微波EDA電磁場(chǎng)仿真軟件評(píng)述

引言

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)可分為系統(tǒng)級(jí)、電路級(jí)和物理實(shí)現(xiàn)級(jí)3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(jì)過(guò)程。

隨著無(wú)線電系統(tǒng)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。特別是射頻集成電路和微渡集成電路，對(duì)傳統(tǒng)的低頻模擬和數(shù)字電路的設(shè)計(jì)方法提出了新挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)包括器件和處理過(guò)程的變化、分布傳輸線的非連續(xù)模式和電磁(EM)耦合的變化。同時(shí)，設(shè)計(jì)還必須考慮半導(dǎo)體材料(GaAs.siGe，InP)的特性，而材料問(wèn)題和工作在微波頻率下所建立模型的精確化問(wèn)題則是更大的挑戰(zhàn)。

這些EDA仿真軟件與電磁場(chǎng)的數(shù)值解法密切相關(guān)，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)值解法分為顯式和隱式算法，隨著問(wèn)題的增加，隱式算法(包括所有的頻域方法)表現(xiàn)出強(qiáng)烈的非線性。顯式算法(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，對(duì)常用的微波EDA仿真軟件進(jìn)行評(píng)述。

1 基于矩量法的微波EDA仿真軟件

基于矩量法(MM)仿真的EDA軟件主要包括ADS(Advanced Design sysIem)、sonnet電磁仿真軟件、Zeland公司的IE3D、Micowave office和Ansys公司的FEKO。

1.1 ADS軟件

Agilent ADS是美國(guó)安捷倫公司在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，為系統(tǒng)和電路設(shè)計(jì)人員提供可開(kāi)發(fā)各種形式射頻設(shè)計(jì)的有力工具，應(yīng)用面涵蓋從射頻/微波模塊到集成MMIc。該軟件可以在微機(jī)上運(yùn)行，其前身是工作站運(yùn)行版本MDS(Micmwave Design System)。ADS軟件還提供了一種新的濾波器設(shè)計(jì)指導(dǎo)，可以使用智能化用戶界面來(lái)分析和綜合射頻/微波電路，并可對(duì)平面電路進(jìn)行場(chǎng)分析和優(yōu)化。它允許用戶定義頻率范圍、材料特性、參數(shù)的數(shù)量和根據(jù)用戶的需要自動(dòng)產(chǎn)生關(guān)鍵的無(wú)源器件模型。該軟件范圍涵蓋了小至元器件芯片，大到系統(tǒng)級(jí)的設(shè)計(jì)和分析。尤其可在時(shí)域或頻域內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行成品率分析與優(yōu)化，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。

ADS仿真軟件在國(guó)內(nèi)各大學(xué)和研究所已得到廣泛的應(yīng)用，是仿真軟件中的佼佼者。它是一種綜合性的設(shè)計(jì)軟件，可以完成對(duì)電路和場(chǎng)結(jié)構(gòu)的仿真。快速的電路仿真為設(shè)計(jì)者提供初始的設(shè)計(jì)結(jié)果，然后通過(guò)矩量法仿真得到準(zhǔn)確的結(jié)果。ADS提供了對(duì)不同電路的設(shè)計(jì)指導(dǎo)，包括濾波器、放大器、藍(lán)牙、混頻器、振蕩器和無(wú)源器件的設(shè)計(jì)，在2003A版本中還增加了對(duì)單片微波集成電路的設(shè)計(jì)，使設(shè)計(jì)更加方便。

1.2 Sonnet軟件

sonnet軟件公司是全球領(lǐng)先的以電磁場(chǎng)技術(shù)為核心的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化專業(yè)軟件商。其主要業(yè)務(wù)是開(kāi)發(fā)、推廣并在技術(shù)上支持它的高端技術(shù)軟件產(chǎn)品。sonnet公司開(kāi)發(fā)的3D平面電磁場(chǎng)分析軟件，憑借其在單層和多層平面電路和天線上的精確、快速的分析能力，贏得了世界上幾百家客戶的贊譽(yù)。

sonnet是一種基于矩量法的電磁仿真軟件，提供面向3D的高頻電路設(shè)計(jì)，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。sonnet應(yīng)用于高頻電磁場(chǎng)分析，頻率從lMHz到數(shù)十GHz。主要應(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(guò)孔(層的連接或接地)、耦合線分析、PCB板電路分析、PCB板電磁干擾分析、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(jì)和分析、混合匹配的電路分析、HDI和LTCC轉(zhuǎn)換、單層或多層傳輸線的精確分析、多層的平面電路分析、單層或多層的平面天線分析、平面天線陣分析、平面耦合孔的分析等。

1.3 IE3D軟件

IE3D是zeland公司開(kāi)發(fā)的一種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)、VSWR、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(MMlC)、RF印制板電路、微帶天線、線天線和其它形式的RF天線、HTS電路及濾波器、Ic的互聯(lián)和高速數(shù)字電路封裝方面是一個(gè)非常有用的工具。

