工具。主要應(yīng)用于：射頻和微波電路的設(shè)計，通信系統(tǒng)的設(shè)計，DSP設(shè)計和向量仿真?，F(xiàn)在最新的版本是ADS2004A。AnsoftDesigner，是Ansoft公司推出的微波電路和通信系統(tǒng)仿真軟件；它采用了最新的視窗技術(shù)，是第一個將高頻電路系統(tǒng),版圖和電磁場仿真工具無縫地集成到同一個環(huán)境的設(shè)計工具，這種集成不是簡單和界面集成，其關(guān)鍵是AnsoftDesigner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)計過程的完全控制。AnsoftDesigner實(shí)現(xiàn)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(shè)計效率。同時,Ansoft還能方便地與其他設(shè)計軟件集成到一起，并可以和測試儀器連接，完成各種設(shè)計任務(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，通信系統(tǒng)的設(shè)計電路板和模塊設(shè)計，部件設(shè)計?，F(xiàn)在最新的版本是AnsoftDesigner2.1。AnsoftHFSS，是Ansoft公司推出的三維電磁仿真軟件；是世界上第一個商業(yè)化的三維結(jié)構(gòu)電磁場仿真軟件，業(yè)界公認(rèn)的三維電磁場設(shè)計和分析的電子設(shè)計工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。HFSS提供了一簡潔直觀的用戶設(shè)計界面、精確自適應(yīng)的場解器、擁有空前電性能分析能力的功能強(qiáng)大后處理器，能計算任意形狀三維無源結(jié)構(gòu)的S參數(shù)和全波電磁場。HFSS軟件擁有強(qiáng)大的天線設(shè)計功能，它可以計算天線參量，如增益、方向性、遠(yuǎn)場方向圖剖面、遠(yuǎn)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。使用HFSS，可以計算：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端口特征阻抗和傳輸常數(shù)；③S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?；蛑C振解。而且，由AnsoftHFSS和AnsoftDesigner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)計手段，覆蓋了高頻設(shè)計的所有環(huán)節(jié)?，F(xiàn)在最新的版本是AnsoftHFSS9.2。MicrowaveOffice，是AWR公司推出的微波EDA軟件，為微波平面電路設(shè)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(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"VoltaireXL啲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?！盫oltaireXL"模擬器內(nèi)設(shè)一個元件庫，在建立電路模型時，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，使得計算速度加快許多。MWO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。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(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計算。現(xiàn)在廣泛用于無線、微波電路、雷達(dá)散射計算，化學(xué)、光學(xué)、陸基警戒雷達(dá)和生物組織仿真。軟件最新版本為XFDTD6.0ZelandIE3D，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(zhì)環(huán)境下的三維金屬結(jié)構(gòu)的電流分布問題。IE3D可分為MGRID、MODUA和PATTERNVIEW三部分；MGRID為IE3D的前處理套件，功能有建立電路結(jié)構(gòu)、設(shè)定基板與金屬材料的參數(shù)和設(shè)定模擬仿真參數(shù)；MOODUA是IE3D的核心執(zhí)行套件，可執(zhí)行電磁場的模擬仿真計算、性能參數(shù)(Smith園圖，S參數(shù)等)計算和執(zhí)行參數(shù)優(yōu)化計算；PATTERNVIEW是IE3D的后處理套件，可以將仿真計算結(jié)果，電磁場的分布以等高線或向量場的形式顯示出來。