微波EDA 電磁仿真軟件應(yīng)用

微波EDA 電磁仿真軟件應(yīng)用
付佳輝 吳群
哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子與通信工程系微波教研室
哈爾濱市西大直街92 號(hào)工大主樓336 信箱(150001)
Email:qwu@hit.edu.cn
摘要目前各種商業(yè)化的微波EDA 軟件工具不斷涌現(xiàn)功能強(qiáng)大主要應(yīng)用領(lǐng)域相
當(dāng)廣泛特別是當(dāng)前在移動(dòng)通信無(wú)線(xiàn)設(shè)計(jì)信號(hào)完整性和電磁兼容(EMC)等方面顯得更加
突出本文針對(duì)典型的商業(yè)化微波EDA 軟件進(jìn)行分類(lèi)對(duì)比簡(jiǎn)要介紹了它們各自的功能
特點(diǎn)和適用范圍本文為從事微波電路與系統(tǒng)設(shè)計(jì)者對(duì)微波EDA 軟件工具正確選擇和有效
使用提供了有益參考
關(guān)鍵詞EDA 仿真 微波 電磁場(chǎng)
1 引言
微波系統(tǒng)的設(shè)計(jì)越來(lái)越復(fù)雜對(duì)電路的指標(biāo)要求越來(lái)越高電路的功能越來(lái)越多電路
的尺寸要求越做越小而設(shè)計(jì)周期卻越來(lái)越短傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法已經(jīng)不能滿(mǎn)足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需
要使用微波EDA 軟件工具進(jìn)行微波元器件與微波系統(tǒng)的設(shè)計(jì)已經(jīng)成為微波電路設(shè)計(jì)的必
然趨勢(shì)隨著單片集成電路技術(shù)的不斷發(fā)展GaAs 硅為基礎(chǔ)的微波毫米波單片集成電
路MIMIC 和超高速單片集成電路VHSIC 都面臨著一個(gè)嶄新的發(fā)展階段電路的設(shè)
計(jì)與工藝研制日益復(fù)雜化如何進(jìn)一步提高電路性能降低成本縮短電路的研制周期已
經(jīng)成為電路設(shè)計(jì)的一個(gè)焦點(diǎn)而EDA 技術(shù)是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵EDA 技術(shù)的范疇包括電子工程設(shè)
計(jì)師進(jìn)行產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的全過(guò)程以及電子產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中期望由計(jì)算機(jī)提供的各種輔助功能
一方面EDA 技術(shù)可為系統(tǒng)級(jí)電路級(jí)和物理實(shí)現(xiàn)級(jí)三個(gè)層次上的輔助設(shè)計(jì)過(guò)程另一方面
EDA 技術(shù)應(yīng)包括電子線(xiàn)路從低頻到高頻從線(xiàn)性到非線(xiàn)性從模擬到數(shù)字從分立電路到
集成電路的全部設(shè)計(jì)過(guò)程[1-2]
隨著無(wú)線(xiàn)和有線(xiàn)設(shè)計(jì)向更高頻率的發(fā)展和電路復(fù)雜性的增加對(duì)于高頻電磁場(chǎng)的仿真
由于忽略了高階傳播模式而引起仿真的誤差另外傳統(tǒng)模式等效電路分析方法的限制與
頻率相關(guān)電容電感元件等效模型而引起的誤差例如在分析微帶線(xiàn)時(shí)許多易于出錯(cuò)的
無(wú)源模式是由于微帶線(xiàn)或帶狀線(xiàn)的交叉階梯彎曲開(kāi)路縫隙等等在這種情況下是多
模傳輸為此通常采用全波電磁仿真技術(shù)去分析電路結(jié)構(gòu)通過(guò)電路仿真得到準(zhǔn)確的非連
續(xù)模式S 參數(shù)
這些EDA 仿真軟件與電磁場(chǎng)的數(shù)值解法密切相關(guān)的不同的仿真軟件是根據(jù)不同的數(shù)
值分析方法來(lái)進(jìn)行仿真的通常數(shù)值解法分為顯示和隱示算法隱示算法包括所有的頻
域方法隨著問(wèn)題的增加表現(xiàn)出強(qiáng)烈的非線(xiàn)性顯示算法例如FDTD FIT 方法在處理
問(wèn)題時(shí)表現(xiàn)出合理的存儲(chǔ)容量和時(shí)間
本文根據(jù)電磁仿真工具所采用的數(shù)值解法進(jìn)行分類(lèi)對(duì)常用的微波EDA 仿真軟件進(jìn)行
論述
2 基于矩量法仿真的微波EDA 仿真軟件
基于矩量法仿真的EDA 軟件主要包括ADS Advanced Design System Sonnet 電磁仿
