电磁场仿真软件简介-硬件和射频工程师

电磁场仿真软件简介随着电磁场和微波电路领域数值计算方法的发展，在最近几年出现了大量的电磁场和微波电路仿真软件。在这些软件中，多数软件都属于准3维或称为2.5维电磁仿真软件。例如,gilent公司的ADS（AdvancedDesignSyste）AWR公司的MicrowaveOfficeAnsoft公司的Esemble、Serenade和CST公司的CSTDesignStudic等。目前，真正意义上的三维电磁场仿真软件只有Ansoft公司的HFSS、CST公司的Mafia、CSTMicrowaveStudioZeland公司的Fidelit和IMSTGmbH公司的EMPIRE。从理论上讲，这些软件都能仿真任意三维结构的电磁性能。其中，HFSS（HFSS是英文高频结构仿真器（HighFrequencyStruetureSimulator）的缩写）是一种最早出现在商业市场的电磁场三维仿真软件。因此，这一软件在全世界有比较大的用户群体。由于HFSS进入中国市场较早，所以目前国内的电磁场仿真方面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。德国CST公司的MicroWaveStudi（微波工作室）是最近几年该公司在Mafia软件基础上推出的三维高频电磁场仿真软件。它吸收了Mafia软件计算速度快的优点，同时又对软件的人机界面和前、后处理做了根本性的改变。就目前发行的版本而言，CST的MWS的前后处理界面及操作界面比HFSS好。Ansoft也意识到了自己的缺点，在刚刚推出的新版本HFSS（定名为AnsoftHFSSV9.）中，人机界面及操作都得到了极大的改善。在这方面完全可以和CST媲美。在性能方面，两个软件各有所长。在速度和计算的精度方面CST和ANSOFT成绩相差不多。值得注意的是，MWS采用的理论基础是FIT（有限积分技术）。与FDTD（时域有限差分法）类似，它是直接从Maxwell方程导出解。因此，MWS可以计算时域解。对于诸如滤波器，耦合器等主要关心带内参数的问题设计就非常适合；而HFSS采用的理论基础是有限元方法（FEM），这是一种微分方程法，其解是频域的。所以，HFSS如果想获得频域的解，它必须通过频域转换到时域。由于，HFSS是用的是微分方法，所以它对复杂结构的计算具有一定的优势。另外，在高频微波波段的电磁场仿真方面也应当提及另一个软件：ANSYS。ANSYS是一个基于有限元法（FEM）的多功能软件。该软件可以计算工程力学、材料力学、热力学和电磁场等方面的问题。它也可以用于高频电磁场分析（应用例如：微波辐射和散射分析、电磁兼容、电磁场干扰仿真等）。其功能与HFSS和CSTMWS类似。但由于该软件在建模和网格划分过程中需要对该软件的使用规则有详细的了解，因此，对一般的工程技术人员来讲使用该软件有一定困难。对于高频微波波段通信、天线、器件封装、电磁干扰及光电子设计中涉及的任意形状三维电磁场仿真方面不如HFSS更专业、更理想。实际上，ANSYS软件的优势并不在电磁场仿真方面，而是结构静力动力分析、热分析以及流体动力学等。但是，就其电磁场部分而言，它也能对任意三维结构的电磁特性进行仿真。虽然，eland公司的Fidelit和IMSTGmbH公司的EMPIRE也可以仿真三维结构。但由于这些软件的功能不如前面的软件，所以用户相对较少。下面列出几个相关软件的名称和主要性能，微波CAD软件简介厂商名称主要性能计算方法AgilentADS线性/非线性电路仿真；数字电路仿真；信号系统分析、仿真。Momentum2.5D平面电路高频电磁场仿真矩量法（MoM）AnsoftHFSS3D高频电磁场仿真有限元法（FEM）Designer线性/非线性电路仿真；2.5D平面电路高频电磁场仿真；信号系统分析、仿真。矩量法（MoM）Ensemble2.5D平面电路高频电磁场仿真矩量法（MoM）SerenadeSymphony信号系统分析、仿真。Harmonica线性/非线性电路仿真；2.5D平面电路高频电磁场仿真矩量法（MoM）SPICELink高级信号与系统仿真；SchematicCapture驱动系统仿真；提取等效电路。