微波无源电路仿真技术(01).ppt

微波仿真技术与微波仿真软件 历史回顾 英国物理学家J C Maxwell干1862年提出了位移电流的概念 并提出了 光与电磁现象有联系 的想法 1865年 Maxwell在其论文中第一次使用了 电磁场 electro一magneticfield 一词 并提出了电磁场方程组 推演了波方程 还论证了光是电磁波的一种 一百多年来的事实证明 建立在电磁场理论基础上的微波科学技术 对入类生活产生了极其巨大的影响 Maxwell方程组 本构关系 Maxwell方程组 边界条件 解析方法与数值方法 早期人们解决微波工程中的设计与计算问题 基本上都采用解析方法上世纪60年代 随着计算机技术的发展 开始采用数值计算技术解决不规则边界条件下微波工程问题的求解 Maxwell方程 规则边界 Maxwell方程 不规则边界 解析法 数值法 常见的数值方法 频域 差分法 FDM 有限元法 FEM 矩量法 MOM 边界元法 BEM 传输线法 TLM 时域 时域有限差分法 FDTD 有限积分技术 FIT 微分型 积分型 数值解法根据空间变量分类 一维 1D 解法 传输线解 SPICE程序 适用范围 场和源都是一维空间变量的函数 典型应用 传输线 平面波和电路等 二维 2D 解法 MOM TLM FEM FDTD 适用范围 场和源都是两维空间变量的函数 典型应用 TE10矩形波导 TEM波同轴线等 二维半 2 5D 解法 MOM TLM FEM FDTD 适用范围 场是三维空间变量的函数 源是两维空间变量的函数 典型应用 平面传输线 微带线 共面波导 平面结构天线和多层结构器件 LTCC 等 三维 3D 解法 FDM MOM TLM FEM FDTD FIT 适用范围 场和源都是三维空间变量的函数 典型应用 可以求解所有的电磁场问题 常见的仿真软件 系统仿真软件AgilentADS MOM 解析法 MicrowaveOffice MOM 解析法 AnsoftDesigner MOM 解析法 CSTDesignStudio 解析法 电磁场仿真软件2 5DAnsoftEsemble MOM Sonnet MOM IE3D MOM 3DAnsoftHFSS FEM Ansys FEM CSTMicrowaveStudio FIT CSTMafia FIT EMPIRE FDTD XFDTD FDTD FEKO MOM PO UTD SuperNEC MOM UTD ADS AdvancedDesignSystem 它是AgilentTechnoligyies公司推出的一套电路自动设计软件 AgilentTechnoligyies公司把已有产品HPMDS MicrowaveDesignSystem 和HPEEsofIV ElectronicEngineeringSoftware 两者的精华有机的结合起来 并增加了许多新的功能 构成了功能强大的ADS软件 ADS软件范围涵盖了小至元器件 大到系统级的设计和分析 主要包括RFIC设计软件 RF电路板设计软件 DSP专业设计软件 通讯系统设计软件以及微波电路设计软件 ADS软件仿真手段丰富多样 可实现包括时域和频域 数字与模拟 线性与非线性 噪声等多种仿真分析手段 并可对设计结果进行成品率分析与优化 从而大大提高了复杂电路的设计效率 是非常优秀的微波电路 系统信号链路的设计工具 不但其仿真性能优越 而且提供了功能强大的数据后处理能力 这对我们进行复杂 特殊电路的仿真 数据后处理及显示提供了可能 该软件切实考虑到工程实际中各种参数对系统的影响 对要求分析手段多样 运算量大的仿真分析 尤其适用 ADS软件可应用于整个现代通信系统及其子系统 能对通信系统进行快速 便捷 有效的设计和仿真 这是以往任何自动设计软件都不能够的 所以 ADS已被广大电子工程技术人员接受 应用也愈加广泛 ADS主要应用 ADS功能非常强大 对整个现代通信系统及其子系统的设计和仿真提供支持 主要应用有以下几个主要方面 射频和微波电路的设计 包括RFIC RFBoard DSP设计通信系统的设计向量仿真每个设计本身又包括以下几个内容 绘制原理图系统仿真布局图Pspice原理图 ADS界面 MicrowaveOffice MicrowaveOffice软件为微波平面电路设计提供了最完整 最快速和最精确的解答 它是通过两个模拟器来对微波平面电路进行模拟和仿真的 对于由集总元件构成的电路 用电路的方法来处理较为简便 该软件设有一个叫 VoltaireXL 的模拟器来处理集总元件构成的微波平面电路问题 