1.4 Microwave Office軟件

Microwave Office軟件是Applied Wave Research公司開(kāi)發(fā)的高頻電磁仿真軟件，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模擬器用來(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)平面電路則采用場(chǎng)的方法較為有效，該軟件采用“EMSight”模擬器處理任何多層平面結(jié)構(gòu)的三維電磁場(chǎng)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、帶狀線、同軸線等等，非線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結(jié)構(gòu)的分析。其特點(diǎn)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(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)、微帶貼片天線和高速印制電路(PCB)等的電氣特性。

Microwave Office 2002增加了一些新功能，包括濾波器智能綜合、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。

1.5 FEKO軟件

FEKO是Ansys公司開(kāi)發(fā)的以矩量法為核心算法的高頻電磁仿真軟件。由于其基于嚴(yán)格的積分方程方法，因此只要硬件條件許可，就可以求解任意復(fù)雜結(jié)構(gòu)的電磁問(wèn)題。為了在當(dāng)前的計(jì)算機(jī)硬件條件下完成大尺寸復(fù)雜結(jié)構(gòu)(一般從數(shù)值計(jì)算的角度定義為，待分析目標(biāo)尺寸超過(guò)10個(gè)波長(zhǎng))的計(jì)算，本軟件還提供了專用于大尺寸問(wèn)題的高頻方法——物理光學(xué)方法(PO)和一致性幾何繞射理論(UTD)。

FEK0真正實(shí)現(xiàn)了MM方法和PO/UTD的混合，因此完全可以根據(jù)用戶的需要進(jìn)行快速精確的電磁計(jì)算。當(dāng)問(wèn)題的電尺寸太大時(shí)，就可考慮使用本產(chǎn)品的混合方法來(lái)進(jìn)行仿真模擬。對(duì)關(guān)鍵性的部位使用矩量法，對(duì)其他重要的區(qū)域(一般都是大的平面或者曲面)使用PO或者UTD。根據(jù)不同的電磁問(wèn)題，對(duì)混合方法進(jìn)行組合，可按用戶需要得到滿意的精度和速度。另外，對(duì)PO方法，F(xiàn)EKO使用了棱邊修正項(xiàng)和模擬凸表面爬行波的福克電流。根據(jù)計(jì)算機(jī)硬件條件和待求解問(wèn)題精度要求的不同，F(xiàn)EKO軟件可以求解成百上千個(gè)波長(zhǎng)的電磁問(wèn)題。

2 基于時(shí)域有限差分法的微波EDA仿真軟件

基于時(shí)域有限差分的仿真軟件包括：CST MICROWAVE STUDIO、FIDELlTY、IMST Empire和CFDRC。

2.1 CST MICROWAVE STUDIO仿真軟件

CST MICROWAVE STUDlO是Computer Simulation Technology公司專門(mén)開(kāi)發(fā)的高頻電磁場(chǎng)問(wèn)題EDA工具，是基于PC機(jī)Windows環(huán)境下的仿真軟件，主要應(yīng)用在復(fù)雜和更高頻的諧振結(jié)構(gòu)。CST通過(guò)散射參數(shù)把電磁場(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，可以進(jìn)行快速的分析，并且降低系統(tǒng)所需的內(nèi)存。CST考慮了在子單元之間高階模式的耦合，由于系統(tǒng)的有效分割而沒(méi)有影響系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

CST MICROWAVE STUDIO可以應(yīng)用在仿真電磁場(chǎng)領(lǐng)域，分析大多數(shù)高頻電磁場(chǎng)問(wèn)題，包括移動(dòng)通信、無(wú)線設(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、連接器、IC封裝、各種類型天線、微波元器件、藍(lán)牙技術(shù)和電磁兼容/干擾等。

CST具有以下特點(diǎn)：1)采用近乎完美的邊界條件逼近(PBA)方法;2)可視的圖形化用戶界面(GUI)使CST MWS更加易于學(xué)習(xí)和使用;3)自動(dòng)輸入CAD數(shù)據(jù)節(jié)省了大量時(shí)間;4)通過(guò)先進(jìn)的優(yōu)化軟件包對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化處理，使設(shè)計(jì)師快速得到需要的結(jié)構(gòu)尺寸。

2.2 FIDELITY仿真軟件

FIDELITY是Zeland公司開(kāi)發(fā)的基于非均勻網(wǎng)格的時(shí)域有限差分方法的三維電磁場(chǎng)仿真軟件，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、坡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、線天線和其它形式的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方面得到應(yīng)用。

FIDELITY的特點(diǎn)有：1)可對(duì)三維金屬和非絕緣介質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模;2)高效非均勻網(wǎng)格的FDTD仿真引擎;3)能方便地對(duì)分析目標(biāo)進(jìn)行排列定位和幾何結(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)平面波激勵(lì)和SAR計(jì)算功能。