Optimatrics参数分析、优化和灵敏度分析有限差分法（FDM）CSTMafia低频电场和磁场仿真；3D高频电磁场仿真；系统热力学仿真；带电粒子运动仿真。有限积分技术（FIT）MicrowaveStudio3D高频电磁场仿真有限积分技术（FIT）DesignStudio2.5D平面电路高频电磁场仿真；矩量法（MoM）AWRMWOffice线性徘线性电路；2.5D平面电路高频电磁场仿真。矩量法（MoM）IMSTGmbHEMPIRE3D高频电磁场仿真时域有限差分法（FDTD）ZelandIE3D2.5D平面电路高频电磁场仿真。时域有限差分法（FDTD）Fidelity3D高频电磁场仿真SonnetEM2.5D平面电路高频电磁场仿真ANSYSANSYS结构静力分析结构动力分析线性及非线性屈曲分析断裂力学分析高度非线性瞬态动力分析热分析流体动力学3D高频电磁场分析有限元法（FEM）1.1几个主要相关类型软件的简介：1.1.1ADS(AdvancedDesignSystem)它是AgilentTechnoligy公司推出的一套电路自动设计软件oAgilentTechnoligyies公司把已有产品HPMDS(MicrowaveDesignSystem)和HPEEsofIV(ElectronicEngineeringSoftware两者的精华有机的结合起来，并增加了许多新的功能，构成了功能强大的ADS软件。ADS软件范围涵盖了小至元器件，大到系统级的设计和分析，主要包括RFIC设计软件、RF电路板设计软件、DSP专业设计软件、通讯系统设计软件以及微波电路设计软件。ADS软件仿真手段丰富多样，可实现包括时域和频域、数字与模拟、线性与非线性、噪声等多种仿真分析手段，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，是非常优秀的微波电路、系统信号链路的设计工具。不但其仿真性能优越，而且提供了功能强大的数据后处理能力。这对我们进行复杂、特殊电路的仿真、数据后处理及显示提供了可能。该软件切实考虑到工程实际中各种参数对系统的影响，对要求分析手段多样，运算量大的仿真分析，尤其适用。ADS软件可应用于整个现代通信系统及其子系统，能对通信系统进行快速、便捷、有效的设计和仿真。这是以往任何自动设计软件都不能够的。所以,ADS已被广大电子工程技术人员接受，应用也愈加广泛。主要应用：ADS功能非常强大，对整个现代通信系统及其子系统的设计和仿真提供支持。主要应用有以下几个主要方面：1. 射频和微波电路的设计(包括RFIC、RFBoard)。DSP设计通信系统的设计向量仿真每个设计本身又包括以下几个内容：绘制原理图系统仿真布局图Pspice原理图CSTMicrowavestudioCSTMICROWAVESTUDIO是CST公司为快速、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。其主要应用领域有：移动通信、无线设计、信号完整性和电磁兼容(EMC)等。具体应用包括：偶合器、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。MWS提供三个解算器，四种求解方式。它们是时域解算器、频域解算器和本征模解算器。四种求解方式分别为传输问题的频域解、时域解、模式分析解和谐振问题的本征模解。同时也提供各种有效的CAD输入选项和SPICE参数的提取。另外，CSTMWS通过调用CSTDESIGNSTUDIO而内含一个巨大的设计环境库，CSTDESIGNSTUDIO本身也提供外部仿真器的联结。1.1.2. 应用：各种天线、连接器、谐振腔、蜂窝电话、同轴连接器、偶合滤波器、共面结构、串扰问题、介质滤波器、双工器、高速数字设备、喇叭天线、IC封装、互联器、微带滤波器、带状线结构、微波加热、微波等离子源、多芯连接器、毫米波集成电路、多层结构、多路复用器、光学组件、微带天线、平面结构、功分器、偏光器、雷达/雷达截面(RCS)、SAR计算/解剖设备、传感器、屏蔽问题、开槽天线、芯片系统、时域反射计(TDR)、波导结构、无线设备MicrowaveOfficeMicrowaveOffice软件为微波平面电路设计提供了最完整，最快速和最精确的解答。