而对于由具体的微带几何图形构成的分布参数微波平面电路则采用场的方法较为有效 该软件采用的是一个叫 EMSight 的模拟器来处理任何多层平面结构的三维电磁场的问题 由于这里意在着重于电磁场分析 所以仅涉及 EMSight 模拟器 下面是它的具体功能 EMSight 模拟器是一个完整的三维电磁场模拟程序包 它可用于平面高频电路和天线结构的分析 模拟器分析的电路都安装在一个矩形的金属包装盒内 对于电路的层数和端口数并没有限制 它还具有显示微波平面电路内金属上电流和空间电场力线的能力 EMSight 模拟器可以对微波平面电路进行许多种类的计算 在该软件中称计算为测量 除了可以计算电路的阻抗参量 导纳参量 散射参量 传输参量 混合参量之外 对于线性电路 它能计算辅助稳定因子 输入电容 群延迟 偶 奇模传输常数 阻抗 导纳 电压驻波比 端口输入阻抗 导纳 增益等 具有计算各种线 圆极化微带天线的电场方向图和功率方向图的能力 在计算天线时矩形的金属包装盒边界可以改变 顶部和底部可以改为自由空间阻抗 而侧壁可以拉远 在 EMSight 模拟器内也设有一个元件库 其特点是列入了大量的微带元件的资料如各种弯头 开路线 短截线 耦合器 阶梯 T形接头等 还包括了许多传输线的资料 MicrowaveOffice界面 AnsoftDesigner 平面电磁场仿真主要功能 Designer可以精确快速仿真超大电尺寸结构的电磁场问题 SVD快速求解器 低内存需求 模型结构可以自由创建或直接输入 友好的用户图形界面 直接输入DXF IGES以及其它MCAD结构设计的几何模型 通过AnsoftLinks还可读入Cadence Zuken Synopsys MentorGraphics等EDA软件所设计的数据信息 全参数化 按需求解 Designer可以由用户来决定不同单元部分用不同的求解器来求解 协同仿真 Designer可以无缝集成电路 系统及电磁场仿真 场型图多种图型显示功能 2D 3D直角坐标 极坐标显示等 场型图 3D场型 源激励编辑 辐射图 增益等 AnsoftDesigner 界面 CSTDesignStudio ComponentsSeveralanalyticalcomponentsAvailabilityofcircuitelementsProvisionofsemiconductormodellibrarySupportofhierarchicalmodeling i e separationofasysteminlogicalcomponentsTightintegrationwith3DelectromagneticfieldsimulationsfromCSTMICROWAVESTUDIO IntegrationofhighfrequencyplanaranalysisfromtheSonnetem 3suiteImportofmeasuredorsimulateddatainTOUCHSTONEfileformatControlandusageofextensibleelementlibraryAnalysisGlobalparameterizationParametersweepwithanarbitrarynumberofparametersOptimizationforanarbitrarynumberofparametersandforacombinationofweightedgoalsBuiltinAPLAC forCSTDESIGNSTUDIO circuitsimulatorforlinearandnonlinearsimulationpurposesOptionallinktofullAPLAC functionalityEasydefinitionofso calledsimulationtasks someofthemrelatedtospecialdevicesasmixers amplifiers antennasAutomatic re calculationofresultsfromintegratedfieldsimulatorsInterpolationforsimulatedblocksspeedsupsimulationsSolvertransparencyallowsselectionofanalyticornumericalevaluationofsomecomponentsDe