IE3D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；應(yīng)用范圍主要是在微波射頻電路、多層印刷電路板、平面微帶天線設(shè)計的分析與設(shè)計。軟件最新版本為ZelandIE3D10.0。CSTMICROWAVESTUDIO,是德國CST（ComputerSimulationTechnology）公司推出的高頻三維電磁場仿真軟件。廣泛應(yīng)用于移動通信、無線通信（藍(lán)牙系統(tǒng)）、信號集成和電磁兼容等領(lǐng)域。微波工作室使用簡潔,能為用戶的高頻設(shè)計提供直觀的電磁特性。微波工作室除了主要的時域求解器模塊外,還為某些特殊應(yīng)用提供本征模及頻域求解器模塊。CAD文件的導(dǎo)入功能及SPICE參量的提取增強(qiáng)了設(shè)計的可能性并縮短了設(shè)計時間。另外,由于CST設(shè)計工作室的開放性體系結(jié)構(gòu)能為其它仿真軟件提供鏈接,使微波工作室與其它設(shè)計環(huán)境相集成。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。其他的微波射頻相關(guān)的EDA軟件還有Ansoft公司的Serenade8.71、Esemble8.0、SIwave2.0、AnsoftLinks3.0、Optimatrics,CST公司的CSTMafia4.1、CSTDesignStudio、CSTEMStudio2.0，Zeland公司的Fidelity，Ansys公司的Ansys、FEKO,Eagleware-Elanix公司的EaglewareGenesys，和SuperNEC等。HFSS使用心得和大部分的大型數(shù)值分析軟件相似，以有限元方法為基礎(chǔ)的AnsoftHFSS并非是傻瓜軟件，對于絕大部分的問題來說，想要得到快速而準(zhǔn)確的結(jié)果，必須人工作一定的干預(yù)。除了必須十分明了模型細(xì)節(jié)外，建模者本身也最好具備一定的電磁理論基礎(chǔ)。這里假定閱讀者使用過HFSS，因此對一些屬于基本操作方面的內(nèi)容并不提及。1、對稱的使用對于一個具體的高頻電磁場仿真問題，首先應(yīng)該看看它是否可以采用對稱面。這里面的約束主要在幾何對稱和激勵對稱要求。如果一個問題的激勵并不要求是可改變的，比如全部同相饋電的陣列，此時最好采用對稱，甚至可以采用2個對稱（E和H對稱），將可以大大節(jié)約時間和設(shè)備資源。2、面的使用在實(shí)際問題中，有很多結(jié)構(gòu)是可以使用2維面來代替的，使用2維面的好處是可以極大的減少計算量并且結(jié)果與使用3維實(shí)體相差無幾。例如計算一個微帶的分支線耦合器，印制板的微帶以及地都可以指定某些面為理想電面代替，這樣可以很快的獲得所需要的物理尺寸及其性能。再以計算偶極子為例，如果偶極子是以理想導(dǎo)體為材質(zhì)的圓柱，那么相同的其他條件下其計算時間大約是采用等效面為偶極子的4?5倍，由此可見一般。3、LumpPort（集中端口）的使用在HFSS8里提供了一種新的激勵：LumpPort，這種激勵避免了建立一個同軸或者波導(dǎo)激勵，從而在一定程度上減輕了模型量，也減少了計算時間。LumpPort也可以使用一個面來代表，要注意的是對該P(yáng)ort的校準(zhǔn)線和阻抗線的設(shè)置一定要準(zhǔn)確，端口在空間上一定要與其他金屬（或電面）相接，否則結(jié)果極易出錯。4、關(guān)于輻射邊界的問題在不需要求解近（遠(yuǎn)）場問題時，比如密封在金屬箱體里面的濾波器等密閉問題，無需設(shè)置輻射邊界。在需要求解場分布或者方向圖時，必須設(shè)置輻射邊界。這里有些需要注意的問題：在計算大帶寬周期性結(jié)構(gòu)時，比如3個倍頻程，最好分段計算，例如以一個倍頻程為一段，也就是說在不同的頻段計算時設(shè)置不同大小的輻射邊界，否則在計算的頻率邊緣難以保證計算精度；其次，輻射邊界的大小和問題的具體形狀密切相關(guān)，如果物體的外部輪廓可以裝在一個球或并不過分的橢球中時，宜采用立方體邊界——簡單有效，如果問題的外部輪廓較為復(fù)雜或者橢球2軸差距太大，以采用相似形邊界或圓柱邊界，對于輻射問題，如果估計問題的增益較低（比如2dB），那么邊界宜采用球形，此時為了得到結(jié)果準(zhǔn)確也只好犧牲時間了；另在HFSS8中提供了一種新的吸收邊界——PML邊界條件，對于這種邊界，筆者并不是很滿意，盡管其有效距離為八分之一個中心波長——是老邊界的一半，可以減少計算量，然而這種邊界由程序自己生成，為一個立方體的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，對于一些特殊的復(fù)雜問題，這種邊界內(nèi)部有很多的空間是無用的，此時還不如使用老邊界靈活。