各大仿真軟件介紹(包括算法,原理)

1、 本文由092011235貢獻(xiàn) doc文檔可能在WAP端瀏覽體驗(yàn)不佳。建議您優(yōu)先選擇TXT，或下載源文件到本機(jī)查看。 各大仿真軟件介紹（包括算法，原理） 各大仿真軟件介紹（包括算法，原理） 聲明:以下全來自于網(wǎng)絡(luò) 隨著無線和有線設(shè)計(jì)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。另外，傳統(tǒng)模式等效電路分析方 法的限制，與頻率相關(guān)電容、電感元件等效模型而引起的誤差。例如，在分析微帶 線時，許多易于出錯的無源模式是由于微帶線或帶狀線的交叉、階梯、彎曲、開路、 縫隙等等，在這種情況下是多模傳輸。為此，通常采用全波電磁仿真技術(shù)去分析電 路結(jié)構(gòu)，通過電

2、路仿真得到準(zhǔn)確的非連續(xù)模式 S 參數(shù)。 這些 EDA 仿真軟件與電磁場的數(shù)值解法密切相關(guān)的，不同的仿真軟件是根據(jù)不同的 數(shù)值分析方法來進(jìn)行仿真的。通常，數(shù)值解法分為顯示和隱示算法，隱示算法（包 括所有的頻域方法）隨著問題的增加，表現(xiàn)出強(qiáng)烈的非線性。顯示算法（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(jìn)行分類，對常用的微波 EDA 仿真軟件進(jìn) 行論述。 2基于矩量法仿真的微波 EDA 仿真軟件 基于矩量法仿真的 EDA 軟件主要包括 ADS（Advanced Design System）、Sonnet 電 磁仿真軟件、IE3D 和

3、 Microwave office。 2.1 ADS 仿真軟件 Agilent ADS(Advanced Design System)軟件是在 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(jì)軟件，是美國安捷倫公司開發(fā)的大型綜合設(shè)計(jì)軟件，是 為系統(tǒng)和電路工程師提供的可開發(fā)各種形式的射頻設(shè)計(jì)，對于通信和航天防御的 應(yīng)用， 從最簡單到最復(fù)雜， 從離散射頻微波模塊到集成 MMIC。 從電路元件的仿真， 模式識別的提取，新的仿真技術(shù)提供了高性能的仿真特性。該軟件可以在微機(jī)上運(yùn) 行，其前身是工作站運(yùn)行的版本 MDS（Microwave Design System）。該軟件還提供 了

4、一種新的濾波器的設(shè)計(jì)引導(dǎo)，可以使用智能化的設(shè)計(jì)規(guī)范的用戶界面來分析和綜 合射頻微波回路集總元濾波器，并可提供對平面電路進(jìn)行場分析和優(yōu)化功能。它 允許工程師定義頻率范圍，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 的無源器件模式。該軟件范圍涵蓋了小至元器件，大到系統(tǒng)級的設(shè)計(jì)和分析。尤其 是其強(qiáng)大的仿真設(shè)計(jì)手段可在時域或頻域內(nèi)實(shí)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(jì)結(jié)果進(jìn)行成品率分析與優(yōu)化，從而大大提高了 復(fù)雜電路的設(shè)計(jì)效率，使之成為設(shè)計(jì)人員的有效工具 6-7。 2.2 Sonnet 仿真軟件 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

5、電路設(shè)計(jì)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(jì)的 EDA 工具。SonnetTM 應(yīng)用于平 面高頻電磁場分析，頻率從 1MHz 到幾千 GHz。主要的應(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）、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(dǎo)電路 分析、毫米波集成電路（ MMIC） 設(shè)計(jì)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。 2.3 IE3D 仿真軟件 IE3D

6、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。它利用積分的方式求解 Maxwell 方程組，從而解決電磁波的效 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、 z 參數(shù)， y、 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。IE3D 在微波/毫米波集成電路（MMIC）、RF 印制板電路、微帶天線、線電線和其它形式 的 RF 天線、 HTS 電路及濾波器、 的內(nèi)部連接和高速數(shù)字電路封裝方面是一個非常 IC 有用的工具。 2.4 Microwave Office 軟件介紹 “Microwa

