淺談微波射頻仿真軟件綜述和應用評析

微波系統(tǒng)的設(shè)計約來越復雜，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)不能滿足微波電路設(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。

EDA即Electronic Design Automation， 電子設(shè)計自動化；目前，國外各種商業(yè)化的微波EDA 軟件工具不斷涌現(xiàn)，微波射頻領(lǐng)域主要的EDA 工具首推Agilent 公司的ADS 軟件和Ansoft 公司的HFSS、Designer 軟件，其次是比較小型的有Microwave Office， Ansoft Serenade， CST， Zeland， XFDTD， Sonnet 等電路設(shè)計軟件。下面將會簡要地介紹一下各個微波EDA 軟件的功能特點和使用范圍，以期大家有個總體的了解。

微波EDA 仿真軟件與電磁場的數(shù)值算法密切相關(guān)，在介紹微波EDA 軟件之前先簡要的介紹一下微波電磁場理論的數(shù)值算法。所有的數(shù)值算法都是建立在Maxwell方程組之上的，了解Maxwell方程是學習電磁場數(shù)值算法的基礎(chǔ)；在頻域，數(shù)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），邊界元法（ BEM -- ），和傳輸線法（ TLM -- Transmission-Line-matrix Method），在時域，數(shù)值算法有：

時域有限差分法（ FDTD – Finite Difference Time Domain ），和有限積分法（ FIT – Finite Integration Technology ）。如果想進一步了解各種數(shù)值算法的具體實現(xiàn)，可以參閱以下幾本書籍：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軟件有ADS，Ansoft Designer，Microwave Office， Zeland IE3D，Ansoft Esemble，Super NEC和FEKO；使用有限元法 （ FEM ） 的微波EDA軟件有HFSS和ANSYS；使用時域有限差分法（ FDTD ） 的微波EDA軟件有 EMPIRE和XFDTD，使用有限積分法（ FIT ） 的微波EDA軟件有CST Microwave Studio和CST Mafia。

下面來介紹較流行幾種的微波EDA軟件的功能和應用。

ADS – Advanced Design System，是Agilent公司推出的微波電路和通信系統(tǒng)仿真軟件，是國內(nèi)各大學和研究所使用最多的軟件之一。其功能非常強大，仿真手段豐富多樣，可實現(xiàn)包括時域和頻域、數(shù)字與模擬、線性與非線性、噪聲等多種仿真分析手段，并可對設(shè)計結(jié)果進行成品率分析與優(yōu)化，從而大大提高了復雜電路的設(shè)計效率，是非常優(yōu)秀的微波電路、系統(tǒng)信號鏈路的設(shè)計工具。主要應用于：射頻和微波電路的設(shè)計，通信系統(tǒng)的設(shè)計，DSP設(shè)計和向量仿真?，F(xiàn)在最新的版本是 ADS2004A。

Ansoft Designer，是Ansoft公司推出的微波電路和通信系統(tǒng)仿真軟件；它采用了最新的視窗技術(shù)，是第一個將高頻電路系統(tǒng)，版圖和電磁場仿真工具無縫地集成到同一個環(huán)境的設(shè)計工具，這種集成不是簡單和界面集成，其關(guān)鍵是Ansoft Designer獨有的按需求解的技術(shù)，它使你能夠根據(jù)需要選擇求解器，從而實現(xiàn)對設(shè)計過程的完全控制。Ansoft Designer實現(xiàn)了“所見即所得”的自動化版圖功能，版圖與原理圖自動同步，大大提高了版圖設(shè)計效率。

同時，Ansoft還能方便地與其他設(shè)計軟件集成到一起，并可以和測試儀器連接，完成各種設(shè)計任務(wù)，如頻率合成器，鎖相環(huán)，通信系統(tǒng)，雷達系統(tǒng)以及放大器，混頻器，濾波器，移相器，功率分配器，合成器和微帶天線等。主要應用于：射頻和微波電路的設(shè)計，通信系統(tǒng)的設(shè)計，電路板和模塊設(shè)計，部件設(shè)計。現(xiàn)在最新的版本是Ansoft Designer 2.1。