2.3 IMST Empire仿真軟件

IMST Empire是一種3D電磁場(chǎng)仿真軟件，是基于3D的時(shí)域有限差分方法。它的應(yīng)用范圍從分析平面結(jié)構(gòu)、互聯(lián)、多端口集成到微波波導(dǎo)、天線、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)用戶定義的頻率范圍，一次仿真運(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。AutocAD是流行的機(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)可以給出電磁波現(xiàn)象，并獲得準(zhǔn)確結(jié)果。

2.4 CFDRC仿真軟件

CFDRC是CFD Research Corpration開(kāi)發(fā)的一種基于時(shí)域有限差分法(FDTD)或基于磁矢量位的全隱式方法的三維仿真軟件。此工具可以仿真電磁波傳播、交調(diào)失真、輻射和電磁干擾，同時(shí)，提供重要的電路性能參數(shù)，如電容、電感、阻抗、S參數(shù)、Y參數(shù)等。建模工具提供標(biāo)準(zhǔn)的EDA輸人(CIF，GDSⅡ，DXF)，使結(jié)構(gòu)的建立變得非常容易。全波電磁仿真使用非結(jié)構(gòu)的多面體網(wǎng)格可以解出三維任意形狀的Maxwell方程的解。

CFDRC仿真軟件通常使用在高保真電磁分析場(chǎng)合(射頻微電子、EMI/EMC、RF MEMS器件、封裝、天線、高密度互連、光子學(xué))，目前還應(yīng)用于RFMEMs器件封裝研究。

3基于有限元法的微波EDA仿真軟件

基于有限元法的典型仿真軟件是Ansoft HFSS和Ansys Emax。

HFSS的理論基礎(chǔ)是有限元方法，是一種積分方法，得到的是頻域解，所以由頻域到時(shí)域，HFSS在設(shè)計(jì)各種輻射器及求本征模問(wèn)題方面很擅長(zhǎng)。由于Ansoft公司進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)較早，所以目前國(guó)內(nèi)HFSS的使用者眾多，特別是在各大通信技術(shù)研究單位、公司、高校非常普及。最近，該公司開(kāi)發(fā)的Ansoft design 1.O把電路設(shè)計(jì)、電磁仿真和印刷版的設(shè)計(jì)有機(jī)地結(jié)合在了一起。

3.1 Ansoft HFSS軟件

Ansoft HFSS是美國(guó)Ansoft公司開(kāi)發(fā)的一種三維結(jié)構(gòu)電磁場(chǎng)仿真軟件，可分析仿真任意三維無(wú)源結(jié)構(gòu)的高頻電磁場(chǎng)，并直接得到特征阻抗、傳播常數(shù)、S參數(shù)及電磁場(chǎng)、輻射場(chǎng)、天線方向圖等結(jié)果。該軟件被廣泛應(yīng)用于無(wú)線和有線通信、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)，并可利用oplimetrics對(duì)任意參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化和掃描分析。

使用Ansoft HFSS還可以計(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?；蛑C振解等。

3.2 ANSYS Emax軟件

ANSYS Emax是ANSYS公司的高頻電磁場(chǎng)分析產(chǎn)品。應(yīng)用領(lǐng)域包括：射頻/微波無(wú)源器件、射頻/微波電路、電磁干擾與電磁兼容(EMI/EMC)、天線設(shè)計(jì)和目標(biāo)識(shí)別。

ANSYS/Emax支持有限元計(jì)算區(qū)域所有結(jié)果的靜態(tài)和動(dòng)畫(huà)顯示。包含：電磁場(chǎng)強(qiáng)度、品質(zhì)因素、S參數(shù)、電壓、特征阻抗、雷達(dá)截面積(RCS)、模型區(qū)域的遠(yuǎn)場(chǎng)和近場(chǎng)、天線方向圖、焦耳熱損耗。

ANSYS Emax7.1還提供新的計(jì)算功能：1)頻段內(nèi)快速掃頻計(jì)算，用于S參數(shù)的快速提取;2)天線各項(xiàng)拓展指標(biāo)(增益、輻射功率、方向圖、效率)的計(jì)算;3)Ⅳ端口網(wǎng)絡(luò)s參數(shù)自動(dòng)提取;4)熱效應(yīng)分析;5)S參數(shù)的Touch stone格式文件輸出;6)RCS極化方向選擇。

4結(jié)論

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)。

實(shí)踐表明，應(yīng)用EDA仿真工具，可以大幅度降低產(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的數(shù)值分析方法。而對(duì)軟件的使用者來(lái)說(shuō)，任何軟件都不是完全智能的，都需要人為的干預(yù)，并對(duì)電磁場(chǎng)理論有深刻的理解，才能建立有效的模型。目前，RF和微波EDA仿真軟件已從單一的仿真工具向多重仿真工具發(fā)展，即：EDA仿真軟件將集電磁仿真、集成電路仿真、電路板的制作為一體。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)。相信人們?cè)诓粩嗫偨Y(jié)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，將會(huì)開(kāi)發(fā)出性能更加穩(wěn)定、應(yīng)用更加廣泛的各類微波EDA仿真工具，微波工程領(lǐng)域應(yīng)用的人工智能專家系統(tǒng)最終目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)也將指日可待。