7、ve Office”軟件是通過兩個模擬器來對微波平面電路進(jìn)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(yīng)晶體管，二極管等等。

8、 ”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(diǎn)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(jì)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)等電路的電氣特性。 Microwave Office 2002 增加了一些新功能，包括濾波器智能綜合、智能負(fù)載牽引， 提高對存在的回路的電磁仿真，包括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。 3基于時域有限差分的微波仿真軟件 基于時域有限差分的仿真軟件包括：CST

9、 MICROWAVE STUDIO、FIDELITY 和 IMST Empire 3.1 CST MICROWAVE STUDIO 仿真軟件 CST MICROWAVE STUDIO? (CST SD)是為快速、精確仿真電磁場高頻問題而專門 開發(fā)的 EDA 工具， 是基于 PC 機(jī) Windows 環(huán)境下的仿真軟件。 它主要應(yīng)用在復(fù)雜設(shè) 計(jì)和更高的諧振結(jié)構(gòu)。CST DS 通過散射參數(shù)使電磁場元件結(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，可以快速 的分析和降低系統(tǒng)所需的內(nèi)存。CST DS 它考慮了在子單元之間高階模式的耦合， 結(jié)構(gòu)分成小部分而沒有影

10、響系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。 傳統(tǒng)的電路仿真軟件仿真是快速的，但是，當(dāng)考慮集膚效應(yīng)損耗和材料的復(fù)雜性， 結(jié)果的準(zhǔn)確性將受到大幅度的影響。 CST DS 的 3D 仿真軟件克服了這種限制， 像 可 以解決任意幾何形狀的下所建立的麥克斯韋方程，包括復(fù)雜的材料模式。 CST MICROWAVE STUDIO? 的可以應(yīng)用在仿真電磁場領(lǐng)域包括大多數(shù)的高頻電 磁場問題上。移動通信、無線設(shè)計(jì)、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、聯(lián)結(jié)器、IC 封裝、各種類型天線、微波元 器件、藍(lán)牙技術(shù)和電磁兼容/干擾等。 3.2 FIDELITY 仿真軟件 FIDELITY 是基于非均勻網(wǎng)

11、格的時域有限差分方法的全三維電磁 場仿真器，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， 波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、線電線和其它形式的 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 方面的應(yīng)用。 FIDELITY 的特點(diǎn)有：1)可對真正的三維金屬和非絕緣介質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模；2)高 效、高準(zhǔn)確非均勻網(wǎng)格的 FDTD 仿真引擎；3)能方便地對分析目標(biāo)排列

12、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(jìn)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(jìn)行單獨(dú)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(shí)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(jì)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）一次仿真即可得到寬帶頻譜的功能；12）平面波激 勵和 SAR 計(jì)算功能 3.3 IMST Empire 仿真軟件 IMST Empire 是一種 3D 電磁場仿真軟件。

13、它是一種基于 3D 的時域有限差分的方法， 這種方法已經(jīng)變成 RF 元件設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)。它的應(yīng)用范圍從分析平面結(jié)構(gòu)、互聯(lián)、的 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(jì) 3D 場仿 真的整個領(lǐng)域。根據(jù)用戶的定義的頻率范圍，一次的仿真的運(yùn)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。 AUTOCADTM 是一個流行的機(jī)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的現(xiàn)象，并獲得準(zhǔn)確的結(jié)果。 4基于有限元的微波 EDA 仿真軟件 基于有限元的典型仿真軟件是：Ansoft HFSS

14、 Ansoft HFSS 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，可分析仿真任意 三維無源結(jié)構(gòu)的高頻電磁場，可直接得到特征阻抗、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(jì)算機(jī)、衛(wèi)星、 雷達(dá)、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(qiáng)大、使用靈活的宏語言，直觀的后處理器及獨(dú)有 的場計(jì)算器，可計(jì)算分析顯示各種復(fù)雜的電磁場，并利用 Optimetrics 可對任意的 參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化和掃描分析。 使用 Ansoft HFSS，可以

