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)功能強大主要應(yīng)用領(lǐng)域相
當廣泛特別是當前在移動通信無線設(shè)計信號完整性和電磁兼容(EMC)等方面顯得更加
突出本文針對典型的商業(yè)化微波EDA 軟件進行分類對比簡要介紹了它們各自的功能
特點和適用范圍本文為從事微波電路與系統(tǒng)設(shè)計者對微波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
1 引言
微波系統(tǒng)的設(shè)計越來越復(fù)雜對電路的指標要求越來越高電路的功能越來越多電路
的尺寸要求越做越小而設(shè)計周期卻越來越短傳統(tǒng)的設(shè)計方法已經(jīng)不能滿足系統(tǒng)設(shè)計的需
要使用微波EDA 軟件工具進行微波元器件與微波系統(tǒng)的設(shè)計已經(jīng)成為微波電路設(shè)計的必
然趨勢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 都面臨著一個嶄新的發(fā)展階段電路的設(shè)
計與工藝研制日益復(fù)雜化如何進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)計的一個焦點而EDA 技術(shù)是設(shè)計的關(guān)鍵EDA 技術(shù)的范疇包括電子工程設(shè)
計師進行產(chǎn)品開發(fā)的全過程以及電子產(chǎn)品生產(chǎn)過程中期望由計算機提供的各種輔助功能
一方面EDA 技術(shù)可為系統(tǒng)級電路級和物理實現(xiàn)級三個層次上的輔助設(shè)計過程另一方面
EDA 技術(shù)應(yīng)包括電子線路從低頻到高頻從線性到非線性從模擬到數(shù)字從分立電路到
集成電路的全部設(shè)計過程[1-2]
隨著無線和有線設(shè)計向更高頻率的發(fā)展和電路復(fù)雜性的增加對于高頻電磁場的仿真
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時許多易于出錯的
無源模式是由于微帶線或帶狀線的交叉階梯彎曲開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)通過電路仿真得到準確的非連
續(xù)模式S 參數(shù)
這些EDA 仿真軟件與電磁場的數(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)
值分析方法來進行仿真的通常數(shù)值解法分為顯示和隱示算法隱示算法包括所有的頻
域方法隨著問題的增加表現(xiàn)出強烈的非線性顯示算法例如FDTD FIT 方法在處理
問題時表現(xiàn)出合理的存儲容量和時間
本文根據(jù)電磁仿真工具所采用的數(shù)值解法進行分類對常用的微波EDA 仿真軟件進行
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
善起來的大型綜合設(shè)計軟件是美國安捷倫公司開發(fā)的大型綜合設(shè)計軟件是為系統(tǒng)和電路
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工程師提供的可開發(fā)各種形式的射頻設(shè)計對于通信和航天防御的應(yīng)用從最簡單到最復(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上運行其前身是工作站運行的版本MDS
Microwave Design System 該軟件還提供了一種新的濾波器的設(shè)計引導(dǎo)可以使用智能
化的設(shè)計規(guī)范的用戶界面來分析和綜合射頻微波回路集總元濾波器并可提供對平面電路
進行場分析和優(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)用戶的
需要自動產(chǎn)生關(guān)鍵的無源器件模式該軟件范圍涵蓋了小至元器件大到系統(tǒng)級的設(shè)計和分
析尤其是其強大的仿真設(shè)計手段可在時域或頻域內(nèi)實現(xiàn)對數(shù)字或模擬線性或非線性電路
的綜合仿真分析與優(yōu)化并可對設(shè)計結(jié)果進行成品率分析與優(yōu)化從而大大提高了復(fù)雜電路
的設(shè)計效率使之成為設(shè)計人員的有效工具 [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)計的EDA 工具SonnetTM 應(yīng)用于平面高頻電磁
場分析頻率從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
器帶狀線電路帶狀線濾波器過孔層的連接或接地偶合線分析PCB 板電路分析
PCB 板干擾分析橋式螺線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分析平面天線陣分析平面偶合孔的分析
等
2.3 IE3D 仿真軟件
IE3D 是一個基于矩量法的電磁場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線電線和其它形式的RF 天線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非常有用的工具
2.4 Microwave Office 軟件介紹
“Microwave Office”軟件是通過兩個模擬器來對微波平面電路進行模擬和仿真的對于
由集總元件構(gòu)成的電路用電路的方法來處理較為簡便該軟件設(shè)有VoltaireXL 的模擬
器來處理集總元件構(gòu)成的微波平面電路問題而對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的方法較為有效該軟件采用的是”EMSight”的模擬器來處理任何多
層平面結(jié)構(gòu)的三維電磁場的問題
“VoltaireXL” 模擬器內(nèi)設(shè)一個元件庫在建立電路模型時可以調(diào)出微波電路所用的元
件其中無源器件有電感電阻電容諧振電路微帶線帶狀線同軸線等等非線性
器件有雙極晶體管 場效應(yīng)晶體管二極管等等
