微波EDA电磁场仿真软件评述

引言

随着单片集成电路技术的不断发展，GaAs、硅为基础的微波/毫米波单片集成电路(MIMIc)和超高速单片集成电路(VHSIC)都面临着一个崭新的发展阶段，电路的设计与工艺研制日益复杂化，如何进一步提高电路性能、降低成本、缩短电路的研制周期，已经成为电路设计的一个焦点，而EDA技术是设计的关键。EDA技术的范畴包括产品开发的全过程，以及电子产品生产过程中期望由计算机提供的各种辅助功能。一方面EDA技术可分为系统级、电路级和物理实现级3个层次上的辅助设计过程;另一方面EDA技术应包括电子线路从低频到高频、从线性到非线性、从模拟到数字、从分立电路到集成电路的全部设计过程。

随着无线电系统设计向更高频率的发展和电路复杂性的增加，对于高频电磁场的仿真，由于忽略了高阶传播模式而引起仿真的误差。特别是射频集成电路和微渡集成电路，对传统的低频模拟和数字电路的设计方法提出了新挑战。这些挑战包括器件和处理过程的变化、分布传输线的非连续模式和电磁(EM)耦合的变化。同时，设计还必须考虑半导体材料(GaAs.siGe，InP)的特性，而材料问题和工作在微波频率下所建立模型的精确化问题则是更大的挑战。

这些EDA仿真软件与电磁场的数值解法密切相关，不同的仿真软件是根据不同的数值分析方法来进行仿真的。通常，数值解法分为显式和隐式算法，随着问题的增加，隐式算法(包括所有的频域方法)表现出强烈的非线性。显式算法(例如FDTD、FIT方法)在处理问题时，表现出合理的存储容量和时间。

本文根据电磁仿真工具所采用的数值解法进行分类，对常用的微波EDA仿真软件进行评述。

1 基于矩量法的微波EDA仿真软件

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

1.1 ADS软件

Agilent ADS是美国安捷伦公司在HP EESOF系列EDA软件基础上发展完善起来的大型综合设计软件，为系统和电路设计人员提供可开发各种形式射频设计的有力工具，应用面涵盖从射频/微波模块到集成MMIc。该软件可以在微机上运行，其前身是工作站运行版本MDS(Micmwave Design System)。ADS软件还提供了一种新的滤波器设计指导，可以使用智能化用户界面来分析和综合射频/微波电路，并可对平面电路进行场分析和优化。它允许用户定义频率范围、材料特性、参数的数量和根据用户的需要自动产生关键的无源器件模型。该软件范围涵盖了小至元器件芯片，大到系统级的设计和分析。尤其可在时域或频域内实现对数字或模拟、线性或非线性电路的综合仿真分析与优化，并可对设计结果进行成品率分析与优化，提高了复杂电路的设计效率，使之成为设计人员的有效工具。

ADS仿真软件在国内各大学和研究所已得到广泛的应用，是仿真软件中的佼佼者。它是一种综合性的设计软件，可以完成对电路和场结构的仿真。快速的电路仿真为设计者提供初始的设计结果，然后通过矩量法仿真得到准确的结果。ADS提供了对不同电路的设计指导，包括滤波器、放大器、蓝牙、混频器、振荡器和无源器件的设计，在2003A版本中还增加了对单片微波集成电路的设计，使设计更加方便。

1.2 Sonnet软件

sonnet软件公司是全球领先的以电磁场技术为核心的电子设计自动化专业软件商。其主要业务是开发、推广并在技术上支持它的高端技术软件产品。sonnet公司开发的3D平面电磁场分析软件，凭借其在单层和多层平面电路和天线上的精确、快速的分析能力，赢得了世界上几百家客户的赞誉。

sonnet是一种基于矩量法的电磁仿真软件，提供面向3D的高频电路设计，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。sonnet应用于高频电磁场分析，频率从lMHz到数十GHz。主要应用有：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)、耦合线分析、PCB板电路分析、PCB板电磁干扰分析、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、平面耦合孔的分析等。

1.3 IE3D软件

IE3D是zeland公司开发的一种基于矩量法的电磁场仿真工具，可以解决多层介质环境下三维金属结构的电流分布问题。它利用积分的方式求解Maxwell方程组，从而解决电磁波效应、不连续性效应、耦合效应和辐射效应问题。仿真结果包括S、Y、Z参数、VSWR、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。IE3D在微波/毫米波集成电路(MMlC)、RF印制板电路、微带天线、线天线和其它形式的RF天线、HTS电路及滤波器、Ic的互联和高速数字电路封装方面是一个非常有用的工具。