5、關(guān)于開孔有些問題需要在壁上開孔，此時可以采用2種辦法，其一是老老實(shí)實(shí)的在模型上挖空；其二是采用H/Natrue邊界條件，通常，如果是在面上開孔，將會采用后者，簡單，便于修改。6、關(guān)于網(wǎng)格劃分當(dāng)模型建立好了之后，進(jìn)入計算模塊，第一步是給問題劃分網(wǎng)格。對于一般問題，讓軟件自動劃分比較省心，但對大型問題和復(fù)雜問題，讓軟件自己劃分可能需要很好的耐性來等待。根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，在大型模型的結(jié)構(gòu)密集區(qū)域或場敏感區(qū)域使用人工劃分可以得到很好的效果，有些問題的計算結(jié)果開始表現(xiàn)為收斂，但進(jìn)一步提高精度，卻又反彈，問題就在于開始時場敏感區(qū)域的網(wǎng)格劃分不夠仔細(xì)，導(dǎo)致計算結(jié)果的偏差。7、關(guān)于所需要的精度計算問題時，一般需要給定一個收斂精度和計算次數(shù)以避免程序“陷入計算而無法自拔”，當(dāng)對模型熟悉后，可以單單靠給定次數(shù)。在問題之初，建議的計算精度不要太高，實(shí)際中曾見到有操作者將問題的S參數(shù)精度設(shè)定為0.00001,其實(shí)這是完全沒有必要的，一般S參數(shù)的精度設(shè)定為0.02左右就已經(jīng)可以滿足絕大部分問題的需要（此時應(yīng)該注意有無收斂反彈的情況）。如果是計算次數(shù)，對于密閉問題，建議是設(shè)定為8?12次，對于輻射問題，一般計算6?8次左右即可觀察結(jié)果，如果不夠再決定是否繼續(xù)計算。8、關(guān)于掃描HFSS提供一個掃描功能，分3種方式：快速、離散和插值。其中離散掃描只保留最后一個頻點(diǎn)的場結(jié)果，其計算時間是單個頻點(diǎn)計算時間之和；對快速掃描，將可以得到所計算的頻率范圍內(nèi)的所有頻率場結(jié)果，但是其計算速度和頻點(diǎn)多少關(guān)系不大，基本和模型復(fù)雜程度正比，有時掃描計算的時間非常長，如果不是特別需要關(guān)心所有的場情況，建議選用離散掃描，對于特別巨大的問題，則是以快速掃描為宜。而插值方式比較少用。9、關(guān)于問題的規(guī)模HFSS所能計算的問題規(guī)模與計算機(jī)硬件關(guān)系很大，其次是所使用的操作系統(tǒng)。在HFSS8里，問題描述矩陣的階基本和網(wǎng)格數(shù)正比，對于四面體上10萬的問題也能游刃有余（只要機(jī)器夠好），然而這并非是指實(shí)際問題的電尺寸，實(shí)際上，要精確計算一個計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)電纜接頭（RJ45）所需要的時間和資源并不比計算一個有一個波長電尺寸的一般輻射問題少多少，所以實(shí)際上其計算規(guī)模的主要約束是問題的復(fù)雜程度，而復(fù)雜程度里面包含了電尺寸、結(jié)構(gòu)復(fù)雜度等要素。由此提醒我們建模時應(yīng)該盡量簡化模型。一般來說，除了在激勵區(qū)，當(dāng)結(jié)構(gòu)電尺寸比二十分之一波長還小時，可以忽略它的存在而不會引入明顯的誤差，這一點(diǎn)在解決問題之初很有效，可以迅速發(fā)現(xiàn)問題的關(guān)鍵；當(dāng)問題的主要要求滿足后，再將模型細(xì)化以獲得更加精確的結(jié)果。以上就HFSS使用的各個方面總結(jié)了一些心得，以供大家參考，如有不當(dāng)之處，請交流指正，先謝過！MOM法電大尺寸高頻電磁分析FEKOFEKO是一款用于3D結(jié)構(gòu)電磁場分析的仿真工具。FEKO仿真基于著名的矩量法（MoM）對Maxwell方程組的求解。FEKO實(shí)現(xiàn)了非常全面的MoM代碼，可以解決任何結(jié)構(gòu)類型的問題；FEKO還針對許多特定問題，例如平面多層介質(zhì)結(jié)構(gòu)、金屬表面的涂覆等等，開發(fā)了量身定制的代碼，在保證精度的同時獲得最佳的效率。為了求解電大問題，F(xiàn)EKO引入了多層快速多極子方法（MLFMM）。FEKO是世界上第一個把這種方法推向市場的商業(yè)代碼。這種方法使得精確仿真電大問題成為可能。在此之前，求解此類問題只能選擇高頻近似方法oFEKO中有兩種高頻近似技術(shù)可用，一個是物理光學(xué)（P0）,另一個是一致性繞射理論（UTD）。在MoM和MLFMM需求的資源不夠時，這兩種方法提供求解的可能性。FEKO中通過混合MoM/PO和MoM/UTD來為電大尺寸問題的精度提供保證。F