”EMSight”模擬器是一個三維電磁場模擬程序包可用于平面高頻電路和天線結(jié)構(gòu)的分
析特點是把修正譜域矩量法與直觀的視窗圖形用戶界面(GUI)技術(shù)結(jié)合起來使得計算速
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載牽引提
高對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某些
復(fù)雜問題的仿真更加有效
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3 基于時域有限差分的微波仿真軟件
基于時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高頻問題而專門開
發(fā)的EDA 工具是基于PC 機Windows 環(huán)境下的仿真軟件它主要應(yīng)用在復(fù)雜設(shè)計和更高
的諧振結(jié)構(gòu)CST DS 通過散射參數(shù)使電磁場元件結(jié)合在一起把復(fù)雜的系統(tǒng)分離成更小的
子單元通過對系統(tǒng)每一個單元行為的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)分成小部分而沒有影響系統(tǒng)的
準確性
傳統(tǒng)的電路仿真軟件仿真是快速的但是當考慮集膚效應(yīng)損耗和材料的復(fù)雜性結(jié)果
的準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)用在仿真電磁場領(lǐng)域包括大多數(shù)的高頻電磁
場問題上移動通信無線設(shè)計信號完整性和電磁兼容(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 封裝各種類型天線微波元器件藍牙技術(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)格的時域有限差分方法的全三維電磁 場仿真器可以解決
具有復(fù)雜填充介質(zhì)求解域的場分布問題仿真結(jié)果包括S- Y- Z-參數(shù)VSWR RLC 等
效電路近場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)的問題它在微波/毫米波集成電路MMIC RF 印制板電路微帶天線線電線和其它
形式的RF 天線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 的特點有1)可對真正的三維金屬和非絕緣介質(zhì)結(jié)構(gòu)進行建模2)高效高
準確非均勻網(wǎng)格的FDTD 仿真引擎3)能方便地對分析目標排列定位和幾何結(jié)構(gòu)的編輯與檢
查4 可對非各向同性介質(zhì)填充的同軸波導(dǎo)和矩形波導(dǎo)進行建模5 具有自動網(wǎng)格生成功
能網(wǎng)格優(yōu)化功能和對輸入的幾何結(jié)構(gòu)進行單獨網(wǎng)格生成功能6 預(yù)定義同軸微帶矩
形波導(dǎo)和用戶定義端口7 不同邊界條件的實現(xiàn)如PML 8 集成的預(yù)處理和后處理功
能包括S 參數(shù)提取和時域信號顯示9 輻射方向圖的計算近場動態(tài)顯示功能10 具
有切片顯示功能的三維和二維電場磁場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 平面波激勵和SAR 計算功能
3.3 IMST Empire 仿真軟件
IMST Empire 是一種3D 電磁場仿真軟件它是一種基于3D 的時域有限差分的方法
這種方法已經(jīng)變成RF 元件設(shè)計的標準它的應(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EMC 問題EMPIRE 基本覆蓋了RF 設(shè)計3D 場仿真的整個領(lǐng)域根
據(jù)用戶的定義的頻率范圍一次的仿真的運行就可以得到散射參數(shù)輻射參數(shù)和輻射場圖
對于結(jié)構(gòu)的定義3D 編輯器集成到EMPIRE 軟件中AUTOCADTM 是一個流行的機械畫
圖工具可以在EMPIRE 環(huán)境中使用監(jiān)視窗口和動畫可以給出電磁波的現(xiàn)象并獲得準
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 是世界上第一個商業(yè)化的三維結(jié)構(gòu)電磁場仿真軟件可分析仿真任意三維
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無源結(jié)構(gòu)的高頻電磁場可直接得到特征阻抗傳播常數(shù)S 參數(shù)及電磁場輻射場天線
方向圖等結(jié)果該軟件被廣泛應(yīng)用于無線和有線通信計算機衛(wèi)星雷達半導(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利技術(shù)集成了工業(yè)
標準的建模系統(tǒng)提供了功能強大使用靈活的宏語言直觀的后處理器及獨有的場計算器
可計算分析顯示各種復(fù)雜的電磁場并利用Optimetrics 可對任意的參數(shù)進行優(yōu)化和掃描分
析
使用Ansoft HFSS 可以計算1 基本電磁場數(shù)值解和開邊界問題近遠場輻射問題
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)計中起到越來越重要的作用大幅
度降低了產(chǎn)品的開發(fā)周期和研制費用基本可以做到一次設(shè)計一次完成仿真結(jié)果與實驗
測試結(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
提高仿真軟件的運行效率需要有準確的模式與之相匹配和更精確數(shù)值分析方法目前在
我國比較流行使用的電路仿真工具Ailgent 公司的ADS 和電磁場仿真工具Ansoft 公司的
HFSS 現(xiàn)在各公司的競爭越來越激烈如何在最短的時間內(nèi)計算出最精確的結(jié)果是各軟件
公司所追求的目標
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