embeddingeliminatestheeffectofsomecomponentsUsageofdifferentialportsenablesallkindsofcircuit EMco simulationsConsiderationofhigherordermodes CSTDesignStudio界面 AnsoftSerenade AnsoftSerenade设计环境为现代的射频以及微波设计者们提供了一个强大的电路 系统和电磁仿真的工具 简易的使用环境允许使用者们在仿真器和其他的工具 如文字处理器 最大程度的产生数据资料的转移 简单的说 它主要包括Harmonica电路仿真和Symphony系统仿真部分 Symphony可以在Serenade文件夹 一种计算机标原理图获取 布局 和仿真环境 下面运行 它是一个可以仿真有射频 微波和数字部分组成的通信系统的软件工具 Symphony添加了针对外围环境的高效的模拟 数字混合方式 模拟和数字 和系统分析能力 使用者能够很快的构建一个系统包括大量元件的库里的射频部分的模拟和数字信号处理 像信道编码 模拟和数字信号处理滤波器 放大器 晶体震荡器衰减信道模型 这些都能使设计者们迅速的组建有线的或者无线系统 由于系统自带了那么多模型 因此设计者只需要对元器件键入很少的关键特征 它也能够对线性或非线性系统进行彻底的操作 它也能输出例如增益 噪声和在时域或者频域上的误码率 针对不同的设计方法 在早期阶段的时候它就能够迅速的检查 以减少设计周期时间和避免由于射频和数字信号处理系统之间的互相干扰而造成的高成本的重新设计 一旦一个设计系统结构被确认了那么一个自上而下的设计流程就能被完成 一个系统的误码率能够基于完整的系统分析而计算出来 对射频的描述 例如阻抗不匹配 晶体震荡器的相位噪声和群延迟 在系统中 当然包括噪声 输入功率 S参数和其他的输入信号扫描分析 把误码率的计算作为一个任何参数的函数 AnsoftSerenade界面 AnsoftEnsemble AnsoftEnsemble是一个针对射频和微波的平面电磁仿真软件 它是一个对微带线和像滤波器 功分器和天线一类的平面微波结构进行计算S参数和全波场的仿真软件包 Ensemble软件包包括一个从底部开始的计算机辅助设计布局 一个仿真器和一个可显示数据的后处理器 该软件没有用传统的 cut and try 原型 减少了生成的误差 下面是它的一些功能 1 仿真分析包括s参数 y参数 和z参数 远场近场辐射 表面电流等 2 Ensemble的应用PCB布线和路径的仿真 多层微波包装 微波整合电路 超级微波整合电路 平面天线和队列 电路元件创建 3 天线设计分析圆极化 左旋圆极化和右旋圆极化的远场图 增益和轴向辐射 交叉极化和共极化场等 4 图形特征 计算控制初始设计的大小 DXFandGDS的输入和输出 史密斯圆图 极化图和矩形图 远场图 波形计算等 AnsoftEnsemble界面 Sonnet Sonnet界面 ZelandSoftware Inc IE3DElectromagneticSimulationandOptimizationPackag theFIDELITYFull 3DTime DomainElectromagneticSimulator theMDSPICEMixedFrequencyDomainandTimeDomainSPICESimulatorandtheCOCAFILCoupledCavityFilterSynthesisPackage TheIE3Disafull wave methodofmoment MOM simulatorsolvingthecurrentdistributionon3Dandmulti layeredstructuresofgeneralshape TheFIDELITYisafull wave non uniformfinite differencetime domain FDTD simulatorsolvingthenearfieldinstructuresofcomplicateddielectrics TheMDSPICEisanewtypesimulatorcontainingatime domainsimulationengineandafrequencydomainsimulationengine ThemostsignificantfeatureoftheMDSPICEisthatitcanperformrobust accurateandefficienttimedomainsimulationbasedupons y z