真軟件IE3D 和Microwave office
2.1 ADS 仿真軟件
Agilent ADS(Advanced Design System)軟件是在HP EESOF系列EDA軟件基礎(chǔ)上發(fā)展完
善起來(lái)的大型綜合設(shè)計(jì)軟件是美國(guó)安捷倫公司開(kāi)發(fā)的大型綜合設(shè)計(jì)軟件是為系統(tǒng)和電路
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工程師提供的可開(kāi)發(fā)各種形式的射頻設(shè)計(jì)對(duì)于通信和航天防御的應(yīng)用從最簡(jiǎn)單到最復(fù)
雜從離散射頻微波模塊到集成MMIC 從電路元件的仿真模式識(shí)別的提取新的仿真
技術(shù)提供了高性能的仿真特性該軟件可以在微機(jī)上運(yùn)行其前身是工作站運(yùn)行的版本MDS
Microwave Design System 該軟件還提供了一種新的濾波器的設(shè)計(jì)引導(dǎo)可以使用智能
化的設(shè)計(jì)規(guī)范的用戶(hù)界面來(lái)分析和綜合射頻微波回路集總元濾波器并可提供對(duì)平面電路
進(jìn)行場(chǎng)分析和優(yōu)化功能它允許工程師定義頻率范圍材料特性參數(shù)的數(shù)量和根據(jù)用戶(hù)的
需要自動(dòng)產(chǎn)生關(guān)鍵的無(wú)源器件模式該軟件范圍涵蓋了小至元器件大到系統(tǒng)級(jí)的設(shè)計(jì)和分
析尤其是其強(qiáng)大的仿真設(shè)計(jì)手段可在時(shí)域或頻域內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字或模擬線(xiàn)性或非線(xiàn)性電路
的綜合仿真分析與優(yōu)化并可對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行成品率分析與優(yōu)化從而大大提高了復(fù)雜電路
的設(shè)計(jì)效率使之成為設(shè)計(jì)人員的有效工具 [6-7]
2.2 Sonnet 仿真軟件
Sonnet 是一種基于矩量法的電磁仿真軟件提供面向3D 平面高頻電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)以及在
微波毫米波領(lǐng)域和電磁兼容/電磁干擾設(shè)計(jì)的EDA 工具SonnetTM 應(yīng)用于平面高頻電磁
場(chǎng)分析頻率從1MHz 到幾千GHz 主要的應(yīng)用有微帶匹配網(wǎng)絡(luò)微帶電路微帶濾波
器帶狀線(xiàn)電路帶狀線(xiàn)濾波器過(guò)孔層的連接或接地偶合線(xiàn)分析PCB 板電路分析
PCB 板干擾分析橋式螺線(xiàn)電感器平面高溫超導(dǎo)電路分析毫米波集成電路 MMIC
設(shè)計(jì)和分析混合匹配的電路分析HDI 和LTCC 轉(zhuǎn)換單層或多層傳輸線(xiàn)的精確分析
多層的平面的電路分析單層或多層的平面天線(xiàn)分析平面天線(xiàn)陣分析平面偶合孔的分析
等
2.3 IE3D 仿真軟件
IE3D 是一個(gè)基于矩量法的電磁場(chǎng)仿真工具可以解決多層介質(zhì)環(huán)境下的三維金屬結(jié)構(gòu)
的電流分布問(wèn)題它利用積分的方式求解Maxwell 方程組從而解決電磁波的效應(yīng)不連續(xù)
性效應(yīng)耦合效應(yīng)和輻射效應(yīng)問(wèn)題仿真結(jié)果包括s y z 參數(shù)VWSR RLC 等效電路
電流分布近場(chǎng)分布和輻射方向圖方向性效率和RCS 等IE3D 在微波/毫米波集成電
路MMIC RF 印制板電路微帶天線(xiàn)線(xiàn)電線(xiàn)和其它形式的RF 天線(xiàn)HTS 電路及濾波
器IC 的內(nèi)部連接和高速數(shù)字電路封裝方面是一個(gè)非常有用的工具
2.4 Microwave Office 軟件介紹
“Microwave Office”軟件是通過(guò)兩個(gè)模擬器來(lái)對(duì)微波平面電路進(jìn)行模擬和仿真的對(duì)于
由集總元件構(gòu)成的電路用電路的方法來(lái)處理較為簡(jiǎn)便該軟件設(shè)有VoltaireXL 的模擬
器來(lái)處理集總元件構(gòu)成的微波平面電路問(wèn)題而對(duì)于由具體的微帶幾何圖形構(gòu)成的分布參數(shù)
微波平面電路則采用場(chǎng)的方法較為有效該軟件采用的是”EMSight”的模擬器來(lái)處理任何多
層平面結(jié)構(gòu)的三維電磁場(chǎng)的問(wèn)題
