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微波射频仿真软件综述和应用评析

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作者:时间:2007-03-05来源:收藏

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电路设计的需要,使用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,其次是比较小型的有Microwave Office, Ansoft Serenade, CST, Zeland, XFDTD, Sonnet 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,以期大家有个总体的了解。

微波EDA 软件与电磁场的数值算法密切相关,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;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 -- ),和传输线法( TLM -- Transmission-Line-matrix Method),在时域,数值算法有:时域有限差分法( FDTD – Finite Difference Time Domain ),和有限积分法( FIT – Finite Integration Technology )。如果想进一步了解各种数值算法的具体实现,可以参阅以下几本书籍:① Microwave Circuit Modeling Using Electromagnetic Field Simulation, ② Numerical Techniques in Electromagnetics, ③ Electromagmetic Simunation Using the FDTD Method,④ Complex eletromagnetic problems and numerical Simulation Approaches。

其中,使用矩量法( MoM ) 的微波EDA软件有ADS,Ansoft Designer,Microwave Office, Zeland IE3D,Ansoft Esemble,Super NEC和FEKO;使用有限元法 ( FEM ) 的微波EDA软件有HFSS和ANSYS;使用时域有限差分法( FDTD ) 的微波EDA软件有 EMPIRE和XFDTD,使用有限积分法( FIT ) 的微波EDA软件有CST Microwave Studio和CST Mafia。

下面来介绍较流行几种的微波EDA软件的功能和应用.

