用電磁和數(shù)學(xué)軟件設(shè)計(jì)射頻/微波

用電磁和數(shù)學(xué)軟件設(shè)計(jì)射頻/微波

　　軟件在高頻設(shè)計(jì)中發(fā)揮的作用越來(lái)越大，特別是在更多的功能被集成進(jìn)更小的電路中這一發(fā)展趨勢(shì)下。設(shè)計(jì)工程師在計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)軟件工具方面有很多選擇，從全功能多程序套件到單功能工具。有兩種更通用的工具類型——數(shù)學(xué)和電磁(EM)程序，對(duì)分析從天線到波導(dǎo)的各種設(shè)計(jì)有很大的幫助。

　　電磁仿真程序利用麥克斯韋方程分析高頻和其它結(jié)構(gòu)，并計(jì)算這些結(jié)構(gòu)的電磁場(chǎng)行為。分析結(jié)果可以是兩維(2D平面)或三維(3D)場(chǎng)的信息，或兩者結(jié)合成為2.5D。由于電磁仿真程序要用計(jì)算密集型算法演算代表每個(gè)頻率點(diǎn)的麥克斯韋方程的矩陣，一些較老的程序在演算復(fù)雜結(jié)構(gòu)時(shí)要么需要很長(zhǎng)的時(shí)間，要么需要計(jì)算機(jī)群集的強(qiáng)大處理能力來(lái)縮短運(yùn)算時(shí)間。然而，隨著多內(nèi)核微處理器的工作時(shí)鐘頻率越來(lái)越高，電磁代碼編寫(xiě)者可以充分利用新開(kāi)發(fā)的并行處理能力加快電磁仿真器的仿真速度。

　　例如，Sonnet Software公司推出的最新版SONNET套件專業(yè)軟件集，即版本12，能夠充分利用多內(nèi)核中央處理單元(CPU)的并行處理功能提供比以前版本更快的仿真速度。Sonnet的矩陣演算器專門(mén)針對(duì)并行處理作了優(yōu)化，在運(yùn)算速度方面取得了顯著提高，在使用帶雙四核微處理器的典型工作站時(shí)速度可以提高7倍。

　　Sonnect公司還開(kāi)發(fā)了兩種新版本的電磁分析引擎。Sonnet的臺(tái)式演算器(Desktop Solver)是專門(mén)針對(duì)典型的個(gè)人計(jì)算機(jī)(PC)開(kāi)發(fā)的，可以使用兩個(gè)并行的CPU內(nèi)核縮短運(yùn)算時(shí)間。Sonnet的高性能演算器(High Performance Solver)則是針對(duì)具有雙四內(nèi)核CPU的高端工作站開(kāi)發(fā)的，可以在多達(dá)8個(gè)CPU內(nèi)核上為每個(gè)頻率提供八向并行解決方案。結(jié)合改進(jìn)的網(wǎng)格算法，Sonnet公司的這些最新分析引擎的演算速度可以比公司舊版軟件快50倍。

　　2009版本的ADS軟件有助于電路、封裝、電路板和系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師采用單一軟件平臺(tái)工作。

　　Remcom公司的XFdtd版本7(XF7)是另外一種利用共享內(nèi)存多處理器(MPM)技術(shù)的電磁仿真器。這個(gè)全波電磁演算器采用時(shí)域有限差分(FDTD)分析方法，其最新版本非常適合天線設(shè)計(jì)與分析、生物電磁分析(比如對(duì)電磁能量特殊吸引率(SAR)的研究)和微波電路設(shè)計(jì)。這款軟件提供一個(gè)流水線式的用戶接口，可以獨(dú)立運(yùn)行于Windows、Mac OS X和Linux操作系統(tǒng)之上，分為Pro和Bio-Pro兩個(gè)版本。這兩種版本都內(nèi)置32位或64位的分析模塊、幾何建模器和后置處理器能力，可與多至8個(gè)微處理器內(nèi)核和各種3D CAE導(dǎo)入模塊共享存儲(chǔ)器。Bio-Pro版本還提供SAR功能。

　　Ansoft公司最新版的高頻結(jié)構(gòu)仿真器(HFSS)軟件版本11也是為了提高處理速度而設(shè)計(jì)的。這個(gè)全波三維電磁場(chǎng)仿真器在演算復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)時(shí)所需時(shí)間更短，同時(shí)消耗更少的計(jì)算機(jī)內(nèi)存。最新版本可以提供新的自動(dòng)化特性、用戶接口改進(jìn)和數(shù)據(jù)鏈路功能。新功能包括更高階分層基礎(chǔ)功能，與反復(fù)型演算器一起可以實(shí)現(xiàn)圍繞多波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的更小網(wǎng)格；處理更低頻率的增強(qiáng)型端口演算器；可分析頻率選擇性表面和相控陣列天線的Floquet端口。

　　高頻軟件工具的另一個(gè)趨勢(shì)是在電路仿真器中增加電磁兼容/電磁干擾(EMC/EMI)仿真功能，其目的是優(yōu)化元器件和電路的信號(hào)完整性(SI)性能。比如Computer Simulation Technology (CST)公司宣稱在其CST STUDIO SUITE軟件工具集中集成了電纜、PCB和EMC/EMI仿真功能。這個(gè)軟件套件包含了作為CST DESIGN ENVIRONMENT設(shè)計(jì)環(huán)境一部分的CST PCB STUDIO和CST CABLE STUDIO程序，可以利用CST MICROWAVE STUDIO時(shí)域演算器優(yōu)化三維元器件。

