电磁仿真软件介绍

1、各大仿真软件介绍（包括算法，原理）1 .引言微波系统的设计越来越复杂，对电路的指标要求越来越高，电 路的功能越来越多，电路的尺寸要求越做越小，而设计周期却 越来越短。传统的设计方法已经不能满足系统设计的需要，使 用微波EDA软件工具进行微波元器件与微波系统的设计已经 成为微波电路设计的必然趋势。随着单片集成电路技术的不断 发展，GaAs、硅为基础的微波、 毫米波单片集成电路 （MIMIC） 和超高速单片集成电路（VHSIC）都面临着一个崭新的发展阶 段，电路的设计与工艺研制日益复杂化，如何进一步提高电路 性能、降低成本，缩短电路的研制周期，已经成为电路设计的一个焦点,而EDA技术是设计的关键。

2、EDA技术的范畴包括电 子工程设计师进行产品开发的全过程，以及电子产品生产过程 中期望由计算机提供的各种辅助功能。一方面EDA技术可为系统级、电路级和物理实现级三个层次上的辅助设计过程，另一 方面EDA技术应包括电子线路从低频到高频，从线性到非线 性，从模拟到数字，从分立电路到集成电路的全部设计过程1-2。随着无线和有线设计向更高频率的发展和电路复杂性的增加， 对于高频电磁场的仿真，由于忽略了高阶传播模式而引起仿真 的误差。另外，传统模式等效电路分析方法的限制，与频率相 关电容、电感元件等效模型而引起的误差。例如，在分析微带线时，许多易于由错的无源模式是由于微带线或带状线的交 叉、阶梯、弯曲、

3、开路、缝隙等等，在这种情况下是多模传输。 为此，通常采用全波电磁仿真技术去分析电路结构，通过电路 仿真得到准确的非连续模式S参数。这些EDA仿真软件与电磁场的数值解法密切相关的，不同的仿真软件是根据不同的数值分析方法来进行仿真的。通常，数值 解法分为显示和隐示算法，隐示算法(包括所有的频域方法)随着问题的增加，表现由强烈的非线性。显示算法(例如FDTD、 FIT方法在处理问题时表现由合理的存储容量和时间。本文根据电磁仿真工具所采用的数值解法进行分类，对常用的 微波EDA仿真软件进行论述。2 .基于矩量法仿真的微波 EDA仿真软件基于矩量法仿真的 EDA软件主要包括ADS (Advanced D

4、esign System )、Sonnet 电磁仿真软件、IE3D 和 Microwave office。2.1 ADS仿真软件Agilent ADS(Advanced Design System) 软件是在 HP EESOF 系 列EDA软件基础上发展完善起来的大型综合设计软件，是美国安捷伦公司开发的大型综合设计软件，是为系统和电路工程师 提供的可开发各种形式的射频设计，对于通信和航天/防御的 应用，从最简单到最复杂，从离散射频/微波模块到集成MMICo从电路元件的仿真，模式识别的提取，新的仿真技术 提供了高性能的仿真特性。该软件可以在微机上运行，其前身是工作站运行的版本 MDS （Micr

5、owave Design System ）。该 软件还提供了一种新的滤波器的设计引导，可以使用智能化的 设计规范的用户界面来分析和综合射频/微波回路集总元滤 波器，并可提供对平面电路进行场分析和优化功能。它允许工 程师定义频率范围，材料特性，参数的数量和根据用户的需要 自动产生关键的无源器件模式。该软件范围涵盖了小至元器 件，大到系统级的设计和分析。尤其是其强大的仿真设计手段 可在时域或频域内实现对数字或模拟、线性或非线性电路的综 合仿真分析与优化，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，使之成为设计人员的有 效工具6-7。2.2 Sonnet仿真软件Sonne

6、t是一种基于矩量法的电磁仿真软件，提供面向 3D平面 高频电路设计系统以及在微波、毫米波领域和电磁兼容/电磁干扰设计的EDA工具。SonnetTM应用于平面高频电磁场分析， 频率从1MHz到几千GHz。主要的应用有：微带匹配网络、微 带电路、微带滤波器、带状线电路、带状线滤波器、过孔（层 的连接或接地）、偶合线分析、PCB板电路分析、PCB板干扰分析、桥式螺线电感器、平面高温超导电路分析、毫米波集成 电路（MMIC） 设计和分析、混合匹配的电路分析、HDI和LTCC转换、单层或多层传输线的精确分析、多层的平面的电 路分析、单层或多层的平面天线分析、平面天线阵分析、平面偶合孔的分析等。2.3 I

