射频设计工具介绍

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1.前言
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，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。
随着无线和有线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。另外，传统模式等效电路分析方法的限制，与频率相关电容、电感元件等效模型而引起的误差。例如，在分析微带线时，许多易于出错的无源模式是由于微带线或带状线的交叉、阶梯、弯曲、开路、缝隙等等，在这种情况下是多模传输。为此，通常采用全波电磁仿真技术去分析电路结构，通过电路仿真得到准确的非连续模式S参数。
这些EDA仿真软件与电磁场的数值解法密切相关的，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，数值解法分为显示和隐示算法，隐示算法（包括所有的频域方法）随着问题的增加，表现出强烈的非线性。显示算法（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仿真软件进行论述。
2．基于矩量法仿真的微波EDA仿真软件
基于矩量法仿真的EDA软件主要包括ADS（Advanced Design System）、Sonnet电磁仿真软件、IE3D和Microwave office。
2.1 ADS仿真软件
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，是为系统和电路工程师提供的可开发各种形式的射频设计，对于通信和航天／防御的应用，从最简单到最复杂，从离散射频／微波模块到集成MMIC。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。该软件可以在微机上运行，其前身是工作站运行的版本MDS（Microwave Design System）。该软件还提供了一种新的滤波器的设计引导，可以使用智能化的设计规范的用户界面来分析和综合射频／微波回路集总元滤波器，并可提供对平面电路进行场分析和优化功能。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。
2.2 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 和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。
2.3 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。
2.4 Microwave Office 软件介绍
"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 2002 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。
3．基于时域有限差分的微波仿真软件
基于时域有限差分的仿真软件包括：CST MICROWAVE STUDIO、FIDELITY和IMST Empire
3.1 CST MICROWAVE STUDIO 仿真软件
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。
传统的电路仿真软件仿真是快速的，但是，当考虑集肤效应损耗和材料的复杂性，结果的准确性将受到大幅度的影响。像CST DS的3D仿真软件克服了这种限制，可以解决任意几何形状的下所建立的麦克斯韦方程，包括复杂的材料模式。
CST MICROWAVE STUDIO　的可以应用在仿真电磁场领域包括大多数的高频电磁场问题上。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、联结器、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。
3.2 FIDELITY 仿真软件
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。仿真结果包括S-、Y-、Z-参数，VSWR，RLC等效电路，近场分布，波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，EMI及EMC方面的应用。
FIDELITY的特点有：1)可对真正的三维金属和非绝缘介质结构进行建模；2)高效、高准确非均匀网格的FDTD仿真引擎；3)能方便地对分析目标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）一次仿真即可得到宽带频谱的功能；12）平面波激励和SAR计算功能
3.3 IMST Empire 仿真软件
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。
4．基于有限元的微波EDA仿真软件
基于有限元的典型仿真软件是：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，可计算分析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。