1.4 Microwave Office软件

Microwave Office软件是Applied Wave Research公司开发的高频电磁仿真软件，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"模拟器用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平面电路则采用场的方法较为有效，该软件采用“EMSight”模拟器处理任何多层平面结构的三维电磁场问题。

“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。其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。它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)等的电气特性。

Microwave Office 2002增加了一些新功能，包括滤波器智能综合、振荡器相位噪声分析和3D平面电磁仿真引擎，使对某些复杂问题的仿真更加有效。

1.5 FEKO软件

FEKO是Ansys公司开发的以矩量法为核心算法的高频电磁仿真软件。由于其基于严格的积分方程方法，因此只要硬件条件许可，就可以求解任意复杂结构的电磁问题。为了在当前的计算机硬件条件下完成大尺寸复杂结构(一般从数值计算的角度定义为，待分析目标尺寸超过10个波长)的计算，本软件还提供了专用于大尺寸问题的高频方法——物理光学方法(PO)和一致性几何绕射理论(UTD)。

FEK0真正实现了MM方法和PO/UTD的混合，因此完全可以根据用户的需要进行快速精确的电磁计算。当问题的电尺寸太大时，就可考虑使用本产品的混合方法来进行仿真模拟。对关键性的部位使用矩量法，对其他重要的区域(一般都是大的平面或者曲面)使用PO或者UTD。根据不同的电磁问题，对混合方法进行组合，可按用户需要得到满意的精度和速度。另外，对PO方法，FEKO使用了棱边修正项和模拟凸表面爬行波的福克电流。根据计算机硬件条件和待求解问题精度要求的不同，FEKO软件可以求解成百上千个波长的电磁问题。

2 基于时域有限差分法的微波EDA仿真软件

基于时域有限差分的仿真软件包括：CST MICROWAVE STUDIO、FIDELlTY、IMST Empire和CFDRC。

2.1 CST MICROWAVE STUDIO仿真软件

CST MICROWAVE STUDlO是Computer Simulation Technology公司专门开发的高频电磁场问题EDA工具，是基于PC机Windows环境下的仿真软件，主要应用在复杂和更高频的谐振结构。CST通过散射参数把电磁场元件结合在一起，把复杂的系统分离成更小的子单元，通过对系统每一个单元行为的S参数的描述，可以进行快速的分析，并且降低系统所需的内存。CST考虑了在子单元之间高阶模式的耦合，由于系统的有效分割而没有影响系统的准确性。

CST MICROWAVE STUDIO可以应用在仿真电磁场领域，分析大多数高频电磁场问题，包括移动通信、无线设计、信号完整性和电磁兼容(EMC)等。具体应用范围包括耦合器、滤波器、平面结构电路、连接器、IC封装、各种类型天线、微波元器件、蓝牙技术和电磁兼容/干扰等。

CST具有以下特点：1)采用近乎完美的边界条件逼近(PBA)方法;2)可视的图形化用户界面(GUI)使CST MWS更加易于学习和使用;3)自动输入CAD数据节省了大量时间;4)通过先进的优化软件包对产品进行优化处理，使设计师快速得到需要的结构尺寸。

2.2 FIDELITY仿真软件

FIDELITY是Zeland公司开发的基于非均匀网格的时域有限差分方法的三维电磁场仿真软件，可以解决具有复杂填充介质求解域的场分布问题。仿真结果包括S、Y、Z参数、VSWR、RLC等效电路、近场分布、坡印廷矢量和辐射方向图等。FIDELITY可以分析非绝缘和复杂介质结构的问题。它在微波/毫米波集成电路(MMIC)、RF印制板电路、微带天线、线天线和其它形式的RF天线、HTS电路及滤波器、IC的内部连接和高速数字电路封装，EMI及EMC方面得到应用。

FIDELITY的特点有：1)可对三维金属和非绝缘介质结构进行建模;2)高效非均匀网格的FDTD仿真引擎;3)能方便地对分析目标进行排列定位和几何结构的编辑与检查;4)可对非各向同性介质填充的同轴波导和矩形波导进行建模;5)具有自动网格生成功能、网格优化功能和对输入的几何结构进行单独网格生成功能;6)预定义同轴、微带、矩形波导和用户定义端口;7)不同边界条件的实现(如PML);8)集成的预处理和后处理功能，包括S参数提取和时域信号显示;9)辐射方向图的计算、近场动态显示功能;10)具有切片显示功能的三维和二维电场、磁场及坡印廷矢量的显示;11)平面波激励和SAR计算功能。