“VoltaireXL” 模擬器內(nèi)設(shè)一個(gè)元件庫(kù)在建立電路模型時(shí)可以調(diào)出微波電路所用的元
件其中無(wú)源器件有電感電阻電容諧振電路微帶線(xiàn)帶狀線(xiàn)同軸線(xiàn)等等非線(xiàn)性
器件有雙極晶體管 場(chǎng)效應(yīng)晶體管二極管等等
”EMSight”模擬器是一個(gè)三維電磁場(chǎng)模擬程序包可用于平面高頻電路和天線(xiàn)結(jié)構(gòu)的分
析特點(diǎn)是把修正譜域矩量法與直觀的視窗圖形用戶(hù)界面(GUI)技術(shù)結(jié)合起來(lái)使得計(jì)算速
度加快許多它可以分析射頻集成電路 (RFIC) 微波單片集成電路(MMIC) 微帶貼片天
線(xiàn)和高速印制電路(PCB)等電路的電氣特性
Microwave Office 2002 增加了一些新功能包括濾波器智能綜合智能負(fù)載牽引提
高對(duì)存在的回路的電磁仿真包括振蕩器相位噪聲分析和3D 平面電磁仿真引擎使對(duì)某些
復(fù)雜問(wèn)題的仿真更加有效
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3 基于時(shí)域有限差分的微波仿真軟件
基于時(shí)域有限差分的仿真軟件包括CST MICROWAVE STUDIO FIDELITY 和IMST
Empire
3.1 CST MICROWAVE STUDIO 仿真軟件
CST MICROWAVE STUDIO™ (CST SD)是為快速精確仿真電磁場(chǎng)高頻問(wèn)題而專(zhuān)門(mén)開(kāi)
發(fā)的EDA 工具是基于PC 機(jī)Windows 環(huán)境下的仿真軟件它主要應(yīng)用在復(fù)雜設(shè)計(jì)和更高
的諧振結(jié)構(gòu)CST DS 通過(guò)散射參數(shù)使電磁場(chǎng)元件結(jié)合在一起把復(fù)雜的系統(tǒng)分離成更小的
子單元通過(guò)對(duì)系統(tǒng)每一個(gè)單元行為的S-參數(shù)的描述可以快速的分析和降低系統(tǒng)所需的
內(nèi)存CST DS 它考慮了在子單元之間高階模式的耦合結(jié)構(gòu)分成小部分而沒(méi)有影響系統(tǒng)的
準(zhǔn)確性
傳統(tǒng)的電路仿真軟件仿真是快速的但是當(dāng)考慮集膚效應(yīng)損耗和材料的復(fù)雜性結(jié)果
的準(zhǔn)確性將受到大幅度的影響像CST DS 的3D 仿真軟件克服了這種限制可以解決任意
幾何形狀的下所建立的麥克斯韋方程包括復(fù)雜的材料模式
CST MICROWAVE STUDIO™ 的可以應(yīng)用在仿真電磁場(chǎng)領(lǐng)域包括大多數(shù)的高頻電磁
場(chǎng)問(wèn)題上移動(dòng)通信無(wú)線(xiàn)設(shè)計(jì)信號(hào)完整性和電磁兼容(EMC)等具體應(yīng)用范圍包括耦合
器濾波器平面結(jié)構(gòu)電路聯(lián)結(jié)器IC 封裝各種類(lèi)型天線(xiàn)微波元器件藍(lán)牙技術(shù)和
電磁兼容/干擾等
3.2 FIDELITY 仿真軟件
FIDELITY 是基于非均勻網(wǎng)格的時(shí)域有限差分方法的全三維電磁 場(chǎng)仿真器可以解決
具有復(fù)雜填充介質(zhì)求解域的場(chǎng)分布問(wèn)題仿真結(jié)果包括S- Y- Z-參數(shù)VSWR RLC 等
效電路近場(chǎng)分布波印廷矢量和輻射方向圖等FIDELITY 可以分析非絕緣和復(fù)雜介質(zhì)結(jié)
構(gòu)的問(wèn)題它在微波/毫米波集成電路MMIC RF 印制板電路微帶天線(xiàn)線(xiàn)電線(xiàn)和其它
形式的RF 天線(xiàn)HTS 電路及濾波器IC 的內(nèi)部連接和高速數(shù)字電路封裝EMI 及EMC 方
面的應(yīng)用
FIDELITY 的特點(diǎn)有1)可對(duì)真正的三維金屬和非絕緣介質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模2)高效高
準(zhǔn)確非均勻網(wǎng)格的FDTD 仿真引擎3)能方便地對(duì)分析目標(biāo)排列定位和幾何結(jié)構(gòu)的編輯與檢
查4 可對(duì)非各向同性介質(zhì)填充的同軸波導(dǎo)和矩形波導(dǎo)進(jìn)行建模5 具有自動(dòng)網(wǎng)格生成功
能網(wǎng)格優(yōu)化功能和對(duì)輸入的幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行單獨(dú)網(wǎng)格生成功能6 預(yù)定義同軸微帶矩