7、E3D仿真软件IE3D是一个基于矩量法的电磁场仿真工具，可以解决多层介质环境下的三维金属结构的电流分布问题。它利用积分的方式求 解Maxwell方程组，从而解决电磁波的效应、不连续性效应、 耦合效应、和辐射效应问题。仿真结果包括s、y、z参数，VWSR, RLC等效电路，电流分布，近场分布和辐射方向图，方向性， 效率和RCS等。IE3D在微波/毫米波集成电路（MMIC）、RF 印制板电路、微带天线、线电线和其它形式的RF天线、HTS电路及滤波器、IC的内部连接和高速数字电路封装方面是一个 非常有用的工具。2.4 Microwave Office 软件介绍“ Microwave Office软件

8、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“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" 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。“VoltaireXL模拟器内设一个元件库，在建立电路模型时，可 以调由微波电路所用的元件，其中无源器件有电感、电阻、电 容、谐振电路、微带线、带状线、同轴线等等，非线性器件有双极晶体管,场效应晶体管，二极管等等" E

9、MSigh模拟器是一个三维电磁场模拟程序包，可用于平面高频电路和天线结构的分析。特点是把修正谱域矩量法与直观的 视窗图形用户界面（GUI）技术结合起来，使得计算速度加快许 多。它可以分析射频集成电路（RFIC）、微波单片集成电路（MMIC）、微带贴片天线和高速印制电路 （PCB）等电路的电气特 性。Microwave Office 2002增加了一些新功能，包括滤波器智能综合、智能负载牵引，提高对存在的回路的电磁仿真，包括振 荡器相位噪声分析和 3D平面电磁仿真引擎，使对某些复杂问 题的仿真更加有效。3 .基于时域有限差分的微波仿真软件基于时域有限差分的仿真软件包括：CST MICROWAVE

10、STUDIO、FIDELITY 和 IMST Empire3.1 CST MICROWAVE STUDIO 仿真软件CST MICROWAVE STUDIO? （CST SD）是为快速、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。它主要应用在复杂设计和更高的谐振结 构。CST DS通过散射参数使电磁场元件结合在一起。把复杂 的系统分离成更小的子单元，通过对系统每一个单元行为的S-参数的描述，可以快速的分析和降低系统所需的内存。CST DS它考虑了在子单元之间高阶模式的耦合，结构分成小部分而没 有影响系统的准确性。传统的电路仿真软件仿真是快速的，但

11、是，当考虑集肤效应损 耗和材料的复杂性，结果的准确性将受到大幅度的影响。像CST DS的3D仿真软件克服了这种限制，可以解决任意几何形状的下所建立的麦克斯韦方程，包括复杂的材料模式。CST MICROWAVE STUDIO?的可以应用在仿真电磁场领域包括大多数的高频电磁场问题上。移动通信、无线设计、信号 完整性和电磁兼容（EMC）等。具体应用范围包括耦合器、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。3.2 FIDELITY仿真软件FIDELITY是基于非均匀网格的时域有限差分方法的全三维电 磁 场仿真器，可以解决具有复杂填充介质求解域的场

12、分布问 题。仿真结果包括 S-、Y-、Z-参数，VSWR, RLC等效电路， 近场分布，波印廷矢量和辐射方向图等。FIDELITY可以分析非绝缘和复杂介质结构的问题。它在微波/毫米波集成电路（MMIC）、RF印制板电路、微带天线、线电线和其它形式的 RF天线、HTS电路及滤波器、IC的内部连接和高速数字电路 封装，EMI及EMC方面的应用。FIDELITY的特点有：1）可对真正的三维金属和非绝缘介质结构进行建模；2）高效、高准确非均匀网格的 FDTD仿真引擎;3）能方便地对分析目标排列定位和几何结构的编辑与检查；4）可对非各向同性介质填充的同轴波导和矩形波导进行建模；5）具有自动网格生成功能、

13、网格优化功能和对输入的几何结构进 行单独网格生成功能；6）预定义同轴、微带、矩形波导和用 户定义端口； 7）不同边界条件的实现（如 PML） ; 8）集成的 预处理和后处理功能，包括 S参数提取和时域信号显示；9）辐射方向图的计算、近场动态显示功能；10）具有切片显示功能的三维和二维电场、磁场及坡印廷矢量的显示；11） 一次仿真即可得到宽带频谱的功能；12）平面波激励和SAR计算功能 3.3 IMST Empire 仿真软件IMST Empire是一种3D电磁场仿真软件。它是一种基于3D的 时域有限差分的方法， 这种方法已经变成 RF元件设计的标准。 它的应用范围从分析平面结构、互联、的多端口