15、計(jì)算：1）基本電磁場數(shù)值解和開邊界問題，近遠(yuǎn)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?；蛑C振解。 常用的高頻電磁場仿真軟件有下面這些： Ansoft HFSS、Designer、Emsenble。ansoft 一貫使用 FEM（有限元法），HFSS 在中國大陸有絕 對的市場份額。一直被大家認(rèn)為電小不錯，電大不行。一年一來一直致力于推翻大家這種印象。 終端仿真里面面， 我們認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)參數(shù)相對還是比較正確的， 但是場參數(shù)有時候就不是那么令人滿 意了。例如，建模一個 dipole，在大部分關(guān)鍵的己方加了很多人工干預(yù)網(wǎng)哥劃分，但是，增益 和

16、 pattern 的波束角寬都差挺多的。手機(jī)天線仿真經(jīng)常是百分之一百零幾的效率。在 9.1 版里 results 里就不得不多加了 realized gain 這個選項(xiàng)，把 gain 這個選項(xiàng)的值打個折扣給你：） CST 的 Microwave Studio，一直大家一位是 fdtd，其實(shí)它是時域積分法（FITD），當(dāng)然其實(shí)不 是原則上的不同。和 FEM 方法不同，F(xiàn)DTD 或者 FITD 都是先在時域計(jì)算，用一個寬頻譜的激勵信 號（方波或者高斯波都有）去激勵模型，在時域計(jì)算然后去反演到頻域。系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)和場參 數(shù)基本上是反演后的得到的。特點(diǎn)是可以計(jì)算相當(dāng)大的帶寬結(jié)果，而不需要象用 anso

17、ft，可能 要把大帶寬分割后分別仿真。CST 計(jì)算過程中，由于沒有 FEM 計(jì)算過程中矩陣求逆過程，計(jì)算時 間和網(wǎng)格數(shù)成線性增長關(guān)系，而 FEM 的是指數(shù)增長關(guān)系。CST 的 MWS 從 4.3 版起，開始有了大小 網(wǎng)格嵌套技術(shù)，在曲面上細(xì)化六面體網(wǎng)格逼進(jìn)曲面。這是其它 FDTD 套件所沒有的。CST 的 MWS 最大的問題是不象 ansoft 的那么傻瓜化， 很多參數(shù)即使看了 help 也不是很能讓人理解。 如果很 深入了解 MWS 內(nèi)部細(xì)節(jié)， 估計(jì)可以一次性不用收斂做出完美的仿真。 我們曾經(jīng)用完全相同的模型 分別在 ansoft 和 CST 運(yùn)行，結(jié)果雙頻天線 CST 結(jié)果低頻比 anso

18、ft 結(jié)果高。而高頻又比 ansoft 結(jié)果低。但是場參數(shù)就可靠得多了，一個加上塑膠外殼參數(shù)、電池、屏蔽罩等器件的模型，天線 在諧振點(diǎn)就是比較真實(shí)的百分之四、五十。韓國都用 CST，沒有什么人用 ansoft。 Zeland IE3D，矩量法（MoM）。IE3D 可能是最好的商業(yè) MoM 套件。MoM 原理相對簡單，且計(jì)算速 度極快。IE3D 比較適合 2.5 維情形，例如算算 PCB 或者微帶天線比較合適，算復(fù)雜 3D 結(jié)構(gòu)力不 從心。但是，手機(jī) PIFA 的計(jì)算就比較適合用 IE3D。不是用于做天線項(xiàng)目仿真，而是用于研究天 線的基本特征，天線和 PCB 如何相互耦合、PCB 上激發(fā)的表面電

19、流走向等原型階段的預(yù)研。 Zeland Fidelity，F(xiàn)DTD 法，相比 IE3D 名氣小，用的人也不多。沒有 CST 大小網(wǎng)格嵌套。這里 補(bǔ)充一句，所有的 FDTD 套件都是采用 PML 方法的。 XFDTD，有名的 FDTD 套件。經(jīng)常和很多測試 SAR 的硬件系統(tǒng)聯(lián)系在一起，在加載人體電磁模型后 可以計(jì)算 SAR 值。缺點(diǎn)是天線 Pattern 沒有 3D 顯示，只有 2D 截面。這個缺點(diǎn)最好能在新版本中 改進(jìn)。 SemCAD，也是 FDTD 套件。沒有比 XFDTD 等有太多優(yōu)勢，也有被用來計(jì)算 SAR 的。好像也有用來 作系統(tǒng) EMC 計(jì)算。 IMST Empire，F(xiàn)DTD 套

