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微波EDA 电磁仿真软件大观

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下图是笔者设计的圆极化缝隙天线的3D Gain图:


这是笔者最近用HFSS,Designer V2设计的UHF(915MHz) 微带圆极化缝隙天线的网格剖分和3D磁场辐射图。
 

 图   UHF微带圆极化缝隙天线的网格剖分和3D磁场辐射图        


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。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 技术的范畴包括电子工程设计师进行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 技术可为系统级电路级和物理实现级三个层次上的辅助设计过程;

1.基于矩量法仿真的微波EDA 仿真软件
(1)Agilent ADS(Advanced Design System)
Agilent ADS(Advanced Design System)软件是在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。是美国安捷伦公司开发的大型综合设计软件是为系统和电路从电路元件的仿真模式识别的提取新的仿真技术提供了高性能的仿真特性。

它 允许工程师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式,该软件范围涵盖了小至元器件大到系统级的设计和分析,尤其是其强 大的仿真设计手段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。从而大大提高了复杂电路的 设计效率使之成为设计人员的有效工具。

(2)Sonnet 仿真软件
Sonnet 是一种基于矩量法的电磁仿真软件提供面向3D 平面高频电路设计系统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。SonnetTM 应用于平面高频电磁场分析频率从1MHz 到几千GHz ,主要的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偶合线分析PCB 板电路分析PCB 板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 LTCC 转换单层或多层传输线的精确分析多层的平面的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偶合孔的分析等。

(3)IE3D 仿真软件
IE3D 是一个基于矩量法的电磁场仿真工具。可以解决多层介质环境下的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,从而解决电磁波的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VWSR 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MMIC RF 印制板电路微带天线线电线和其它形式的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方面是一个非常有用的工具。

(4)Microwave Office
“Microwave Office”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 的模拟器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微波平面电路则采用场的方法较为有效。该软件采用的是”EMSight”的模拟器来处理任何多层平面结构的三维电磁场的问题。

“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)等电路的电气特性。

Microwave Office 2006 增加了一些新功能包括滤波器智能综合智能负载牵引,提高对存在的回路的电磁仿真包括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。是一款容易学习和使用的RF仿真软件。

2.基于时域有限差分的微波仿真软件

(1)CST MICROWAVE STUDIO
CST MICROWAVE STUDIO™ (CST SD)是为快速精确仿真电磁场高频问题而专门开发的EDA 工具。是基于PC 机Windows 环境下的仿真软件它主要应用在复杂设计和更高的谐振结构,CST DS 通过散射参数使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。可以快速的分析和降低系统所需的内存,CST DS 它考虑了在子单元之间高阶模式的耦合结构分成小部分而没有影响系统的准确性。

(2)FIDELITY
FIDELITY 是基于非均匀网格的时域有限差分方法的全三维电磁场仿真器。可以解决
具有复杂填充介质求解域的场分布问题。

(4)IMST Empire
IMST Empire 是一种3D 电磁场仿真软件它是一种基于3D 的时域有限差分的方法。这种方法已经变成RF 元件设计的标准它的应用范围,从分析平面结构互联的多端口集成到微波波天线EMC 问题EMPIRE 基本覆盖了RF 设计3D 场仿真的整个领域。根据用户的定义的频率范围一次的仿真的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AUTOCADTM 是一个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的现象并获得准确的结果。

3.基于有限元的微波EDA 仿真软件

1.Ansoft HFSS
Ansoft HFSS 是世界上第一个商业化的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可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。可计算分显示各种复杂的电磁场并利用Optimetrics 可对任意的参数进行优化和扫描分析。使用Ansoft HFSS 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。

随着EDA 技术的发展电磁仿真软件在微波产品设计中起到越来越重要的作用大幅度降低了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数值分析方法。 目前在我国比较流行使用的电路仿真工具Ailgent 公司的ADS 和电磁场仿真工具Ansoft 公司的HFSS。