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1、微波 EDA 仿真软件与电磁场的数值算法密切相关，在介绍微波 EDA 软件之前先简要的介绍一下微波电磁场理论的数值算法。所有的数值算法都是建立在 Maxwell 方程组之上的，了解 Maxwell 方程是学习电磁场数值算法的基础。计算电磁学中有众多不同的演法，如时域有限差分法（FDTD） 、时域有限积分法（FITD） 、有限元法（FE） 、矩量法（MoM） 、边界元法（BEM ） 、谱域法（ SM） 、传输线法（TLM） 、模式匹配法（MM） 、横向谐振法（TRM） 、线方法（ML）和解析法等等。在频域，数值算法有：有限元法 ( FEM - Finite Element Method） 、矩量
2、法( MoM - Method of Moments） ，差分法( FDM - Finite Difference Methods） ，边界元法( BEM -Boundary Element Method） ，和传输线法( TLM - Transmission-Line-matrix Method） 。 R+x在时域，数值演算法有：时域有限差分法( FDTD - Finite Difference Time Domain ） ，和有限积分法( FIT - Finite Integration Technology ） 。这些方法中有解析法、半解析法和数值方法。数值方法中又分零阶、一阶、二阶和高
3、阶方法。依照解析程度由低到高排列，依次是：时域有限差分法（FDTD） 、传输线法（TLM） 、时域有限积分法（FITD） 、有限元法（ FEM） 、矩量法（MoM） 、线方法（ML） 、边界元法（BEM） 、谱域法（SM） 、模式匹配 法（MM） 、横向谐振法（TRM） 、和解析法。依照结果的准确度由高到低，分别是：解析法、半解析法、数值方法。在数值方法中，按照结果的准确度有高到低，分别是：高阶、二阶、一阶和零阶。时域有限差分法（FDTD） 、时域有限积分法（FITD） 、有限元法（FEM） 、矩量法（MoM） 、传输线法（TLM） 、线方法（ML）是纯粹的数值方法；边界元法（BEM） 、谱域
4、法（SM） 、模式匹配法（ MM） 、横向谐振法（TRM ）则均具有较高的解析度。模式匹配法（MM）是一个半解析法，倘若传输线的横向模式是准确可得的话。理论上，模式可以是连续谱。但由于数值求解精度的限制，通常要求横向模式是离散谱。这就要求横向结构上是无耗的。更通俗地讲，就是无耗波导结构。换言之，MM 最适用于波导空腔、高 Q 且在能量传输的某一维上结构具有一定的均匀性。譬如，它适用于两个圆柱腔在高度维上的耦合的分析，但不适用于两个葫芦间的耦合分析，因爲后者没有非常明确 的模式参与能量交换，人们只能将大量的模式一併考虑，这样就降低了 MM 的效用。 有限元法 （FEM ）是一种一阶纯数值方法（若
5、用一阶元的话） 。它适用于任何形状的结构，是一个通用的方法。但事物总是一分爲二的。一般来说，通用方法在特殊应用领域的效率将不如特殊方法。对于高 Q 空腔滤波器设计，MM 就远优于 FEM。如果想进一步瞭解各种数值算法的具体实现，可以参阅以下几本书籍： Microwave Circuit Modeling Using Electromagnetic Field Simulation, Numerical Techniques in Electromagnetics, Electromagmetic Simunation Using the FDTD Method， Complex eletrom
6、agnetic problems and numerical Simulation Approaches。使用矩量法( MoM ）的微波 EDA 软件有 ADS，Sonnet ，Ansoft Designer，Microwave Office, Zeland IE3D，Ansoft Esemble，Super NEC 和 FEKO；使用有限元法 ( FEM ） 的微波 EDA软件有 HFSS 和 ANSYS；使用 时域有限差分法( FDTD ） 的微波 EDA 软件有 EMPIRE 和XFDTD，使用有限积分法( FITD ） 的微波 EDA 软件有 CST Microwave Studio。
7、下面来介绍较流行几种的微波 EDA 软件的功能和应用。ADS - Advanced Design System，是 Agilent 公司推出的微波电路和通信系统彷真软件，是国内各大学和研究所使用最多的软件之一。其功能非常强大，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、杂散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。主要应用于：射频和微波电路的设计，通信系统的设计，DSP 设计和向量彷真。Ansoft Designer，是 Ansoft 公司推出的微波电路和通信系统彷真软件；它採用
8、了最新的视窗技术，是第一个将高频电路系统,版图和电磁场彷真工具无缝地 集成到同一个环境的设计工具，这种集成不是简单和介面集成,其关键是 Ansoft Designer 独有的“按需求解”的技术，它使你能够根据需要选择求解器，从而实现对设计过程的完全控制。Ansoft Designer 实现了“所见即所得”的自动化版图功能，版图与原理图自动同步，大大提高了版图设计效率。同时，Ansoft 还能方便地与其他设计软件集成到一起，并可以和测试仪器连接，完成各种设计任务，如频率合成器，锁相环，通信系统，雷达系统以及放大器，溷频器，滤波器，移相器，功率分配器，合成器 和微带天线等。主要应用于：射频和微波电