Ansoft HFSS，是Ansoft公司推出的三維電磁仿真軟件；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，業(yè)界公認的三維電磁場設(shè)計和分析的電子設(shè)計工業(yè)標準。HFSS提供了一簡潔直觀的用戶設(shè)計界面、精確自適應的場解器、擁有空前電性能分析能力的功能強大后處理器，能計算任意形狀三維無源結(jié)構(gòu)的S參數(shù)和全波電磁場。HFSS軟件擁有強大的天線設(shè)計功能，它可以計算天線參量，如增益、方向性、遠場方向圖剖面、遠場3D圖和3dB帶寬；繪制極化特性，包括球形場分量、圓極化場分量、Ludwig第三定義場分量和軸比。

使用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)和相應端口阻抗的歸一化S參數(shù)；④ 結(jié)構(gòu)的本征?；蛑C振解。而且，由Ansoft HFSS和Ansoft Designer構(gòu)成的Ansoft高頻解決方案，是目前唯一以物理原型為基礎(chǔ)的高頻設(shè)計解決方案，提供了從系統(tǒng)到電路直至部件級的快速而精確的設(shè)計手段，覆蓋了高頻設(shè)計的所有環(huán)節(jié)?，F(xiàn)在最新的版本是Ansoft HFSS 9.2。

Microwave Office，是AWR公司推出的微波EDA軟件，為微波平面電路設(shè)計提供了最完整， 最快速和最精確的解答。它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。MWO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。

XFDTD，是Remcom公司推出的基于時域有限差分法（FDTD）的三維全波電磁場仿真軟件。XFDTD用戶界面友好、計算準確；但XFDTD 本身沒有優(yōu)化功能，須通過第三方軟件Engineous完成優(yōu)化。該軟件最早用于仿真蜂窩電話，長于手機天線和SAR計算。現(xiàn)在廣泛用于無線、微波電路、雷達散射計算，化學、光學、陸基警戒雷達和生物組織仿真。軟件最新版本為 XFDTD 6.0

Zeland IE3D，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。IE3D可分為MGRID、MODUA和 PATTERNVIEW三部分；MGRID為IE3D的前處理套件，功能有建立電路結(jié)構(gòu)、設(shè)定基板與金屬材料的參數(shù)和設(shè)定模擬仿真參數(shù)；MOODUA是 IE3D的核心執(zhí)行套件，可執(zhí)行電磁場的模擬仿真計算、性能參數(shù)（Smith園圖，S參數(shù)等）計算和執(zhí)行參數(shù)優(yōu)化計算；PATTERNVIEW是IE3D 的后處理套件，可以將仿真計算結(jié)果，電磁場的分布以等高線或向量場的形式顯示出來。IE3D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；應用范圍主要是在微波射頻電路、多層印刷電路板、平面微帶天線設(shè)計的分析與設(shè)計。軟件最新版本為 Zeland IE3D10.0。

CST MICROWAVE STUDIO，是德國CST（Computer Simulation Technology）公司推出的高頻三維電磁場仿真軟件。廣泛應用于移動通信、無線通信（藍牙系統(tǒng)）、信號集成和電磁兼容等領(lǐng)域。微波工作室使用簡潔，能為用戶的高頻設(shè)計提供直觀的電磁特性。微波工作室除了主要的時域求解器模塊外，還為某些特殊應用提供本征模及頻域求解器模塊。CAD文件的導入功能及 SPICE參量的提取增強了設(shè)計的可能性并縮短了設(shè)計時間。另外，由于CST設(shè)計工作室的開放性體系結(jié)構(gòu)能為其它仿真軟件提供鏈接，使微波工作室與其它設(shè)計環(huán)境相集成。

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應用于平面高頻電磁場分析，頻率從1MHz 到幾千GHz。主要的應用有：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。

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