parameterfrequencyresponses ItalsohasthewidebandSPICEmodelextractioncapabilityforcoupledtransmissionlinesandinterconnects TheCOCAFILisamode matchingbasedrectangularwaveguidefiltersynthesisprogram The4simulatorsaresuitableforthedesignofmicrowavecircuits microwaveandmilli meterwaveintegratedcircuits MMICs RFprintedcircuits HTScircuitsandfilters microstrippatchantennas wireantennas variouskindsofwirelessantennas waveguideantennasandcircuits ICtransmissionlinesandcircuits ICpackaging EMC EMI electromagneticapplicationsinmedicalsciences IE3D界面 FIDELITY CSTMicrowavestudio CSTMICROWAVESTUDIO是CST公司为快速 精确仿真电磁场高频问题而专门开发的EDA工具 是基于PC机Windows环境下的仿真软件 其主要应用领域有 移动通信 无线设计 信号完整性和电磁兼容 EMC 等 具体应用包括 偶合器 滤波器 平面结构电路 联结器 IC封装 各种类型天线 微波元器件 蓝牙技术和电磁兼容 干扰等 MWS提供三个解算器 四种求解方式 它们是时域解算器 频域解算器和本征模解算器 四种求解方式分别为传输问题的频域解 时域解 模式分析解和谐振问题的本征模解 同时也提供各种有效的CAD输入选项和SPICE参数的提取 另外 CSTMWS通过调用CSTDESIGNSTUDIO 而内含一个巨大的设计环境库 CSTDESIGNSTUDIO 本身也提供外部仿真器的联结 应用 各种天线 连接器 谐振腔 蜂窝电话 同轴连接器 偶合滤波器 共面结构 串扰问题 介质滤波器 双工器 高速数字设备 喇叭天线 IC封装 互联器 微带滤波器 带状线结构 微波加热 微波等离子源 多芯连接器 毫米波集成电路 多层结构 多路复用器 光学组件 微带天线 平面结构 功分器 偏光器 雷达 雷达截面 RCS SAR计算 解剖设备 传感器 屏蔽问题 开槽天线 芯片系统 时域反射计 TDR 波导结构 无线设备 CSTMicrowavestudio界面 场图 MAFIA AnsoftHFSS软件简介 AnsoftHFSS软件是适用于射频 无线通信 封装及光电子设计的任意形状三维电磁场仿真的软件 ANSOFTHFSS是业界公认的三维电磁场标准仿真软件包 它必将为射频 无线通信 封装及光电子产品新功能的开发提供崭新高效的研究手段 本软件彻底摆脱了传统的设计模式 大大减少了研制费用和时间 加快产品进入市场的步伐 HFSS提供了一简洁直观的用户设计界面 精确自适应的场求解器 拥有空前电性能分析能力的功能强大后处理器 能计算任意形状三维无源结构的S参数和全波电磁场 ANSOFTHFSS充分利用了如自动匹配网格产生及加密 切线向矢量有限元 ALPS AdaptiveLanczosPadeSweep 和模式 节点转换 Mode node 等的先进技术 从而使操作人员可利用有限元法 FEM 在自己的电脑少对任意形状的三维无源结构进行电磁场仿真 HFSS自动计算多个自适应的解决方案 直到满足用户指定的收敛要求值 其基于MAXWELL 麦克斯韦 方程的场求解方案能精确预测所有高频性能 如散射 模式转换 材料和辐射引起的损耗等 用高效率的计算机虚拟模型的方法来取代费时费力的 cut and try 试验方法 可大大缩短设计周期 仿真分析诸如天线 微波转换器 发射设备 波导器件 射频滤波器和任意三维非连续性等复杂问题 已简单化成只需画结构图 定义材料性能 设置端口和边界条件 HFSS自动产生场求解方案 端口特性和S参数 其S参数结果可输出到通用的线性和非线性电路仿真器中来使用 ANSOFTHFSS的自适应网格加密技术使FEM方法得以实用化 初始网格 将几何子分为四面体单元 的产生是以几何结构形状为基础的 利用初始网格可以快速解算并提供场解信息 以区分出高场强或大梯度的场分布区域 然后只在需要的区域将网格加密细化 