微波射频仿真软件介绍

微波射频仿真软件介绍

射频EDA仿真软件介绍（包括算法，原理）

一、前言

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。

EDA即Electronic Design Automation, 电子设计自动化。目前,国外各种商业化的微波EDA 软件工具不断涌现，微波射频领域主要的EDA 工具首推Agilent 公司的ADS软件和Ansoft公司的HFSS、Designer软件以及CST，其次是比较小型的有Microwave Office, Ansoft Serenade, Zeland, XFDTD, Sonnet，FEKO 等电路设计软件。下面将会将会简要地介绍一下各个微波EDA软件的功能特点和使用范围。

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, 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。

电磁学问题的数值求解方法总的可分为时域和频域两大类。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 -- Boundary Element Methed），和传输线法( TLM -- Transmission-Line-matrix Method）。频域技术发展得比较早，也比较成熟。在时域，数值算法有：时域有限差分法( FDTD –Finite Difference Time Domain ），和时域有限积分法( FITD –Finite Integration Time Domain）。时域法的引入是基于计算效率的考虑，某些问题在时域中讨论起来计算量要小。例如求解目标对冲激脉冲的早期响应时，频域法必须在很大的带宽内进行多次采样计算，然后做傅里叶反变换才能求得解答，计算精度受到采样点的影响。若有非线性部分随时间变化，采用时域法更加直接。除此之外外还有一些高频方法作为补充，如GTD，UTD和射线理论。

从求解方程的形式看，可以分为积分方程法（IE）和微分方程法（DE）。IE 和DE相比，有如下特点：IE法的求解区域维数比DE法少一维，误差限于求解区域的边界，故精度高；IE法适合求无限域问题，DE法此时会遇到网格截断问题；IE法产生的矩阵是满的，阶数小，DE法所产生的是稀疏矩阵，但阶数大；IE法难以处理非均匀、非线性和时变媒质问题，DE法可直接用于这类问题。

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。

二、基于矩量法MOM仿真的微波EDA仿真软件

矩量法将连续方程离散化为代数方程组，既适用于求解微分方程，又适用于求解积分方程。他的求解过程简单，求解步骤统一，应用起来比较方便。然而需要一定的数学技巧，如离散化的程度、基函数与权函数的选取，矩阵求解过程等。另外必须指出的是，矩量法可以达到所需要的精确度，解析部分简单，可计算量很大，即使用高速大容量计算机，计算任务也很繁重。矩量法在天线分析和电磁场散射问题中有比较广泛地应用，已成功用于天线和天线阵的辐射、散射问题、微

带和有耗结构分析、非均匀地球上的传播及人体中电磁吸收等。

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、Zeland IE3D、Microwave office、Ansoft Designer和FEKO等。

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。现在最新的版本是ADS2006B。

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。现在最新的版本是Sonnet Suite pro 9.5.2。

2.3 Zeland 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。

IE3D可能是最好的商业MoM套件。MoM原理相对简单，且计算速度极快。IE3D

比较适合2.5维情形，例如算算PCB或者微带天线比较合适，算复杂3D结构力不从心。但是，手机PIFA的计算就比较适合用IE3D。不是用于做天线项目仿真，而是用于研究天线的基本特征，天线和PCB如何相互耦合、PCB上激发的表面电流走向等原型阶段的预研。软件最新版本为Zeland IE3D10.0。

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。软件最新版本为Microwave Office2006。

2.5 Ansys公司的FEKO 软件介绍

FEKO 是针对天线设计、天线布局与电磁兼容性分析而开发的专业电磁场分析软件，它基于矩量法（MoM：Method of Moment），拥有高效的多层快速多极子法，并将矩量法与高频分析方法（物理光学PO：Physical Optics，一致性绕射理论UTD：Uniform Theory of Diffraction）完美结合，从而非常适合于分析天线设计中的各类电磁场分析问题：对于电小结构的天线，FEKO中可以采用完全的矩量法进行分析；对于具有电小与电大尺寸混合结构的天线，FEKO中既可以采用多层快速多极子法，又可以采用混合方法：用矩量法分析电小结构部分，而用高频方法分析电大结构部分。而且，FEKO支持天线工程中的各种激励方式，输出天线的各种电性能参数。它可以计算非常复杂的3D结构和环境，擅长电大尺寸，常被用做飞机电磁性能的建模和仿真。软件最新版本为FEKO 5.2。

2.6 Ansoft Designer

Designer是Ansoft公司推出的微波电路和通信系统仿真软件；它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 3.0。