14、集成到微波波 导、天线、EMC问题。EMPIRE基本覆盖了 RF设计3D场仿真 的整个领域。根据用户的定义的频率范围，一次的仿真的运行，就可以得到散射参数、 辐射参数和辐射场图。 对于结构的定义， 3D编辑器集成到 EMPIRE软件中。AUTOCADTM是一个流行的 机械画图工具，可以在 EMPIRE环境中使用。监视窗口和动画 可以给由电磁波的现象，并获得准确的结果。4 .基于有限元的微波 EDA仿真软件基于有限元的典型仿真软件是：Ansoft HFSSAnsoft HFSS是世界上第一个商业化的三维结构电磁场仿真软 件，可分析仿真任意三维无源结构的高频电磁场，可直接得到特征阻抗、传播常数、S

15、参数及电磁场、辐射场、天线方向图等结果。该软件被广泛应用于无线和有线通信、计算机、卫星、雷达、半导体和微波集成电路、航空航天等领域。Ansoft HFSS采用自适应网格剖分，ALPS快速扫频，切向元等专利技术，集成了工业标准的建模系统，提供了功能强大、使 用灵活的宏语言，直观的后处理器及独有的场计算器，可计算 分析显示各种复杂的电磁场，并利用 Optimetrics可对任意的 参数进行优化和扫描分析。使用Ansoft HFSS ,可以计算：1）基本电磁场数值解和开边界 问题，近远场辐射问题。2）端口特征阻抗和传输常数。3） S参数和相应端口阻抗的归一化S参数。4）结构的本征模或谐振解。Ixcl

16、my常用的高频电磁场仿真软件有下面这些： 助理工Ansoft HFSS、Designer、Emsenble。ansoft 一 程师贯使用FEM （有限元法），HFSS在中国大陆有绝对的市场份额。一直被大家认为电小不错，电大不行。一年一来一直致力于推翻大家这种印象。终端仿真里面面，我们认为网络参数相对还是比较正确的，但是场参数有时候就不是那么令 精华0人满意了。例如，建模一个dipole ,在大部分关积分74键的己方加了很多人工干预网哥划分，但是，增6益和pattern的波束角宽都差挺多的。手机天线 帖子12仿真经常是百分之一百零几的效率。在9.1版里41results里就不得不多加了 real

17、ized gain 这个选 水位24项，把gain这个选项的值打个折扣给你：） 88CST 的 Microwave Studio，一直大家一位是 fdtd , 技术分其实它是时域积分法（FITD）,当然其实不是原 0则上的不同。和FEM方法不同，FDTD或者FITD 状态离都是先在时域计算，用一个宽频谱的激励信号 线上（方波或者高斯波都有）去激励模型，在时域计算然后去反演到频域。 系统的网络参数和场参数基本上是反演后的得到的。特点是可以计算相当大的带宽结果，而不需要象用ansoft ,可能要把大带宽分割后分别仿真。CST计算过程中,由于 没有FEM计算过程中矩阵求逆过程，计算时间 和网格数成线

18、性增长关系，而FEM的是指数增长关系。CST的MWS从4.3版起，开始有了大 小网格嵌套技术，在曲面上细化六面体网格逼进 曲面。这是其它 FDTD套件所没有的。CST的 MWS最大的问题是不象 ansoft的那么傻瓜化， 很多参数即使看了 help也不是很能让人理解。 如果很深入了解 MWS内部细节，估计可以一次 性不用收敛做由完美的仿真。我们曾经用完全相同的模型分别在 ansoft和CST运行，结果双频 天线CST结果低频比ansoft结果高。而高频又 比ansoft结果低。但是场参数就可靠得多了，一个加上塑胶外壳参数、电池、屏蔽罩等器件的模 型，天线在谐振点就是比较真实的百分之四、五 十。

19、韩国都用CST,没有什么人用ansoft。Zeland IE3D ,矩量法（MoM） 。 IE3D可能是最 好的商业MoM套件。MoM原理相对简单，且计 算速度极快。IE3D比较适合2.5维情形，例如算 算PCB或者微带天线比较合适，算复杂3D结构 力不从心。但是，手机 PIFA的计算就比较适合 用IE3D。不是用于做天线项目仿真，而是用于研究天线的基本特征，天线和PCB如何相互耦合、PCB上激发的表面电流走向等原型阶段的预 研。Zeland Fidelity , FDTD 法,相比 IE3D 名气小， 用的人也不多。没有CST大小网格嵌套。这里补 充一句，所有的FDTD套件都是采用PML方法的。 XFDTD ,有名的FDTD套件。经常和很多测试 SAR 的硬件系统联系在一起，在加载人体电磁模型后可以计算SAR值。缺点是天线 Pattern没有3D 显示，只有2D截面。这个缺点最好能在新版本 中改进。SemCAD,也是FDTD套件。没有比XFDTD等有 太多优势，也有被用来计算SAR的。好像也有用 来作系统EMC计算。IMST Empire , FDTD套件。非常优秀的高频电