其迭代法求解技术节省计算资源并获得最大精确度 必要时还可方便地使用人工网格化来引导优化加速网格细化匹配的解决方案 HFSS采用高阶基函数 对称性和周期边界等方法 从而节省计算时间和内存 进一步加大求解问题的规模并加速求解的速度 AnsoftHFSS软件功能 HFSS软件还有强大的绘图功能 它可以与AutoCAD完全兼容 完全集成ACIS固态建模器 它拥有先进的材料库综合的材料数据库包括了常用物质的介电常数 渗透率 电磁损耗正切 用户在仿真中可分析均匀材料 非均匀材料 各向异性材料 导电材料 阻性材料和半导体材料 ANSOFTHFSS软件含有一个庞大的库 用该库可参数化定义以下标准形状 微带T行结 宽边耦合线 斜接弯和非斜接弯 半圆弯和非对称弯 圆螺旋和方螺旋 混合T接头 贴片天线 螺旋几何AnsoftHFSS软件强大的天线设计功能 它可以计算下列问题 计算天线参量 如增益 方向性 远场方向图剖面 远场3D图和3dB带宽 绘制极化特性 包括球形场分量 圆极化场分量 Ludwig第三定义场分量和轴比 二分之一 四分之一 八分之一对称模型并自动计算远场方向图 AnsoftHFSS拥有强大的场后处理器 产生生动逼真的场型动画图 包括矢量图 等高线图 阴影等高线图 任意表面 包括物体表面 任意剖面 3D物体表面和3D相等面的静态和动态图形 动态矢量场 标量场或任何用场计算器推导出的量 AnsoftHFSS软件的优势 Ansoft有自己的独特优势 由AnsoftDesigner和AnsoftHFSS构成的Ansoft高频解决方案 是目前唯一以物理原型为基础的高频设计解决方案 它以Ansoft公司居于领先地位的电磁场仿真工具为基础 提供了从系统到电路直至部件级的快速而精确的设计手段 覆盖了高频设计的所有环节 其集成化的设计环境和独有的 按需求解 技术使设计工程师们在设计的各个阶段都能充分考虑结构的电磁效应对性能的影响 实现对整个设计流程的完全控制 从而进一步提高了仿真精度 完成整个高频系统的端对端设计 HFSS9 0 Optimatrics OPTIMETRICS 是ANSOFT三维电磁场解算器的优化模块 该模块向ANSOFT用户提供了集成的参数化 敏感性 优化能力 OPTIMETRICS从一非常简洁易用的界面执行参数分析 敏感性分析 优化和其他设计研究 OPTIMETRICS可用于诸如射频 微波及无线通信中如 蜂窝电话 天线和微波电路等高频产品的设计分析中 功能 优化设计准牛顿法模式搜索法参数化分析灵敏度分析 注 只有HFSS8 0 HFSS8 5需要提供外部优化器 HFSS5 0 7 0和9 0以后的版本身带有优化器 Optimatrics界面 AnsoftLinks 提供Ansoft电路分析软件和场分析软件之间的关联 提供Ansoft电路分析软件和场分析软件与第三方软件的关联最新版本的HFSS减少了对此软件的依赖 ANSYS的产品家族 Ansys ANSYS是一种广泛的商业套装工程分析软件 该软件主要包括三个部分 前处理模块 分析计算模块和后处理模块 前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具 用户可以方便地构造有限元模型 分析计算模块包括结构分析 可进行线性分析 非线性分析和高度非线性分析 流体动力学分析 电磁场分析 声场分析 压电分析以及多物理场的耦合分析 可模拟多种物理介质的相互作用 具有灵敏度分析及优化分析能力 后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示 梯度显示 矢量显示 粒子流迹显示 立体切片显示 透明及半透明显示 可看到结构内部 等图形方式显示出来 也可将计算结果以图表 曲线形式显示或输出 软件提供了100种以上的单元类型 用来模拟工程中的各种结构和材料 这里还是着重介绍电磁场方面 在该软件的电磁场部分 它主要设计以下几个方面 2D 3D及轴对称静磁场分析及轴对称时变磁场交流磁场分析 静电场 AC电场分析 电路分析 包括电阻 电容 电感等 电路 磁场耦合分析 电磁兼容分析 高频电磁场分析 计算洛伦磁力和焦耳热 力 主要应用于 螺线管 调节器 发电机 变换器 磁体 加速器 天线辐射 等离子体装置 磁悬浮装置磁成像系统 电解槽及无损检测装置等 Ansys界面 Empire EMPIRETM ElectroMagneticfieldsimulatorfortheanalysisofPackages Interconnects Radiators waveguideElementsEMPIRE