形波導(dǎo)和用戶(hù)定義端口7 不同邊界條件的實(shí)現(xiàn)如PML 8 集成的預(yù)處理和后處理功
能包括S 參數(shù)提取和時(shí)域信號(hào)顯示9 輻射方向圖的計(jì)算近場(chǎng)動(dòng)態(tài)顯示功能10 具
有切片顯示功能的三維和二維電場(chǎng)磁場(chǎng)及坡印廷矢量的顯示11 一次仿真即可得到寬帶
頻譜的功能12 平面波激勵(lì)和SAR 計(jì)算功能
3.3 IMST Empire 仿真軟件
IMST Empire 是一種3D 電磁場(chǎng)仿真軟件它是一種基于3D 的時(shí)域有限差分的方法
這種方法已經(jīng)變成RF 元件設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)它的應(yīng)用范圍從分析平面結(jié)構(gòu)互聯(lián)的多端口集
成到微波波導(dǎo)天線(xiàn)EMC 問(wèn)題EMPIRE 基本覆蓋了RF 設(shè)計(jì)3D 場(chǎng)仿真的整個(gè)領(lǐng)域根
據(jù)用戶(hù)的定義的頻率范圍一次的仿真的運(yùn)行就可以得到散射參數(shù)輻射參數(shù)和輻射場(chǎng)圖
對(duì)于結(jié)構(gòu)的定義3D 編輯器集成到EMPIRE 軟件中AUTOCADTM 是一個(gè)流行的機(jī)械畫(huà)
圖工具可以在EMPIRE 環(huán)境中使用監(jiān)視窗口和動(dòng)畫(huà)可以給出電磁波的現(xiàn)象并獲得準(zhǔn)
確的結(jié)果
4 基于有限元的微波EDA 仿真軟件
基于有限元的典型仿真軟件是Ansoft HFSS
Ansoft HFSS 是世界上第一個(gè)商業(yè)化的三維結(jié)構(gòu)電磁場(chǎng)仿真軟件可分析仿真任意三維
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無(wú)源結(jié)構(gòu)的高頻電磁場(chǎng)可直接得到特征阻抗傳播常數(shù)S 參數(shù)及電磁場(chǎng)輻射場(chǎng)天線(xiàn)
方向圖等結(jié)果該軟件被廣泛應(yīng)用于無(wú)線(xiàn)和有線(xiàn)通信計(jì)算機(jī)衛(wèi)星雷達(dá)半導(dǎo)體和微波
集成電路航空航天等領(lǐng)域
Ansoft HFSS 采用自適應(yīng)網(wǎng)格剖分ALPS 快速掃頻切向元等專(zhuān)利技術(shù)集成了工業(yè)
標(biāo)準(zhǔn)的建模系統(tǒng)提供了功能強(qiáng)大使用靈活的宏語(yǔ)言直觀的后處理器及獨(dú)有的場(chǎng)計(jì)算器
可計(jì)算分析顯示各種復(fù)雜的電磁場(chǎng)并利用Optimetrics 可對(duì)任意的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化和掃描分
析
使用Ansoft HFSS 可以計(jì)算1 基本電磁場(chǎng)數(shù)值解和開(kāi)邊界問(wèn)題近遠(yuǎn)場(chǎng)輻射問(wèn)題
2 端口特征阻抗和傳輸常數(shù)3 S 參數(shù)和相應(yīng)端口阻抗的歸一化S 參數(shù)4 結(jié)構(gòu)的本征
模或諧振解
5 結(jié)論
隨著EDA 技術(shù)的發(fā)展電磁仿真軟件在微波產(chǎn)品設(shè)計(jì)中起到越來(lái)越重要的作用大幅
度降低了產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期和研制費(fèi)用基本可以做到一次設(shè)計(jì)一次完成仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)
測(cè)試結(jié)果非常相近但隨著頻率的增加和電路復(fù)雜性的增加為了獲得更精確的仿真結(jié)果和
提高仿真軟件的運(yùn)行效率需要有準(zhǔn)確的模式與之相匹配和更精確數(shù)值分析方法目前在
我國(guó)比較流行使用的電路仿真工具Ailgent 公司的ADS 和電磁場(chǎng)仿真工具Ansoft 公司的
HFSS 現(xiàn)在各公司的競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈如何在最短的時(shí)間內(nèi)計(jì)算出最精確的結(jié)果是各軟件
公司所追求的目標(biāo)
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