　　為了方便信號(hào)完整性研究，Zeland Software公司現(xiàn)推出用于開(kāi)發(fā)封裝、PCB、集成電路(IC)和單片微波集成電路(MMIC)的IE3DSI軟件。該軟件采用自動(dòng)化的“版圖到電磁模型設(shè)計(jì)流程”，而且這種流程可以與Cadence公司的Allegro PCB/Package Designer以及AWR Microwave Office、AutoCAD DXF和GDSII數(shù)據(jù)庫(kù)集成在一起。IE3DSI軟件支持自動(dòng)三維幾何模型創(chuàng)建，包括綁定線、電介材料厚度和互連。它還具有私有的非均勻網(wǎng)格產(chǎn)生和自適應(yīng)曲線擬合功能，支持快速和精確的處理。

　　Zeland公司的IE3D-SI具有混合域SPICE仿真功能，可用于分析時(shí)域中的瞬態(tài)行為，并研究包括互連在內(nèi)的無(wú)源結(jié)構(gòu)的時(shí)間-諧波特性。該軟件能夠完成寬帶SPICE模型提取，執(zhí)行測(cè)試信號(hào)仿真和分析，并能進(jìn)行隨機(jī)或抖動(dòng)方面的傳輸線分析——支持帶眼圖顯示功能的時(shí)鐘信號(hào)分析。

　　作為電磁軟件工具集成度提高的象征，安捷倫科技公司推出的2009版本的高級(jí)設(shè)計(jì)系統(tǒng)(ADS)軟件有助于電路、封裝、電路板和系統(tǒng)設(shè)計(jì)師采用單一軟件平臺(tái)工作(見(jiàn)圖)。除了包含最新蜂窩和無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)(包括LTE和WiMAX)方面的眾多元件模型外，這個(gè)軟件套件通過(guò)對(duì)數(shù)千兆位高速串行鏈路的快速眼圖優(yōu)化而支持信號(hào)完整性研究，其中版圖幾何尺寸、預(yù)加重和量化專門(mén)針對(duì)最低誤碼率(BER)作了優(yōu)化。

　　ADS2009使用了安捷倫公司的X-參數(shù)，這是基于非線性測(cè)量數(shù)據(jù)的器件參數(shù)，可用來(lái)研究放大器和晶體管的線性行為。ADS2009還具有代表金屬屏蔽罩、天線屏蔽器、吸收器、封裝、互連、有限電介基底和線綁定的三維電磁參數(shù)化元件。為了提高效率，ADS2009還能與Cadence和Mentor Graphics的工具一起使用。

　　AWR公司向電磁仿真軟件用戶發(fā)起了挑戰(zhàn)，它的演算器AXIEM三維平面電磁仿真器可以提高另外一個(gè)商用平面電磁仿真器創(chuàng)造的處理速度記錄。AXIEM電磁仿真器可以與AWR的Microwave Office和Analog Office無(wú)縫集成。

　　數(shù)學(xué)軟件在應(yīng)用方面比電磁仿真器更通用，因?yàn)橹灰P(guān)系可以被公式定義的地方就會(huì)有數(shù)學(xué)軟件。數(shù)學(xué)軟件可以用在電氣和電子設(shè)計(jì)以及生物、化學(xué)、機(jī)械和熱研究領(lǐng)域。有關(guān)數(shù)學(xué)軟件的更多信息可以參考眾多網(wǎng)站，包括Drexel大學(xué)的數(shù)學(xué)論壇，上面客觀地*價(jià)了有關(guān)商用符號(hào)處理器的免費(fèi)數(shù)學(xué)程序和信息，如MathCAD、Maple和Mathematica。美國(guó)科學(xué)和技術(shù)研究院(NIST)也在www.gams.nist.gov網(wǎng)站上提供了可用數(shù)學(xué)軟件指南(GAMS)，為那些在數(shù)學(xué)軟件方面尋找更多信息的用戶提供幫助。

　　在商用封裝方面，Maplesoft公司推出的Maple Toolbox for MATLAB是用來(lái)與The Mathworks公司的MATLAB數(shù)學(xué)軟件一起使用的工具集。Maple Toolbox for MATLAB可以用確切數(shù)量工作，包括小數(shù)、根和符號(hào)。它能快速精確地完成簡(jiǎn)化任務(wù)。使用符號(hào)化技術(shù)，數(shù)字近似值可以被延遲直到需要時(shí)，并與問(wèn)題中的符號(hào)參數(shù)一起使用。該軟件可以訪問(wèn)Maple中4000多個(gè)數(shù)學(xué)函數(shù)，覆蓋廣泛的主題，如微分方程、統(tǒng)計(jì)、微積分和線性代數(shù)。

　　Mathsoft公司提供的最新版Mathcad版本14在一張工作表中集成了標(biāo)準(zhǔn)數(shù)學(xué)符號(hào)、文本和圖形。該軟件使用方便，不需要專門(mén)的編程技術(shù)。Mathcad還為全球合作和知識(shí)產(chǎn)權(quán)(IP)保護(hù)提供完整的unicode支持。新的工作表分析功能允許工作表進(jìn)行并排比較。