平面和全三維EM仿真工具薈萃

電磁(EM)仿真軟件如今不再是奢侈品，而是所有實(shí)際高頻設(shè)計(jì)中的基本工具。過去幾年，市場(chǎng)上商用化電磁仿真軟件的數(shù)量穩(wěn)步增長(zhǎng)，這為射頻/微波設(shè)計(jì)工程師提供了前所未有的眾多的EM仿真器選擇，包括用于平面以及全三維結(jié)構(gòu)分析的軟件。這些EM工具中的大多數(shù)都可以無縫地鏈接到其它計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)工具，如線性和非線性電路仿真器，也可以與版圖編輯器甚至優(yōu)化器一起，作為CAE軟件套件的一部分。 EM仿真器有許多種，它們的功能也不盡相同。例如，基于瞬時(shí)方法(MoM)或有限元方法(FEM)分析的軟件可以提供平面結(jié)構(gòu)周圍電場(chǎng)和磁場(chǎng)的快速預(yù)測(cè)和兩維(2D)可視化。平面3D EM仿真器可以顯示三維電流流向，能應(yīng)用于許多平面電路。針對(duì)全三維分析，使用有限差分時(shí)域(FDTD)技術(shù)的仿真器可以提供最詳盡的分析細(xì)節(jié)，但對(duì)運(yùn)算能力和處理時(shí)間的要求最高。 在可能包含有線性和非線性電路仿真器、版圖工具和優(yōu)化工具的軟件工具集或套件中，可以找到許多可用的EM仿真器。例如，Computer Simulation Technology(CST)公司在其CST STUDIO SUITE中提供各種基于EM的軟件工具。這些工具可以相互補(bǔ)充，其中包括可以簡(jiǎn)化將EM仿真應(yīng)用于解決高頻問題的CST MICROWAVE STUDIO、允許對(duì)各種仿真器提供的結(jié)果進(jìn)行整合和分析的CST DESIGN STUDIO，以及專門用于分析靜態(tài)低頻結(jié)構(gòu)的CST EM STUDIO。 除了提供基于EM的產(chǎn)品，CST公司在還從Flomerics公司收購(gòu)了多個(gè)EM產(chǎn)品線及相關(guān)技術(shù)，包括MicroStripes和FLO/EMC產(chǎn)品。今年早些時(shí)候，公司在其CST Studio Suite中增加了兩個(gè)新產(chǎn)品，即CST PCB STUDIO和CST CABLE STUDIO。前者用于分析PCB的電磁干擾(EMI)和電磁兼容性(EMC)，包括模擬、數(shù)字、混合信號(hào)和電源問題。后者用于分析電纜線束系統(tǒng)中的信號(hào)完整性(SI)、EMC和EMI效應(yīng)，并用來優(yōu)化單束線和電纜組件的屏蔽、重量和尺寸。 Ansoft公司的高頻結(jié)構(gòu)仿真器(HFSS)軟件非常有名。該軟件可以用來對(duì)高頻/高速元件、電路、連接器和天線進(jìn)行全波EM仿真。最新版本HFSS v11在早期版本的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)EM軟件基礎(chǔ)上作了大量改進(jìn)，包括新的更高層次基本功能，以及針對(duì)大型多波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生更小網(wǎng)格和更高精度解決方案的迭代解算器。另外，HFSS v11還能對(duì)Floquet端口進(jìn)行分析，可用于分析頻率選擇性材料和相控陣列天線。 Ansoft公司通過Ansoft Designer環(huán)境集成了許多軟件工具。通過該環(huán)境可以訪問HFSS、Nexxim電路仿真器和SIwave信號(hào)完整性分析工具。Ansoft還在網(wǎng)站上提供了許多有用的文獻(xiàn)資料，包括有篇長(zhǎng)達(dá)58頁的詳細(xì)文檔(可從www.ansoft.com/converge/直接下載)。該文檔是Ansoft歐洲公司應(yīng)用工程師Nick Campbell博士編寫的，文中詳細(xì)介紹了針對(duì)CMOS低噪聲放大器(LNA)和壓控振蕩器(VCO)進(jìn)行的封裝EM仿真。 Applied Wave Research公司擁有高頻設(shè)計(jì)工具的全功能Microwave Office套件，EMSight EM仿真器就是該套件提供的設(shè)計(jì)工具之一。Microwave Office套件也可以與第三方軟件一起工作，如APLAC的電路仿真器。另外，該公司最近創(chuàng)建了EM Socket開放標(biāo)準(zhǔn)接口，這樣無需離開Microwave Office環(huán)境就能訪問各種EM工具，包括來自CST、Flomerics、Optimal、Sonnet Software和Zeland Software公司的EM仿真器。 EMSight是針對(duì)閉合邊界問題設(shè)計(jì)的，前提是有問題的電路被包含在矩形傳導(dǎo)盒中。與EMSight不同，該公司最近推出的AXIEM是一種開放邊界的解算器，它假設(shè)電路或結(jié)構(gòu)處于自由空間。