射頻EDA仿真軟件介紹

1、        1.前言微波系統(tǒng)的設(shè)計越來越復(fù)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。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)

2、計的一個焦點，而EDA技術(shù)是設(shè)計的關(guān)鍵。EDA技術(shù)的范疇包括電子工程設(shè)計師進行產(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)可為系統(tǒng)級、電路級和物理實現(xiàn)級三個層次上的輔助設(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。隨著無線和有線設(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。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

3、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)，通過電路仿真得到準確的非連續(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)值解法進行分類，對常用的微波EDA仿真軟件進行論述。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 De

4、sign System）、Sonnet電磁仿真軟件、IE3D和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)計軟件，是美國安捷倫公司開發(fā)的大型綜合設(shè)計軟件，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，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。該軟件可以在微機上運行，其前身是工作站運行的版本MDS（Microwave Design Sys

5、tem）。該軟件還提供了一種新的濾波器的設(shè)計引導(dǎo)，可以使用智能化的設(shè)計規(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)計和分析。尤其是其強大的仿真設(shè)計手段可在時域或頻域內(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，從而大大提高了復(fù)雜電路的設(shè)計效率，使之成為設(shè)計人員的有效工具。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平面高頻電路設(shè)計

6、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(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是一個基于矩量法的電磁場仿真工具，可以解決多

7、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、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。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、IC的內(nèi)部連接和高速數(shù)字電路封裝方面是一個非常有用的工具。2.4 Microwave Office 軟件介紹"Microwave Office"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

8、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。"EMSight"模

9、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。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 MICROWAVE STUDIO、FID

10、ELITY和IMST Empire3.1 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Windows環(huán)境下的仿真軟件。它主要應(yīng)用在復(fù)雜設(shè)計和更高的諧振結(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響系統(tǒng)的準確性。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

11、復(fù)雜性，結(jié)果的準確性將受到大幅度的影響。像CST DS的3D仿真軟件克服了這種限制，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、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)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

12、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的特點有：1)可對真正的三維金屬和非絕緣介質(zhì)結(jié)構(gòu)進行建模；2)高效、高準確非均勻網(wǎng)格的FDTD仿真引擎；3)能方便地對分析目標排列定位和幾何結(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；

13、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）一次仿真即可得到寬帶頻譜的功能；12）平面波激勵和SAR計算功能3.3 IMST Empire 仿真軟件IMST Empire是一種3D電磁場仿真軟件。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)計的標準。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3D場仿真的整個

14、領(lǐng)域。根據(jù)用戶的定義的頻率范圍，一次的仿真的運行，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。AUTOCADTM是一個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的現(xiàn)象，并獲得準確的結(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 HFSSAnsoft 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。An