它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。该软件设有一个叫“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，该软件采用的是一个叫“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。由于这里意在着重于电磁场分析，所以仅涉及“EMSight”模拟器。下面是它的具体功能：“EMSight”模拟器是一个完整的三维电磁场模拟程序包，它可用于平面高频电路和天线结构的分析。模拟器分析的电路都安装在一个矩形的金属包装盒内，对于电路的层数和端口数并没有限制。它还具有显示微波平面电路内金属上电流和空间电场力线的能力。“EMSight”模拟器可以对微波平面电路进行许多种类的计算，(在该软件中称计算为测量)。除了可以计算电路的阻抗参量，导纳参量，散射参量，传输参量，混合参量之外，对于线性电路，它能计算辅助稳定因子，输入电容，群延迟，偶/奇模传输常数/阻抗/导纳，电压驻波比，端口输入阻抗/导纳，增益等。具有计算各种线/圆极化微带天线的电场方向图和功率方向图的能力，在计算天线时矩形的金属包装盒边界可以改变，顶部和底部可以改为自由空间阻抗，而侧壁可以拉远。在“EMSight”模拟器内也设有一个元件库，其特点是列入了大量的微带元件的资料如各种弯头，开路线，短截线，耦合器，阶梯，T形接头等。还包括了许多传输线的资料。1.1.3. ANSYSANSYS是一种广泛的商业套装工程分析软件。该软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型；分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。软件提供了100种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。这里还是着重介绍电磁场方面。在该软件的电磁场部分，它主要设计以下几个方面：2D、3D及轴对称静磁场分析及轴对称时变磁场交流磁场分析。静电场、AC电场分析，电路分析：包括电阻、电容、电感等。电路、磁场耦合分析。电磁兼容分析。高频电磁场分析。计算洛伦磁力和焦耳热/力。主要应用于：螺线管、调节器、发电机、变换器、磁体、加速器、天线辐射、等离子体装置、磁悬浮装置磁成像系统、电解槽及无损检测装置等。1.1.4. AnsoftSerenadeAnsoftSerenade设计环境为现代的射频以及微波设计者们提供了一个强大的电路、系统和电磁仿真的工具。简易的使用环境允许使用者们在仿真器和其他的工具（如文字处理器）最大程度的产生数据资料的转移。简单的说，它主要包括Harmonica电路仿真和Symphony系统仿真部分。Symphony可以在Serenade文件夹（一种计算机标原理图获取、布局、和仿真环境）下面运行。它是一个可以仿真有射频、微波和数字部分组成的通信系统的软件工具。Symphony添加了针对外围环境的高效的模拟、数字混合方式（模拟和数字）和系统分析能力。使用者能够很快的构建一个系统通包括大量元件的库里的射频部分的模拟和数字信号处理。像信道编码，模拟和数字信号处理滤波器，放大器，晶体震荡器衰减信道模型。这些都能使设计者们迅速的组建有线的或者无线系统。由于系统自带了那么多模型，因此设计者只需要对元器件键入很少的关键特征。它也能够对线性或非线性系统进行彻底的操作。它也能输出例如增益、噪声和在时域或者频域上的误码率。针对不同的设计方法，在早期阶段的时候它就能够迅速的检查，以减少设计周期时间和避免由于射频和数字信号处理系统之间的互相干扰而造成的高成本的重新设计。一旦一个设计系统结构被确认了那么一个自上而下的设计流程就能被完成。