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微波射频仿真软件综述和应用评析

作者:  时间:2008-08-22 10:15  来源:eaw

        微波EDA 仿真软件与电 磁场的数值算法密切相关,在介绍微波EDA 软件之前先简要的介绍一下微波电磁场理论的数值算法。所有的数值算法都是建立在Maxwell方程组之上的, 了解Maxwell方程是学习电磁场数值算法的基础;在频域,数值算法有:有限元法 ( FEM -- Finite Element Method)、 矩量法( MoM -- Method of Moments),差分法( FDM -- Finite Difference Methods),边界 元法( BEM -- ),和传输线法( TLM -- Transmission-Line-matrix Method),在时域,数值算法有:时域 有限差分法( FDTD – Finite Difference Time Domain ),和有限积分法 ( FIT – Finite Integration Technology )。如果想进一步了解各种数值算法的具体实现,可以参阅以下几本书籍: ① Microwave Circuit Modeling Using Electromagnetic Field Simulation, ② Numerical Techniques in Electromagnetics,  ③ Electromagmetic Simunation Using the FDTD Method, ④ Complex eletromagnetic problems and numerical Simulation Approaches。

        其中,使用矩量法( MoM ) 的微波EDA软件有ADS,Ansoft Designer,Microwave Office,  Zeland IE3D,Ansoft Esemble,Super NEC和FEKO;使用有限元法 ( FEM ) 的微波EDA软件有HFSS和 ANSYS;使用时域有限差分法( FDTD ) 的微波EDA软件有 EMPIRE和XFDTD,使用有限积分法( FIT ) 的微波EDA软件有 CST Microwave Studio和CST Mafia。

    

        下面来介绍较流行几种的微波EDA软件的功能和应用。

        ADS – Advanced Design System, 是Agilent公司推出的微波电路和通信系统仿真软件,是国内各大学和研究所使用最多的软件之一。其功能非常强大,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。主要应用于:射频和微波电路的设计,通信系统的设计,DSP设计和向量仿真。现在最新的版本是ADS2004A。

 

        Ansoft Designer, 是Ansoft公司推出的微波电路和通信系统仿真软件;它采用了最新的视窗技术,是第一个将高频电路系统,版图和电磁场仿真工具无缝地集成到同一个环境的 设计工具,这种集成不是简单和界面集成,其关键是Ansoft Designer独有的"按需求解"的技术,它使你能够根据需要选择求解器,从而实现对设 计过程的完全控制。Ansoft Designer实现了“所见即所得”的自动化版图功能,版图与原理图自动同步,大大提高了版图设计效率。同时, Ansoft还能方便地与其他设计软件集成到一起,并可以和测试仪器连接,完成各种设计任务,如频率合成器,锁相环,通信系统,雷达系统以及放大器,混频 器,滤波器,移相器,功率分配器,合成器和微带天线等。主要应用于:射频和微波电路的设计,通信系统的设计,电路板和模块设计,部件设计。现在最新的版本 是Ansoft Designer 2.1。

   

        Ansoft HFSS,是Ansoft公司推出的三维电磁仿真软 件;是世界上第一个商业化的三维结构电磁场仿真软件,业界公认的三维电磁场设计和分析的电子设计工业标准。HFSS提供了一简洁直观的用户设计界面、精确 自适应的场解器、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。HFSS软件拥有强大的天线设计功能,它 可以计算天线参量,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。使用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。而且,由Ansoft HFSS和Ansoft Designer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,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。现在最新的版本是 Ansoft HFSS 9.2。

        Microwave Office,是AWR公司推出的微波EDA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"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。MWO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。

        XFDTD,是Remcom公司推出的基于时域有限差分法 (FDTD)的三维全波电磁场仿真软件。XFDTD用户界面友好、计算准确;但XFDTD本身没有优化功能,须通过第三方软件Engineous完成优 化。该软件最早用于仿真蜂窝电话,长于手机天线和SAR计算。现在广泛用于无线、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。软件 最新版本为 XFDTD 6.0

        Zeland IE3D,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。IE3D可分为MGRID、MODUA和PATTERNVIEW三部分;MGRID为IE3D的前处理套件,功能有 建立电路结构、设定基板与金属材料的参数和设定模拟仿真参数;MOODUA是IE3D的核心执行套件,可执行电磁场的模拟仿真计算、性能参数(Smith 园图,S参数等)计算和执行参数优化计算;PATTERNVIEW是IE3D的后处理套件,可以将仿真计算结果,电磁场的分布以等高线或向量场的形式显示 出来。IE3D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;应用范围主要是在微波 射频电路、多层印刷电路板、平面微带天线设计的分析与设计。软件最新版本为Zeland IE3D10.0。

        CST MICROWAVE STUDIO, 是德国CST(Computer Simulation Technology)公司推出的高频三维电磁场仿真软件。广泛应用于移动通信、无线通信(蓝牙 系统)、信号集成和电磁兼容等领域。微波工作室使用简洁,能为用户的高频设计提供直观的电磁特性。微波工作室除了主要的时域求解器模块外,还为某些特殊应 用提供本征模及频域求解器模块。CAD文件的导入功能及SPICE参量的提取增强了设计的可能性并缩短了设计时间。另外,由于CST设计工作室的开放性体 系结构能为其它仿真软件提供链接,使微波工作室与其它设计环境相集成。

        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。

        其他的微波射频相关的EDA软件还有Ansoft公司的Serenade 8.71、Esemble 8.0、SIwave 2.0、 Ansoft Links 3.0、Optimatrics,CST公司的CST Mafia 4.1、CST Design Studio、 CST EM Studio 2.0,Zeland公司的Fidelity,Ansys公司的Ansys、FEKO,Eagleware-Elanix公 司的Eagleware Genesys,和Super NEC等。

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