2.3 IMST Empire仿真软件

IMST Empire是一种3D电磁场仿真软件，是基于3D的时域有限差分方法。它的应用范围从分析平面结构、互联、多端口集成到微波波导、天线、EMC问题。Empire基本覆盖了RF设计3D场仿真的整个领域。根据用户定义的频率范围，一次仿真运行就可以得到散射参数、辐射参数和辐射场图。对于结构的定义，3D编辑器集成到EMPIRE软件中。AutocAD是流行的机械画图工具，可以在Empire环境中使用。监视窗口和动画可以给出电磁波现象，并获得准确结果。

2.4 CFDRC仿真软件

CFDRC是CFD Research Corpration开发的一种基于时域有限差分法(FDTD)或基于磁矢量位的全隐式方法的三维仿真软件。此工具可以仿真电磁波传播、交调失真、辐射和电磁干扰，同时，提供重要的电路性能参数，如电容、电感、阻抗、S参数、Y参数等。建模工具提供标准的EDA输人(CIF，GDSⅡ，DXF)，使结构的建立变得非常容易。全波电磁仿真使用非结构的多面体网格可以解出三维任意形状的Maxwell方程的解。

CFDRC仿真软件通常使用在高保真电磁分析场合(射频微电子、EMI/EMC、RF MEMS器件、封装、天线、高密度互连、光子学)，目前还应用于RFMEMs器件封装研究。

3基于有限元法的微波EDA仿真软件

基于有限元法的典型仿真软件是Ansoft HFSS和Ansys Emax。

HFSS的理论基础是有限元方法，是一种积分方法，得到的是频域解，所以由频域到时域，HFSS在设计各种辐射器及求本征模问题方面很擅长。由于Ansoft公司进入中国市场较早，所以目前国内HFSS的使用者众多，特别是在各大通信技术研究单位、公司、高校非常普及。最近，该公司开发的Ansoft design 1.O把电路设计、电磁仿真和印刷版的设计有机地结合在了一起。

3.1 Ansoft HFSS软件

Ansoft HFSS是美国Ansoft公司开发的一种三维结构电磁场仿真软件，可分析仿真任意三维无源结构的高频电磁场，并直接得到特征阻抗、传播常数、S参数及电磁场、辐射场、天线方向图等结果。该软件被广泛应用于无线和有线通信、计算机、卫星、雷达、半导体和微波集成电路、航空航天等领域。

Ansoft HFSS采用自适应网格剖分、ALPS快速扫频、切向元等专利技术，集成了工业标准的建模系统，提供了功能强大、使用灵活的宏语言，直观的后处理器及独有的场计算器，可计算分析显示各种复杂的电磁场，并可利用oplimetrics对任意参数进行优化和扫描分析。

使用Ansoft HFSS还可以计算：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等。

3.2 ANSYS Emax软件

ANSYS Emax是ANSYS公司的高频电磁场分析产品。应用领域包括：射频/微波无源器件、射频/微波电路、电磁干扰与电磁兼容(EMI/EMC)、天线设计和目标识别。

ANSYS/Emax支持有限元计算区域所有结果的静态和动画显示。包含：电磁场强度、品质因素、S参数、电压、特征阻抗、雷达截面积(RCS)、模型区域的远场和近场、天线方向图、焦耳热损耗。

ANSYS Emax7.1还提供新的计算功能：1)频段内快速扫频计算，用于S参数的快速提取;2)天线各项拓展指标(增益、辐射功率、方向图、效率)的计算;3)Ⅳ端口网络s参数自动提取;4)热效应分析;5)S参数的Touch stone格式文件输出;6)RCS极化方向选择。

4结论

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系统设计的需要，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。

实践表明，应用EDA仿真工具，可以大幅度降低产品的开发周期和研制费用，基本可以做到一次设计、一次完成，仿真结果与实验测试结果非常相近。但随着频率的增加和电路复杂性的增加，为了获得更精确的仿真结果和提高仿真软件的运行效率，需要有准确的模式与之相匹配和更精确的数值分析方法。而对软件的使用者来说，任何软件都不是完全智能的，都需要人为的干预，并对电磁场理论有深刻的理解，才能建立有效的模型。目前，RF和微波EDA仿真软件已从单一的仿真工具向多重仿真工具发展，即：EDA仿真软件将集电磁仿真、集成电路仿真、电路板的制作为一体。各公司的竞争越来越激烈，如何在最短的时间内计算出最精确的结果是各软件公司所追求的目标。相信人们在不断总结经验的基础上，将会开发出性能更加稳定、应用更加广泛的各类微波EDA仿真工具，微波工程领域应用的人工智能专家系统最终目标的实现也将指日可待。