TM 是基于有限差分法 FDTD 的多用途3D电磁场仿真器 该软件可用于接头 封装 辐射 波导元件和电磁兼容地分析 Originallyintendedtoanalyzeplanarpassivestructures theEMPIRE TM simulatorwascontinuouslyextendedtocapturemoreandmorehighfrequencyapplications Ithasprovenitsfunctionalityinnumerouscomparisonswithmeasurementsandwassuccessfullyappliedinmanydifferentmicrowavecomponentdesigns ThemethodisbasedonthemostefficientalgorithmknownwhichisveryaccurateandsimplificationishardlynecessarysinceitsolvesthediscretizedMaxwell sequationsdirectly Ganymede界面 Empire界面 XFDTD XFDTD是基于时域有限差分法 FDTD 的三维全波电磁场求解器 Remcom公司从1994年开始提供商用软件XFDTD 该软件最早用于仿真蜂窝电话 现在用于无线 微波电路 雷达散射计算 化学 光学 陆基警戒雷达和生物组织仿真 XFDTD用户界面友好 计算准确 XFDTD本身没有优化功能 须通过第三方软件Engineous完成优化 XFDTD输入界面 XFDTD求解界面 WinFEKO FEKO是一个德文短语 FEldberechnungbeiK orpernmitbeliebigerOberfl ache 的缩写 其含义为 包含任意物体的场计算 正如FEKO这个名字所提示的 FEKO能够用于包含任意形状物体的各种类型的电磁场分析 TheprogramFEKOisbasedontheMethodofMoments MoM Electromagneticfieldsareobtainedbyfirstcalculatingtheelectricsurfacecurrentsonconductingsurfacesandequivalentelectricandmagneticsurfacecurrentsonthesurfaceofadielectricsolid Thecurrentsarecalculatedusingalinearcombinationofbasisfunctions wherethecoefficientsareobtainedbysolvingasystemoflinearequations Oncethecurrentdistributionisknown furtherparameterscanbeobtainede g thenearfield thefarfield radarcrosssections directivityortheinputimpedanceofantennas ElectricallylargeproblemsareusuallysolvedwitheitherthePhysicalOptics PO approximationanditsextensionsortheUniformTheoryofDiffraction UTD InFEKOtheseformulationsarehybridisedwiththeMoMattheleveloftheinteractionmatrix1 Thisisamajorstepinaddressingtheproblemofsolvingelectromagneticproblemswheretheobjectunderconsiderationistoolarge intermsofwavelengths tosolvewiththeMoMbuttoosmalltoapplyonlytheasymptoticUTDapproximationwithhighaccuracy WiththehybridMoM POorhybridMoM UTDtechniques criticalregionsofthestructurecanbeconsideredusingtheMoMandtheremainingregions usuallylarger flatorcurvedmetallicsurfaces us