20、件。非常優(yōu)秀的高頻電磁場套件，德國人的東西。獲得歐洲多次仿真大賽 的優(yōu)勝，仿真題目是一個 Vivalti 天線，速度最快，又最準(zhǔn)確。但是正如德國人的問題，好是好， 但又有太過明顯缺陷。建模法實(shí)在是太復(fù)雜了，我學(xué)了三次都沒有真正學(xué)會。最后沒有時間只好 放棄。 FEKO，用 Ansys 接口的軟件，使用混和 MoM，多層快速多極子（這個我只知道名稱了），幾何光 學(xué)和射線追蹤法等，可以計(jì)算非常復(fù)雜的 3D 結(jié)構(gòu)和環(huán)境，擅長電大尺寸。常被用做飛機(jī)電磁性 能的建模和仿真。 Sonnet，MoM 方法。這個就不太熟了。 SuperNEC，MoM 法，要使用 MatLab 平臺。這個會限制它的計(jì)算速度，因?yàn)?/p>

21、 MatLab 是行解釋型的， 代碼不編譯。 ADFEMS，才聽說的軟件套件。意大利公司的產(chǎn)品，以前是對中國禁運(yùn)的軟件。據(jù)說是因?yàn)樘珜?業(yè)太有用了，是航天器衛(wèi)星、兵器等電磁仿真的利器?，F(xiàn)在正在逐步對中國企業(yè)開放。但是如果 是研究所或者國營機(jī)構(gòu)去買，也還是不賣。報(bào)價是 ansoft 等套件的 10 倍以上。 Aplac，據(jù)說 Nokia 公司的人用這個作電磁場仿真。只是接觸過他們的一個 Sales，看過一點(diǎn)資 料，主要是電路和系統(tǒng)級的。電磁場模塊 fdtd 的，建模巨復(fù)雜。其它的都不清楚。 CFDTD，全名 Conformal FDTD，中國人編的商業(yè)套件。據(jù)說業(yè)界還有好評。但是看來商業(yè)做得不

22、好，網(wǎng)上后來就沒有再見消息。特色不用說，肯定是 conformal 啦，現(xiàn)在誰能對金屬曲面邊界做 好 conformal meshing 的就是好計(jì)算方法了 基礎(chǔ)知識 1. 矩量法 矩量法是求解電磁場邊界值問題中一種行之有效的數(shù)值方法，其數(shù)學(xué)本質(zhì)是一種求 解線性方程的方法。 矩量法矩量法-定義 矩量法所做的工作是將積分方程化為差分方程,或?qū)⒎e分方程中積分化為有限求和,從而建立代 數(shù)方程組， 故它的主要工作量是用計(jì)算機(jī)求解代數(shù)方程組.所以,在矩量法求解代數(shù)方程組過程中, 矩陣規(guī)模的大小涉及到占用內(nèi)存的多少,在很大程度上影響了計(jì)算的速度.如何盡可能的減少矩 陣存儲量,成為加速矩量法計(jì)算的關(guān)鍵 矩量法矩量法-使用步驟 1.將未知量 J 在算子的定義域內(nèi)展開成有基函數(shù)所組成的級數(shù)。 2.確定合適的內(nèi)積和一個權(quán)函數(shù)。 3.取內(nèi)積建立矩陣方程。 4.解矩陣方程，求得未知量。 矩量法矩量法-應(yīng)用領(lǐng)域 計(jì)算電磁學(xué) 時域有限差分 時域有限差分法（Finite-Difference Time-Domain, FDTD）是電磁 時域有限差分法 FDTD 場計(jì)算領(lǐng)域的一種常用方法。 時域有限差分法由 K. S. Yee 在 1966 年在其論文Numerical solution of initial boundary value probl