2.7 SuperNEC

采用MoM法，要使用MatLab平台。这个会限制它的计算速度，因为MatLab是行解释型的，代码不编译。

三、基于时域有限差分法FDTD的微波仿真软件

FDTD用有限差分式替代时域麦克斯韦旋度方程中的微分式，得到关于场分量的有限差分式，针对不同的研究对象，可在不同的坐标系中建模，因而具有这几个优点，容易对复杂媒体建模，通过一次时域分析计算，借助傅里叶变换可以得到整个同带范围内的频率响应；能够实时在现场的空间分布，精确模拟各种辐射体和散射体的辐射特性和散射特性；计算时间短。但是FDTD分析方法由于受到计算机存储容量的限制，其网格空间不能无限制的增加，造成FDTD方法不能适用于较大尺寸，也不能适用于细薄结构的媒质。因为这种细薄结构的最小尺寸比

FDTD网格尺寸小很多，若用网格拟和这类细薄结构只能减小网格尺寸，而这必然导致计算机存储容量的加大。因此需要将FDTD与其他技术相结合，目前这种技术正蓬勃发展，如时域积分方程／FDTD方法，FDTD／MOM等。FDTD的应用范围也很广阔，诸如手持机辐射、天线、不同建筑物结构室内的电磁干扰特性研究、微带线等。目前所有FDTD的软件都是采用PML吸收边界条件。

基于时域有限差分的仿真软件包括：Zeland FIDELITY、IMST Empire和XFDTD 等。

3.1 Zeland 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

3.2 IMST Empire 仿真软件

IMST Empire是非常优秀的高频电磁场套件，德国人的东西。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。获得欧洲多次仿真大赛的优胜，仿真题目是一个Vivalti天线，速度最快，又最准确。但是正如德国人的问题，好是好，但又有太过明显缺陷。建模法太复杂，学起来比较困难。软件最新版本为IMST Empire 4.12。

3.3 XFDTD 仿真软件

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。经常和很多测试SAR的硬件系统联系在一起，在加载人体电磁模型后可以计算SAR值。缺点是天线Pattern没有3D显示，只有2D截面。这个缺点已在新版本中改进。软件最新版本为XFDTD 6.0。

四、基于有限元的微波EDA仿真软件

将有限元法移植到电磁工程领域还是二十世纪六七十年代的事情，它比较新颖。有限元法的优点是适用于具有复杂边界形状或边界条件、含有复杂媒质的定解问题。这种方法的各个环节可以实现标准化，得到通用的计算程序，而且有较高的计算精度。但是这种方法的计算程序复杂冗长，由于他是区域性解法，分割的元素数和节点数较多，导致需要的初始数据复杂繁多，最终得到的方程组的元数很大，这使得计算时间长，而且对计算机本身的存储也提出了要求。

4.1 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。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。软件最新版本为ansoft HFSS 10。

五、基于时域有限积分FITD的微波仿真软件 CST MICROWAVE STUDIO

CST的Microwave Studio，大家一直以为它是采用FDTD方法进行仿真，其实它是时域积分法（FITD），当然其实两种方法比较接近。和FEM方法不同，FDTD

或者FITD都是先在时域计算，用一个宽频谱的激励信号（方波或者高斯波都有）去激励模型，在时域计算然后去反演到频域。系统的网络参数和场参数基本上是反演后的得到的。特点是可以计算相当大的带宽结果，而不需要象用HFSS，可能要把大带宽分割后分别仿真。CST计算过程中，由于没有FEM计算过程中矩阵求逆过程，计算时间和网格数成线性增长关系，而FEM的是指数增长关系。CST 的MWS从4.3版起，开始有了大小网格嵌套技术，在曲面上细化六面体网格逼进曲面。这是其它FDTD套件所没有的。CST的MWS最大的问题是不象HFSS的那么傻瓜化，很多参数即使看了help也不是很能让人理解。如果很深入了解MWS内部细节，估计可以一次性不用收敛做出完美的仿真。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。软件最新版本为 CST 2006B。yy 注：现已有2008版

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 EM Studio 2.0，Ansys公司的Ansys，Eagleware-Elanix公司的Eagleware Genesys及其它SemCAD、ADF－EMS、Aplac、Conformal FDTD等。这里限于时间篇幅就不一一介绍了。

目前，随着电子计算机技术的发展，相对于经典电磁理论而言，数值方法受边界形状的约束大为减少，可以解决各种类型的复杂问题，但各种数值计算方法都各有优缺点，一个复杂的问题往往难以依靠一种单一方法解决，常需要将多种方法结合起来，互相取长补短，因此混和方法日益受到人们的重视，很多软件也开始逐渐集成利用各种算法进行优化计算，这也是未来电磁场EDA软件发展的趋势。其实对于实际的工程仿真来说，有一个FEM＋FDTD＋MoM的仿真软件组合最好。