微波EDA 电磁仿真软件应用

微波EDA 电磁仿真软件应用
付佳辉 吴群
哈尔滨工业大学电子与通信工程系微波教研室
哈尔滨市西大直街92 号工大主楼336 信箱(150001)
Email:qwu@hit.edu.cn
摘要目前各种商业化的微波EDA 软件工具不断涌现功能强大主要应用领域相
当广泛特别是当前在移动通信无线设计信号完整性和电磁兼容(EMC)等方面显得更加
突出本文针对典型的商业化微波EDA 软件进行分类对比简要介绍了它们各自的功能
特点和适用范围本文为从事微波电路与系统设计者对微波EDA 软件工具正确选择和有效
使用提供了有益参考
关键词EDA 仿真 微波 电磁场
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出错的
无源模式是由于微带线或带状线的交叉阶梯弯曲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出强烈的非线性显示算法例如FDTD FIT 方法在处理
问题时表现出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 Design 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
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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MMIC 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
Microwave 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
Sonnet 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 IE3D 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出微波电路所用的元
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
”EMSight”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
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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 STUDIO FIDELITY 和IMST
Empire
3.1 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出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 HFSS
Ansoft 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
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无源结构的高频电磁场可直接得到特征阻抗传播常数S 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
5 结论
随着EDA 技术的发展电磁仿真软件在微波产品设计中起到越来越重要的作用大幅
度降低了产品的开发周期和研制费用基本可以做到一次设计一次完成仿真结果与实验
测试结果非常相近但随着频率的增加和电路复杂性的增加为了获得更精确的仿真结果和
提高仿真软件的运行效率需要有准确的模式与之相匹配和更精确数值分析方法目前在
我国比较流行使用的电路仿真工具Ailgent 公司的ADS 和电磁场仿真工具Ansoft 公司的
HFSS 现在各公司的竞争越来越激烈如何在最短的时间内计算出最精确的结果是各软件
公司所追求的目标
参考文献
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