9、路的设计，通信系统的设计，电路板和模组设计，部件设计。Ansoft HFSS，是 Ansoft 公司推出的三维电磁彷真软件；是世界上第一个商业化的三维结构电磁场彷真软件，业界公认的三维电磁场设计和分析的电子设计工业标 准。HFSS 提供了一简洁直观的用户设计介面、精确自适应的场解器、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。HFSS 软件拥有强大的天线设计功能，它可以计算天线参量，如增益、方向性、远场方向图剖面、远场3D 图和3dB 带宽；绘製极化特性，包括球形 场分量、圆极化场分量、Ludwig 第三定义场分量和轴比。使用 HFSS，可以
10、计算： 基本电磁场数值解和开边界问题，近远场辐射问题； 埠特徵阻抗和传输常数； S 参数和相应埠阻抗的归一化 S 参数； 结构的本征模或谐振解。而且，由 Ansoft HFSS 和 Ansoft Designer 构成的Ansoft 高频解决方桉，是目前唯一以物理原型爲基础的高频设计解决方桉，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。Microwave Office，是 AWR 公司推出的微波 EDA 软件，爲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类比和彷真的。对于由集总元件构成的电路，用电路的方法来处
11、理较爲简便；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佈参数微波平面电路则採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 器件有双极电晶体， 场效应电晶体，二极体等等。EMSight模拟器是一个三维电磁场类比套装程式，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 的视窗图形用户介面(G
12、UI）技术结合起来，使得计算速度加快许多。MWO 可以分析射频积体电路 (RFIC） 、微波单片积体电路(MMIC） 、 微带贴片天线和高速印製电路(PCB ）等电路的电气特性。XFDTD， 是 Remcom 公司推出的基于时域有限差分法 (FDTD）的三维全波电磁场彷真软件。XFDTD 用户介面友好、计算准确；但 XFDTD 本身没有优化功能， 须通过第三方软件Engineous 完成优化。该软件最早用于彷真蜂窝电话，长于手机天线和 SAR 计算。现在广泛用于无线、微波电路、雷达散射计算，化 学、光学、陆基警戒雷达和生物组织彷真。Zeland IE3D，IE3D 是一个基于矩量法的电磁场彷真
13、工具，可以解决多层介质环境下的三维金属结构的电流分佈问题。IE3D 可分爲 MGRID、MODUA 和 PATTERNVIEW 三部分；MGRID 爲 IE3D 的前处理套件，功能有建立电路结构、设定基板与金属材料的参数和设定类比彷真参数；MOODUA 是 IE3D 的核心执行套件，可执行电磁场的类比彷真计算、性能参数（Smith园图，S 参数等）计算和执行参数优化计算；PATTERNVIEW 是 IE3D 的后处理套件，可以将彷真计算结果，电磁场的分佈以等高线或向量场的形式显示出来。IE3D 彷真结果包括 S、Y 、Z 参数，VWSR，RLC 等效电路，电流 分佈，近场分佈和辐射方向图，方向
14、性，效率和 RCS 等；应用范围主要是在微波射频电路、多层印刷电路板、平面微带天线设计的分析与设计。CST MICROWAVE STUDIO，是德国 CST（Computer Simulation Technology）公司推出的高频三维电磁场彷真软件。广泛应用于移动通信、无线通信（蓝牙系统） 、信号集成和电磁相容等领域。MICROWAVE STUDIO 使用简洁，能爲用户的高频设计提供直观的电磁特性。MICROWAVE STUDIO 除了主要的时域求解器模组外，还爲某些特殊应用提供本征模及频域求解器模组。CAD 文件的导入功能及 SPICE 参量的提取增强了设计的可能性并缩短了设计 时间。另
15、外，由于 MICROWAVE STUDIO 的开放性体系结构能爲其他彷真软件提供链结，使 MICROWAVE STUDIO 与其他设计环境相集成。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、毫米波领域和电磁相容/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：微带匹配网路、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、毫米波积体电路（MMIC）设计和分析、溷
16、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。FEKO，FEKO 是德语 Feldberechnung bei Korpern mit beliebiger Oberflache(任意複杂电磁场 计算)首字母的缩写。 本产品用于複杂形状三维物体的电磁场分析。FEKO 是针对天线设计、天线佈局与电磁相容性分析而开发的专业电磁场分析软件，从严格的电磁场积分方程出发， 以经典的矩量法（MOM：Method Of Moment）爲基础，採用了多层快速多级子（MLFMM：Multi-Level Fast Multipole Method）演算法在保持精度的前提下大大提高了计算效率，并将矩量法与经典的高频分析方法（物理光学 PO：Physical Optics，一致性绕射理论 UTD：Uniform Theory of Diffraction）无缝结合，从而非常适合于分析天线设计、雷达散射截面（RCS）