一个系统的误码率能够基于完整的系统分析而计算出来。对射频的描述，例如阻抗不匹配，晶体震荡器的相位噪声和群延迟，在系统中（当然包括噪声，输入功率，S参数和其他的输入信号扫描分析）把误码率的计算作为一个任何参数的函数。AnsoftEnsembleAnsoftEnsemble是一个针对射频和微波的平面电磁仿真软件。它是一个对微带线和像滤波器、功分器和天线一类的平面微波结构进行计算S参数和全波场的仿真软件包。Ensemble软件包包括一个从底部开始的计算机辅助设计布局，一个仿真器和一个可显示数据的后处理器。该软件没有用传统的“cut-and-try”原型，减少了生成的误差。下面是它的一些功能：1 仿真分析包括s参数，y参数，和z参数。远场近场辐射。表面电流等。2 Ensemble的应用PCB布线和路径的仿真。多层微波包装。微波整合电路。超级微波整合电路。平面天线和队列。电路元件创建。3 天线设计分析圆极化。左旋圆极化和右旋圆极化的远场图。增益和轴向辐射。交叉极化和共极化场等。4.图形特征：计算控制初始设计的大小。DXFandGDS的输入和输出。史密斯圆图，极化图和矩形图。远场图。波形计算等。1.2AnsoftHFS软件简介AnsoftHFSS软件是适用于射频、无线通信、封装及光电子设计的任意形状三维电磁场仿真的软件。ANSOFTHFSS是业界公认的三维电磁场标准仿真软件包，它必将为射频、无线通信、封装及光电子产品新功能的开发提供崭新高效的研究手段。本软件彻底摆脱了传统的设计模式，大大减少了研制费用和时间，加快产品进入市场的步伐。HFSS提供了一简洁直观的用户设计界面、精确自适应的场求解器、拥有空前电性能分析能力的功能强大后处理器，能计算任意形状三维无源结构的S参数和全波电磁场。ANSOFTHFSS充分利用了如自动匹配网格产生及加密、切线向矢量有限元、ALPS(AdaptiveLanczosPadeSweep)和模式-节点转换(Mode-node)等的先进技术，从而使操作人员可利用有限元法(FEM)在自己的电脑少对任意形状的三维无源结构进行电磁场仿真。HFSS自动计算多个自适应的解决方案，直到满足用户指定的收敛要求值。其基于MAXWELL(麦克斯韦)方程的场求解方案能精确预测所有高频性能，如散射、模式转换、材料和辐射引起的损耗等。用高效率的计算机虚拟模型的方法来取代费时费力的“cut-andtry试验方法，可大大缩短设计周期。仿真分析诸如天线、微波转换器、发射设备、波导器件、射频滤波器和任意三维非连续性等复杂问题，已简单化成只需画结构图、定义材料性能、设置端口和边界条件。HFSS自动产生场求解方案、端特性和S参数。其S参数结果可输出到通用的线性和非线性电路仿真器中来使用。ANSOFTHFSS的自适应网格加密技术使FEM方法得以实用化。初始网格(将几何子分为四面体单元)的产生是以几何结构形状为基础的，利用初始网格可以快速解算并提供场解信息，以区分出高场强或大梯度的场分布区域。然后只在需要的区域将网格加密细化，其迭代法求解技术节省计算资源并获得最大精确度。必要时还可方便地使用人工网格化来引导优化加速网格细化匹配的解决方案。HFSS采用高阶基函数、对称性和周期边界等方法，从而节省计算时间和内存，进一步加大求解问题的规模并加速求解的速度。1.2.1AnsoftHFSS软件功能HFSS软件还有强大的绘图功能。它可以与AutoCAD完全兼容，完全集成ACIS固态建模器。它可以完成以下操作：无限的undo/redo多个物体组合、相减、相交布尔运算动态几何旋转点击物体选择/隐藏二维物体沿第三维扫描得到三维物体（如圆柱体）宏记录/宏文本锥螺旋、圆柱和立方体的参数化宏可选的“实表面”几何体在线关联帮助以加快新功能的应用它拥有先进的材料库综合的材料数据库包括了常用物质的介电常数、渗透率、电磁损耗正切。用户在仿真中可分析均匀材料、非均匀材料、各向异性材料、导电材料、阻性材料和半导体材料。对不可逆设备，标配的HFSS可直接分析具有均匀静磁偏的铁氧体问题，用户还可选用ANSOFT3DFS选件以完成铁氧体静磁FEM的解算仿真。