微波EDA電磁場仿真軟件評述

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)都面臨著一個嶄新的發(fā)展階段，電路的設(shè)計與工藝研制日益復(fù)雜化，如何進一步提高電路性能、降低成本、縮短電路的研制周期，已經(jīng)成為電路設(shè)計的一個焦點，而EDA技術(shù)是設(shè)計的關(guān)鍵。EDA技術(shù)的范疇包括產(chǎn)品開發(fā)的全過程，以及電子產(chǎn)品生產(chǎn)過程中期望由計算機提供的各種輔助功能。一方面EDA技術(shù)可分為系統(tǒng)級、電路級和物理實現(xiàn)級3個層次上的輔助設(shè)計過程;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)計過程。

隨著無線電系統(tǒng)設(shè)計向更高頻率的發(fā)展和電路復(fù)雜性的增加，對于高頻電磁場的仿真，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，對傳統(tǒng)的低頻模擬和數(shù)字電路的設(shè)計方法提出了新挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)包括器件和處理過程的變化、分布傳輸線的非連續(xù)模式和電磁(EM)耦合的變化。同時，設(shè)計還必須考慮半導(dǎo)體材料(GaAs.siGe，InP)的特性，而材料問題和工作在微波頻率下所建立模型的精確化問題則是更大的挑戰(zhàn)。

這些EDA仿真軟件與電磁場的數(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)值分析方法來進行仿真的。通常，數(shù)值解法分為顯式和隱式算法，隨著問題的增加，隱式算法(包括所有的頻域方法)表現(xiàn)出強烈的非線性。顯式算法(例如FDTD、FIT方法)在處理問題時，表現(xiàn)出合理的存儲容量和時間。

本文根據(jù)電磁仿真工具所采用的數(shù)值解法進行分類，對常用的微波EDA仿真軟件進行評述。

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是美國安捷倫公司在HP EESOF系列EDA軟件基礎(chǔ)上發(fā)展完善起來的大型綜合設(shè)計軟件，為系統(tǒng)和電路設(shè)計人員提供可開發(fā)各種形式射頻設(shè)計的有力工具，應(yīng)用面涵蓋從射頻/微波模塊到集成MMIc。該軟件可以在微機上運行，其前身是工作站運行版本MDS(Micmwave Design System)。ADS軟件還提供了一種新的濾波器設(shè)計指導(dǎo)，可以使用智能化用戶界面來分析和綜合射頻/微波電路，并可對平面電路進行場分析和優(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)用戶的需要自動產(chǎn)生關(guān)鍵的無源器件模型。該軟件范圍涵蓋了小至元器件芯片，大到系統(tǒng)級的設(shè)計和分析。尤其可在時域或頻域內(nèi)實現(xiàn)對數(shù)字或模擬、線性或非線性電路的綜合仿真分析與優(yōu)化，并可對設(shè)計結(jié)果進行成品率分析與優(yōu)化，提高了復(fù)雜電路的設(shè)計效率，使之成為設(shè)計人員的有效工具。

ADS仿真軟件在國內(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)計軟件，可以完成對電路和場結(jié)構(gòu)的仿真。快速的電路仿真為設(shè)計者提供初始的設(shè)計結(jié)果，然后通過矩量法仿真得到準(zhǔn)確的結(jié)果。ADS提供了對不同電路的設(shè)計指導(dǎo)，包括濾波器、放大器、藍牙、混頻器、振蕩器和無源器件的設(shè)計，在2003A版本中還增加了對單片微波集成電路的設(shè)計，使設(shè)計更加方便。

1.2 Sonnet軟件

sonnet軟件公司是全球領(lǐng)先的以電磁場技術(shù)為核心的電子設(shè)計自動化專業(yè)軟件商。其主要業(yè)務(wù)是開發(fā)、推廣并在技術(shù)上支持它的高端技術(shù)軟件產(chǎn)品。sonnet公司開發(fā)的3D平面電磁場分析軟件，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。

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，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。sonnet應(yīng)用于高頻電磁場分析，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公司開發(fā)的一種基于矩量法的電磁場仿真工具，可以解決多層介質(zhì)環(huán)境下三維金屬結(jié)構(gòu)的電流分布問題。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非常有用的工具。

1.4 Microwave Office軟件

Microwave Office軟件是Applied Wave Research公司開發(fā)的高頻電磁仿真軟件，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模擬器用來處理集總元件構(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)平面電路則采用場的方法較為有效，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(yīng)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。其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。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，使對某些復(fù)雜問題的仿真更加有效。

1.5 FEKO軟件

FEKO是Ansys公司開發(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)的電磁問題。為了在當(dāng)前的計算機硬件條件下完成大尺寸復(fù)雜結(jié)構(gòu)(一般從數(shù)值計算的角度定義為，待分析目標(biāo)尺寸超過10個波長)的計算，本軟件還提供了專用于大尺寸問題的高頻方法——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)用戶的需要進行快速精確的電磁計算。當(dāng)問題的電尺寸太大時，就可考慮使用本產(chǎn)品的混合方法來進行仿真模擬。對關(guān)鍵性的部位使用矩量法，對其他重要的區(qū)域(一般都是大的平面或者曲面)使用PO或者UTD。根據(jù)不同的電磁問題，對混合方法進行組合，可按用戶需要得到滿意的精度和速度。另外，對PO方法，F(xiàn)EKO使用了棱邊修正項和模擬凸表面爬行波的?？穗娏?。根據(jù)計算機硬件條件和待求解問題精度要求的不同，F(xiàn)EKO軟件可以求解成百上千個波長的電磁問題。

