平面和全三维EM仿真工具荟萃

电磁(EM)仿真软件如今不再是奢侈品，而是所有实际高频设计中的基本工具。过去几年，市场上商用化电磁仿真软件的数量稳步增长，这为射频/微波设计工程师提供了前所未有的众多的EM仿真器选择，包括用于平面以及全三维结构分析的软件。这些EM工具中的大多数都可以无缝地链接到其它计算机辅助设计工具，如线性和非线性电路仿真器，也可以与版图编辑器甚至优化器一起，作为CAE软件套件的一部分。 EM仿真器有许多种，它们的功能也不尽相同。例如，基于瞬时方法(MoM)或有限元方法(FEM)分析的软件可以提供平面结构周围电场和磁场的快速预测和两维(2D)可视化。平面3D EM仿真器可以显示三维电流流向，能应用于许多平面电路。针对全三维分析，使用有限差分时域(FDTD)技术的仿真器可以提供最详尽的分析细节，但对运算能力和处理时间的要求最高。 在可能包含有线性和非线性电路仿真器、版图工具和优化工具的软件工具集或套件中，可以找到许多可用的EM仿真器。例如，Computer Simulation Technology(CST)公司在其CST STUDIO SUITE中提供各种基于EM的软件工具。这些工具可以相互补充，其中包括可以简化将EM仿真应用于解决高频问题的CST MICROWAVE STUDIO、允许对各种仿真器提供的结果进行整合和分析的CST DESIGN STUDIO，以及专门用于分析静态低频结构的CST EM STUDIO。 除了提供基于EM的产品，CST公司在还从Flomerics公司收购了多个EM产品线及相关技术，包括MicroStripes和FLO/EMC产品。今年早些时候，公司在其CST Studio Suite中增加了两个新产品，即CST PCB STUDIO和CST CABLE STUDIO。前者用于分析PCB的电磁干扰(EMI)和电磁兼容性(EMC)，包括模拟、数字、混合信号和电源问题。后者用于分析电缆线束系统中的信号完整性(SI)、EMC和EMI效应，并用来优化单束线和电缆组件的屏蔽、重量和尺寸。 Ansoft公司的高频结构仿真器(HFSS)软件非常有名。该软件可以用来对高频/高速元件、电路、连接器和天线进行全波EM仿真。最新版本HFSS v11在早期版本的工业标准EM软件基础上作了大量改进，包括新的更高层次基本功能，以及针对大型多波长结构产生更小网格和更高精度解决方案的迭代解算器。另外，HFSS v11还能对Floquet端口进行分析，可用于分析频率选择性材料和相控阵列天线。 Ansoft公司通过Ansoft Designer环境集成了许多软件工具。通过该环境可以访问HFSS、Nexxim电路仿真器和SIwave信号完整性分析工具。Ansoft还在网站上提供了许多有用的文献资料，包括有篇长达58页的详细文档(可从www.ansoft.com/converge/直接下载)。该文档是Ansoft欧洲公司应用工程师Nick Campbell博士编写的，文中详细介绍了针对CMOS低噪声放大器(LNA)和压控振荡器(VCO)进行的封装EM仿真。 Applied Wave Research公司拥有高频设计工具的全功能Microwave Office套件，EMSight EM仿真器就是该套件提供的设计工具之一。Microwave Office套件也可以与第三方软件一起工作，如APLAC的电路仿真器。另外，该公司最近创建了EM Socket开放标准接口，这样无需离开Microwave Office环境就能访问各种EM工具，包括来自CST、Flomerics、Optimal、Sonnet Software和Zeland Software公司的EM仿真器。 EMSight是针对闭合边界问题设计的，前提是有问题的电路被包含在矩形传导盒中。与EMSight不同，该公司最近推出的AXIEM是一种开放边界的解算器，它假设电路或结构处于自由空间。AXIEM非常适合用来分析各种高频设计，包括PCB、集成电路和LTCC电路。AXIEM也非常适合用于处理任意形状的结构，且处理这些问题所需的时间更短。 安捷伦科技公司已推出第5版本的全波三维EM建模和验证工具Antenna Modeling Design System(AMDS)。该工具的许可来自State College，PA的开发公司Remcom，最初版本发布于去年6月份。最新版的EM天线仿真器为性能优化和复杂设计(如蜂窝电话中使用的小片阵列天线)的自动化提供了脚本描述特性。利用这个软件工具，设计工程师可以通过使用方程定义复杂天线的几何形状来优化性能。安捷伦已将EMDS完全集成到Advanced Design System(ADS)电子设计自动化(EDA)软件平台中，可用加快从版图到EM模型的转换速度。通过ADS平台还能访问该公司的平面EM仿真工具Momentum。 Remcom公司提供广范围的EM产品和功能，包括最新版的XFdtd软件(6.5版本)。XFdtd是一种基于FDTD方法的全波三维EM解算器，它采用快速网格算法来加快分析速度，支持硬件加速和群集运算。 Zeland Software公司的FIDELITY FDTD全三维仿真器(5.5版本)用于对高频电路、器件和天线进行建模，并进行EMI和EMC的研究。该软件可以自动产生不均匀的网格，从而对具有复杂电介配置的平面和三维结构进行建模。FIDELITY提供多种两维和三维图形，以便实现结构周围电磁场的可视化。最新版的FIDELITY包括硬件加速功能、改进的端口去嵌入功能以及案例研究用户手册。 该公司的IE3D EM设计系统(版本14)是一种采用全波方法的瞬时EM仿真器，被广泛用于高频集成电路和高密封装电路设计，如毫米波电路和LTCC电路，是设计天线和高温超导(HTS)电路的一个强大工具。 Sonnet Software公司是一家创新型平面EM分析工具的开发商和供应商，能提供全系列EM EDA软件产品。该公司的Sonnet Professional Suite工具主要用于以平面结构为主的三维设计，非常适合用来分析三维平面天线和电路，包括共面波导、微波传输带、微带线、波导、多层PCB以及采用多种技术的组装件。针对需要全三维高频EM分析的需求，Sonnet已经与CST联合起来向北美用户提供和支持CST Microwave Studio。 Sonnet在网站上提供了许多有用的指南，这些指南可以帮助潜在的用户根据他们的需求选择最优的EM仿真工具。例如，Sonnet总裁兼创始人Jim Rautio编写的技术论文"与高频平面电磁分析相关的算法测试极限"客观地比较了EM仿真和测量数据，有助于网站访问人员理解平面EM仿真工具(如Sonnet公司强大的EM仿真软件)的实用频率上限精度。 除了向有资格的用户提供免费30天试用期的全功能评估版Sonnet Suites外，Sonnet公司的网站上还提供了Sonnet Suites简化版Sonnet Lite的免费下载。该工具提供对三维平面电路的全波EM分析功能，非常易学易用。 EM Explorer公司提供EM Explorer三维EM解算器(版本5)，该软件非常适用于仿真复杂电介质和复杂磁性材料的电磁场。这个基于FDTD方法的三维EM解算器软件可以提供复杂的幅度和相位方面的电场和磁场信息。该软件有32位和64位两种版本，采用图形化用户界面(GUI)，并有用于Windows的控制台版本。 有关更多EM软件仿真器的信息请访问以下公司的网站：Circuit Sage(www.circuitsage.com)、SPEAG (www.speag.com)、SuperNEC(www.supernec.com)和2COMU(www.2comu.com)。 作者：
Jack Browne
技术总监
《Microwaves&RF》