HFSS使用心得


  和大部分的大型数值分析软件相似,以有限元方法为基础的Ansoft HFSS 并非是傻瓜软件,对于绝大部分的问题来说,想要得到快速而准确的结果,必须人工作一定的干预。除了必须十分明了模型细节外,建模者本身也最好具备一定的电磁理论基础。这里假定阅读者使用过HFSS,因此对一些属于基本操作方面的内容并不提及。
1、对称的使用
  对于一个具体的高频电磁场问题,首先应该看看它是否可以采用对称面。这里面的约束主要在几何对称和激励对称要求。如果一个问题的激励并不要求是可改变的,比如全部同相馈电的阵列,此时最好采用对称,甚至可以采用2个对称(E 和H 对称),将可以大大节约时间和设备资源。
2、面的使用
  在实际问题中,有很多结构是可以使用2 维面来代替的,使用2 维面的好处是可以极大的减少计算量并且结果与使用3 维实体相差无几。例如计算一个微带的分支线耦合器,印制板的微带以及地都可以指定某些面为理想电面代替,这样可以很快的获得所需要的物理尺寸及其性能。再以计算偶极子为例,如果偶极子是以理想导体为材质的圆柱,那么相同的其他条件下其计算时间大约是采用等效面为偶极子的4~5 倍,由此可见一般。
3、Lump Port(集中端口)的使用
  在HFSS8 里提供了一种新的激励:Lump Port,这种激励避免了建立一个同轴或者波导激励,从而在一定程度上减轻了模型量,也减少了计算时间。LumpPort 也可以使用一个面来代表,要注意的是对该Port 的校准线和阻抗线的设置一定要准确,端口在空间上一定要与其他金属(或电面)相接,否则结果极易出错。
4、关于辐射边界的问题
  在不需要求解近(远)场问题时,比如密封在金属箱体里面的滤波器等密闭问题,无需设置辐射边界。在需要求解场分布或者方向图时,必须设置辐射边界。这里有些需要注意的问题:在计算大带宽周期性结构时,比如3 个倍频程,最好分段计算,例如以一个倍频程为一段,也就是说在不同的频段计算时设置不同大小的辐射边界,否则在计算的频率边缘难以保证计算精度;其次,辐射边界的大小和问题的具体形状密切相关,如果物体的外部轮廓可以装在一个球或并不过分的椭球中时,宜采用立方体边界——简单有效,如果问题的外部轮廓较为复杂或者椭球2 轴差距太大,以采用相似形边界或圆柱边界,对于辐射问题,如果估计问题的增益较低(比如2dB),那么边界宜采用球形,此时为了得到结果准确也只好牺牲时间了;另在HFSS 8 中提供了一种新的吸收边界——PML 边界条件,对于这种边界,笔者并不是很满意,尽管其有效距离为八分之一个中心波长——是老边界的一半,可以减少计算量,然而这种边界由程序自己生成,为一个立方体的复杂结构,对于一些特殊的复杂问题,这种边界内部有很多的空间是无用的,此时还不如使用老边界灵活。
5、关于开孔
  有些问题需要在壁上开孔,此时可以采用2 种办法,其一是老老实实的在模型上挖空;其二是采用H/Natrue 边界条件,通常,如果是在面上开孔,将会采用后者,简单,便于修改。
6、关于网格划分
  当模型建立好了之后,进入计算模块,第一步是给问题划分网格。对于一般问题,让软件自动划分比较省心,但对大型问题和复杂问题,让软件自己划分可能需要很好的耐性来等待。根据实际经验,在大型模型的结构密集区域或场敏感区域使用人工划分可以得到很好的效果,有些问题的计算结果开始表现为收敛,但进一步提高精度,却又反弹,问题就在于开始时场敏感区域的网格划分不够仔细,导致计算结果的偏差。
7、关于所需要的精度
  计算问题时,一般需要给定一个收敛精度和计算次数以避免程序“陷入计算而无法自拔”,当对模型熟悉后,可以单单靠给定次数。在问题之初,建议的计算精度不要太高,实际中曾见到有操作者将问题的S 参数精度设定为0.00001,其实这是完全没有必要的,一般S 参数的精度设定为0.02 左右就已经可以满足绝大部分问题的需要(此时应该注意有无收敛反弹的情况)。如果是计算次数,对于密闭问题,建议是设定为8~12 次,对于辐射问题,一般计算6~8 次左右即可观察结果,如果不够再决定是否继续计算。
8、关于扫描
  HFSS 提供一个扫描功能,分3 种方式:快速、离散和插值。其中离散扫描只保留最后一个频点的场结果,其计算时间是单个频点计算时间之和;对快速扫描,将可以得到所计算的频率范围内的所有频率场结果,但是其计算速度和频点多少关系不大,基本和模型复杂程度正比,有时扫描计算的时间非常长,如果不是特别需要关心所有的场情况,建议选用离散扫描,对于特别巨大的问题,则是以快速扫描为宜。而插值方式比较少用。
9、关于问题的规模
  HFSS 所能计算的问题规模与计算机硬件关系很大,其次是所使用的操作系统。在HFSS8 里,问题描述矩阵的阶基本和网格数正比,对于四面体上10 万的问题也能游刃有余(只要机器够好),然而这并非是指实际问题的电尺寸,实际上,要精确计算一个计算机网络电缆接头(RJ45)所需要的时间和资源并不比计算一个有一个波长电尺寸的一般辐射问题少多少,所以实际上其计算规模的主要约束是问题的复杂程度,而复杂程度里面包含了电尺寸、结构复杂度等要素。由此提醒我们建模时应该尽量简化模型。一般来说,除了在激励区,当结构电尺寸比二十分之一波长还小时,可以忽略它的存在而不会引入明显的误差,这一点在解决问题之初很有效,可以迅速发现问题的关键;当问题的主要要求满足
后,再将模型细化以获得更加精确的结果。
  以上就HFSS 使用的各个方面总结了一些心得,以供大家参考,如有不当之处,请 交流指正,先谢过!


微波软件综述和应用评析


ADS2004A ADS2003C HFSS9.2 Ansoft Designer Zeland IE3D9.2 XFDTD6.0 Serenade CST


    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微波电路设计的需要,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,其次是比较小型的有Microwave Office, Ansoft Serenade, CST, Zeland, XFDTD, Sonnet 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,以期大家有个总体的了解。