AXIEM非常適合用來分析各種高頻設(shè)計(jì)，包括PCB、集成電路和LTCC電路。AXIEM也非常適合用于處理任意形狀的結(jié)構(gòu)，且處理這些問題所需的時(shí)間更短。 安捷倫科技公司已推出第5版本的全波三維EM建模和驗(yàn)證工具Antenna Modeling Design System(AMDS)。該工具的許可來自State College，PA的開發(fā)公司Remcom，最初版本發(fā)布于去年6月份。最新版的EM天線仿真器為性能優(yōu)化和復(fù)雜設(shè)計(jì)(如蜂窩電話中使用的小片陣列天線)的自動(dòng)化提供了腳本描述特性。利用這個(gè)軟件工具，設(shè)計(jì)工程師可以通過使用方程定義復(fù)雜天線的幾何形狀來優(yōu)化性能。安捷倫已將EMDS完全集成到Advanced Design System(ADS)電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化(EDA)軟件平臺(tái)中，可用加快從版圖到EM模型的轉(zhuǎn)換速度。通過ADS平臺(tái)還能訪問該公司的平面EM仿真工具M(jìn)omentum。 Remcom公司提供廣范圍的EM產(chǎn)品和功能，包括最新版的XFdtd軟件(6.5版本)。XFdtd是一種基于FDTD方法的全波三維EM解算器，它采用快速網(wǎng)格算法來加快分析速度，支持硬件加速和群集運(yùn)算。 Zeland Software公司的FIDELITY FDTD全三維仿真器(5.5版本)用于對(duì)高頻電路、器件和天線進(jìn)行建模，并進(jìn)行EMI和EMC的研究。該軟件可以自動(dòng)產(chǎn)生不均勻的網(wǎng)格，從而對(duì)具有復(fù)雜電介配置的平面和三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模。FIDELITY提供多種兩維和三維圖形，以便實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)周圍電磁場(chǎng)的可視化。最新版的FIDELITY包括硬件加速功能、改進(jìn)的端口去嵌入功能以及案例研究用戶手冊(cè)。 該公司的IE3D EM設(shè)計(jì)系統(tǒng)(版本14)是一種采用全波方法的瞬時(shí)EM仿真器，被廣泛用于高頻集成電路和高密封裝電路設(shè)計(jì)，如毫米波電路和LTCC電路，是設(shè)計(jì)天線和高溫超導(dǎo)(HTS)電路的一個(gè)強(qiáng)大工具。 Sonnet Software公司是一家創(chuàng)新型平面EM分析工具的開發(fā)商和供應(yīng)商，能提供全系列EM EDA軟件產(chǎn)品。該公司的Sonnet Professional Suite工具主要用于以平面結(jié)構(gòu)為主的三維設(shè)計(jì)，非常適合用來分析三維平面天線和電路，包括共面波導(dǎo)、微波傳輸帶、微帶線、波導(dǎo)、多層PCB以及采用多種技術(shù)的組裝件。針對(duì)需要全三維高頻EM分析的需求，Sonnet已經(jīng)與CST聯(lián)合起來向北美用戶提供和支持CST Microwave Studio。 Sonnet在網(wǎng)站上提供了許多有用的指南，這些指南可以幫助潛在的用戶根據(jù)他們的需求選擇最優(yōu)的EM仿真工具。例如，Sonnet總裁兼創(chuàng)始人Jim Rautio編寫的技術(shù)論文"與高頻平面電磁分析相關(guān)的算法測(cè)試極限"客觀地比較了EM仿真和測(cè)量數(shù)據(jù)，有助于網(wǎng)站訪問人員理解平面EM仿真工具(如Sonnet公司強(qiáng)大的EM仿真軟件)的實(shí)用頻率上限精度。 除了向有資格的用戶提供免費(fèi)30天試用期的全功能評(píng)估版Sonnet Suites外，Sonnet公司的網(wǎng)站上還提供了Sonnet Suites簡(jiǎn)化版Sonnet Lite的免費(fèi)下載。該工具提供對(duì)三維平面電路的全波EM分析功能，非常易學(xué)易用。 EM Explorer公司提供EM Explorer三維EM解算器(版本5)，該軟件非常適用于仿真復(fù)雜電介質(zhì)和復(fù)雜磁性材料的電磁場(chǎng)。這個(gè)基于FDTD方法的三維EM解算器軟件可以提供復(fù)雜的幅度和相位方面的電場(chǎng)和磁場(chǎng)信息。該軟件有32位和64位兩種版本，采用圖形化用戶界面(GUI)，并有用于Windows的控制臺(tái)版本。 有關(guān)更多EM軟件仿真器的信息請(qǐng)?jiān)L問以下公司的網(wǎng)站：Circuit Sage(www.circuitsage.com)、SPEAG (www.speag.com)、SuperNEC(www.supernec.com)和2COMU(www.2comu.com)。 作者：
Jack Browne
技術(shù)總監(jiān)
《Microwaves&RF》