ANSOFTHFSS软件含有一个庞大的库，用该库可参数化定义以下标准形状：微带T行结宽边耦合线斜接弯和非斜接弯半圆弯和非对称弯圆螺旋和方螺旋混合T接头贴片天线螺旋几何AnsoftHFSS软件还可以以周期边界来解决相控阵。通过指定两个或多个边界间的场关系，关连边界条件（LBCs）使得包含有源等设备的新一类问题也可建模仿真。在对长的、均匀的和周期性的结构建模仿真时，LBCs可大大节省计算时间和内存。周期性的LBCs通过相位关系可确定多个主以边界。设计师可通过分析相控阵中的一个单元来提取有源单元因子和阻抗，从而研究确定阵列盲区、极化性能和栅瓣。AnsoftHFSS软件强大的天线设计功能，它可以计算下列问题：计算天线参量，如增益、方向性、远场方向图剖面、远场3D图和3dB带宽。绘制极化特性，包括球形场分量、圆极化场分量、Ludwig第三定义场分量和轴比。二分之一、四分之一、八分之一对称模型并自动计算远场方向图。AnsoftHFSS还拥有以下三种频率扫描技术： 宽带快速率扫描利用APLS快速扫频技术可有效地进行宽带仿真。APLS能产生一个在宽频带内有效的低阶次的模型，并通过计算零极点来完成宽频带求解。APLS包含端散射以精确确定频段内的输入功率和频带外抑制。 超宽带插值扫频利用插值扫频技术可有效地进行超宽带仿真。插值扫频能在超宽频带内根据频响变化斜率自动增插点数，确保精确确定频段内的所有频响特性。 离散扫频利用离散扫频技术可有效地进行离散频点的宽带仿真。其利用当前网格重新求解电磁场，从而精确得到各频率点上的性能参数。AnsoftHFSS拥有强大的场后处理器：产生生动逼真的场型动画图，包括矢量图、等高线图、阴影等高线图。任意表面，包括物体表面、任意剖面、3D物体表面和3D相等面的静态和动态图形。动态矢量场、标量场或任何用场计算器推导出的量。动态的表面动画可使图形能以旋转和移位的方式步进。新的图一3D云图上有一薄薄的彩色像素层，使你能非常清晰地观察场型特性，用户旋转几何时图形会实时更新。ANSOFTHFSS可以设计最优化解决方案，它支持强大的具有记录和重放功能的宏语言。这使得用户可将其设计过程自动化和完成包括参数化分析、优化、设计研究等的先进仿真。参数化分析：四螺旋天线广泛应用于包括GPS接收机在内的无线通信设计中。其圆极化辐射方向图提供了很宽的半球状覆盖区域并具有极低的后瓣辐射。该模型在HFSS依据不同的螺旋比和总旋转数目进行了多次仿真，设计师利用先进的宏功能可很快地进行多次仿真，以研究关键参数是如何影响带宽、增益和后瓣电平的。1.2.2AnsoftHFS软件的优势Ansoft有自己的独特优势：由AnsoftDesigner和AnsoftHFSS构成的Ansoft高频解决方案，是目前唯一以物理原型为基础的高频设计解决方案，它以Ansoft公司居于领先地位的电磁场仿真工具为基础，提供了从系统到电路直至部件级的快速而精确的设计手段，覆盖了高频设计的所有环节。其集成化的设计环境和独有的“按需求解技术使设计工程师们在设计的各个阶段都能充分考虑结构的电磁效应对性能的影响，实现对整个设计流程的完全控制，从而进一步提高了仿真精度，完成整个高频系统的端对端设计。最后一点,HFSS的所有问题分为两大类：“DrivenSoluti和“EigenmodeSolution,前一个用于一般的需要激励源或者有辐射产生的问题，适用于几乎所有除谐振腔以外的问题；后者为本征问题求解，主要用于分析谐振腔的谐振问题，不需要激励源，也不需要定义端口，更不会产生辐射（封闭结构）。AnsoftOptimetri是一个综合优化包，可以用于HFSS和Ensemble，主要用于结构参数的优化，最典型的例如双枝节匹配，可优化两个枝节的长度及间距使得反射最小。根据你给定的优化目标，可以进行模型参数的调整，例如介质片移相器，你可以以移相器的相移为目标函数，优化介质片的长度，使相移满足需要。总之，AnsoftHFSS软件以其强大的设计仿真功能，无论在设计手机、通信系统、宽带器件、集成电路（ICs）、印刷电路板等高频微波的方方面面都迅速赢得了设计人员的广泛认可，并且也迅速获得了广泛的应用。