    微波EDA 仿真软件与电磁场的数值算法密切相关,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;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 -- ),和传输线法( TLM -- Transmission-Line-matrix Method),在时域,数值算法有:时域有限差分法( FDTD – Finite Difference Time Domain ),和有限积分法( FIT – Finite Integration Technology )。如果想进一步了解各种数值算法的具体实现,可以参阅以下几本书籍:① Microwave Circuit Modeling Using Electromagnetic Field Simulation, ② Numerical Techniques in Electromagnetics, ③ Electromagmetic Simunation Using the FDTD Method,④ Complex eletromagnetic problems and numerical Simulation Approaches。

    其中,使用矩量法( MoM ) 的微波EDA软件有ADS,Ansoft Designer,Microwave Office, Zeland IE3D,Ansoft Esemble,Super NEC和FEKO;使用有限元法 ( FEM ) 的微波EDA软件有HFSS和ANSYS;使用时域有限差分法( FDTD ) 的微波EDA软件有 EMPIRE和XFDTD,使用有限积分法( FIT ) 的微波EDA软件有CST Microwave Studio和CST Mafia。
  
    下面来介绍较流行几种的微波EDA软件的功能和应用。

    ADS – Advanced Design System,是Agilent公司推出的微波电路和通信系统仿真软件,是国内各大学和研究所使用最多的软件之一。其功能非常强大,仿真手段丰富多样,可实现包括时域和频域、数字与模拟、线性与非线性、噪声等多种仿真分析手段,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,是非常优秀的微波电路、系统信号链路的设计工具。主要应用于:和微波电路的设计,通信系统的设计,DSP设计和向量仿真。现在最新的版本是ADS2004A。
 
    Ansoft Designer,是Ansoft公司推出的微波电路和通信系统仿真软件;它采用了最新的视窗技术,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: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 2.1。
 
    Ansoft HFSS,是Ansoft公司推出的三维电磁仿真软件;是世界上第一个商业化的三维结构电磁场仿真软件,业界公认的三维电磁场设计和分析的电子设计工业标准。HFSS提供了一简洁直观的用户设计界面、精确自适应的场解器、拥有空前电性能分析能力的功能强大后处理器,能计算任意形状三维无源结构的S参数和全波电磁场。HFSS软件拥有强大的天线设计功能,它可以计算天线参量,如增益、方向性、远场方向图剖面、远场3D图和3dB带宽;绘制极化特性,包括球形场分量、圆极化场分量、Ludwig第三定义场分量和轴比。使用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。现在最新的版本是Ansoft HFSS 9.2。

    Microwave Office,是AWR公司推出的微波EDA软件,为微波平面电路设计提供了最完整, 最快速和最精确的解答。它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。MWO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。

    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。软件最新版本为 XFDTD 6.0

    Zeland IE3D,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。IE3D可分为MGRID、MODUA和PATTERNVIEW三部分;MGRID为IE3D的前处理套件,功能有建立电路结构、设定基板与金属材料的参数和设定模拟仿真参数;MOODUA是IE3D的核心执行套件,可执行电磁场的模拟仿真计算、性能参数(Smith园图,S参数等)计算和执行参数优化计算;PATTERNVIEW是IE3D的后处理套件,可以将仿真计算结果,电磁场的分布以等高线或向量场的形式显示出来。IE3D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;应用范围主要是在微波射频电路、多层印刷电路板、平面微带天线设计的分析与设计。软件最新版本为Zeland IE3D10.0。

    CST MICROWAVE STUDIO,是德国CST(Computer Simulation Technology)公司推出的高频三维电磁场仿真软件。广泛应用于移动通信、无线通信(蓝牙系统)、信号集成和电磁兼容等领域。微波工作室使用简洁,能为用户的高频设计提供直观的电磁特性。微波工作室除了主要的时域求解器模块外,还为某些特殊应用提供本征模及频域求解器模块。CAD文件的导入功能及SPICE参量的提取增强了设计的可能性并缩短了设计时间。另外,由于CST设计工作室的开放性体系结构能为其它仿真软件提供链接,使微波工作室与其它设计环境相集成。

    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。

    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 Design Studio、CST EM Studio 2.0,Zeland公司的Fidelity,Ansys公司的Ansys、FEKO,Eagleware-Elanix公司的Eagleware Genesys,和Super NEC等。

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关键词: 仿真 射频 微波

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