射頻EDA仿真軟件介紹

1.前言

微波系統(tǒng)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(tǒng)的設計方法已經(jīng)不能滿足系統(tǒng)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(tǒng)的設計已經(jīng)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日益復雜化，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(jīng)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(tǒng)級、電路級和物理實現(xiàn)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(shù)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(tǒng)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(shù)。

這些EDA仿真軟件與電磁場的數(shù)值解法密切相關的，不同的仿真軟件是根據(jù)不同的數(shù)值分析方法來進行仿真的。通常，數(shù)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(xiàn)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(xiàn)出合理的存儲容量和時間。
本文根據(jù)電磁仿真工具所采用的數(shù)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(tǒng)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(shù)的數(shù)量和根據(jù)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(tǒng)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(xiàn)對數(shù)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(tǒng)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(wǎng)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(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。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(shù)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(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(shù)使電磁場元件結合在一起。把復雜的系統(tǒng)分離成更小的子單元，通過對系統(tǒng)每一個單元行為的S-參數(shù)的描述，可以快速的分析和降低系統(tǒng)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(tǒng)的準確性。
傳統(tǒng)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(shù)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(lián)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(wǎng)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(shù)，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(shù)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(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填充的同軸波導和矩形波導進行建模；5）具有自動網(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、矩形波導和用戶定義端口；7）不同邊界條件的實現(xiàn)（如PML）；8）集成的預處理和后處理功能，包括S參數(shù)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(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、EMC問題。EMPIRE基本覆蓋了RF設計3D場仿真的整個領域。根據(jù)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(shù)、輻射參數(shù)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(xiàn)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(shù)、S參數(shù)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(wǎng)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(tǒng)，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(shù)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(shù)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(shù)。3）S參數(shù)和相應端口阻抗的歸一化S參數(shù)。4）結構的本征?；蛑C振解。