2 基于時域有限差分法的微波EDA仿真軟件

基于時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公司專門開發(fā)的高頻電磁場問題EDA工具，是基于PC機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通過散射參數(shù)把電磁場元件結(jié)合在一起，把復(fù)雜的系統(tǒng)分離成更小的子單元，通過對系統(tǒng)每一個單元行為的S參數(shù)的描述，可以進行快速的分析，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)用在仿真電磁場領(lǐng)域，分析大多數(shù)高頻電磁場問題，包括移動通信、無線設(shè)計、信號完整性和電磁兼容(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、藍牙技術(shù)和電磁兼容/干擾等。

CST具有以下特點：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)自動輸入CAD數(shù)據(jù)節(jié)省了大量時間;4)通過先進的優(yōu)化軟件包對產(chǎn)品進行優(yōu)化處理，使設(shè)計師快速得到需要的結(jié)構(gòu)尺寸。

2.2 FIDELITY仿真軟件

FIDELITY是Zeland公司開發(fā)的基于非均勻網(wǎng)格的時域有限差分方法的三維電磁場仿真軟件，可以解決具有復(fù)雜填充介質(zhì)求解域的場分布問題。仿真結(jié)果包括S、Y、Z參數(shù)、VSWR、RLC等效電路、近場分布、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的特點有：1)可對三維金屬和非絕緣介質(zhì)結(jié)構(gòu)進行建模;2)高效非均勻網(wǎng)格的FDTD仿真引擎;3)能方便地對分析目標(biāo)進行排列定位和幾何結(jié)構(gòu)的編輯與檢查;4)可對非各向同性介質(zhì)填充的同軸波導(dǎo)和矩形波導(dǎo)進行建模;5)具有自動網(wǎng)格生成功能、網(wǎng)格優(yōu)化功能和對輸入的幾何結(jié)構(gòu)進行單獨網(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)提取和時域信號顯示;9)輻射方向圖的計算、近場動態(tài)顯示功能;10)具有切片顯示功能的三維和二維電場、磁場及坡印廷矢量的顯示;11)平面波激勵和SAR計算功能。

2.3 IMST Empire仿真軟件

IMST Empire是一種3D電磁場仿真軟件，是基于3D的時域有限差分方法。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問題。Empire基本覆蓋了RF設(shè)計3D場仿真的整個領(lǐng)域。根據(jù)用戶定義的頻率范圍，一次仿真運行就可以得到散射參數(shù)、輻射參數(shù)和輻射場圖。對于結(jié)構(gòu)的定義，3D編輯器集成到EMPIRE軟件中。AutocAD是流行的機械畫圖工具，可以在Empire環(huán)境中使用。監(jiān)視窗口和動畫可以給出電磁波現(xiàn)象，并獲得準(zhǔn)確結(jié)果。

2.4 CFDRC仿真軟件

CFDRC是CFD Research Corpration開發(fā)的一種基于時域有限差分法(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，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，所以由頻域到時域，HFSS在設(shè)計各種輻射器及求本征模問題方面很擅長。由于Ansoft公司進入中國市場較早，所以目前國內(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，該公司開發(fā)的Ansoft design 1.O把電路設(shè)計、電磁仿真和印刷版的設(shè)計有機地結(jié)合在了一起。

3.1 Ansoft HFSS軟件

Ansoft HFSS是美國Ansoft公司開發(fā)的一種三維結(jié)構(gòu)電磁場仿真軟件，可分析仿真任意三維無源結(jié)構(gòu)的高頻電磁場，并直接得到特征阻抗、傳播常數(shù)、S參數(shù)及電磁場、輻射場、天線方向圖等結(jié)果。該軟件被廣泛應(yīng)用于無線和有線通信、計算機、衛(wèi)星、雷達、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)，提供了功能強大、使用靈活的宏語言，直觀的后處理器及獨有的場計算器，可計算分析顯示各種復(fù)雜的電磁場，并可利用oplimetrics對任意參數(shù)進行優(yōu)化和掃描分析。

使用Ansoft HFSS還可以計算：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(yīng)端口阻抗的歸一化S參數(shù);4)結(jié)構(gòu)的本征模或諧振解等。

3.2 ANSYS Emax軟件

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

ANSYS/Emax支持有限元計算區(qū)域所有結(jié)果的靜態(tài)和動畫顯示。包含：電磁場強度、品質(zhì)因素、S參數(shù)、電壓、特征阻抗、雷達截面積(RCS)、模型區(qū)域的遠場和近場、天線方向圖、焦耳熱損耗。

ANSYS Emax7.1還提供新的計算功能：1)頻段內(nèi)快速掃頻計算，用于S參數(shù)的快速提取;2)天線各項拓展指標(biāo)(增益、輻射功率、方向圖、效率)的計算;3)Ⅳ端口網(wǎng)絡(luò)s參數(shù)自動提取;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)計越來越復(fù)雜，對電路的指標(biāo)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)不能滿足系統(tǒng)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。

實踐表明，應(yīng)用EDA仿真工具，可以大幅度降低產(chǎn)品的開發(fā)周期和研制費用，基本可以做到一次設(shè)計、一次完成，仿真結(jié)果與實驗測試結(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。而對軟件的使用者來說，任何軟件都不是完全智能的，都需要人為的干預(yù)，并對電磁場理論有深刻的理解，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。各公司的競爭越來越激烈，如何在最短的時間內(nèi)計算出最精確的結(jié)果是各軟件公司所追求的目標(biāo)。相信人們在不斷總結(jié)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，將會開發(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)的實現(xiàn)也將指日可待。