微波射频仿真软件综述和应用评析

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1、微波射频仿真软件综述和应用评析微波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；在频域，数值算法有：有限元 法(FEM Finite Element Method)、矩量法(MoM Method of Moments)，差分法 (FDM Fini te Dif ference Met hods)，边界元法(BEM )，和传输线法(TLM Transmission-Line-matrix Method)，在时域，数值算法有：时

2、域有限差分法(FDTD - Finite Difference Time Domain )，和有限积分法(FIT - Finite Integration Technology )。如果想进一步了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, N umerical Techniques in Electromagnetics, Electromagmetic Simunation Using t he FDTD Method， Complex eletrom

3、agnetic problems and numerical Simulation Approaches。其中， 使用矩量法( MoM ) 的微波 EDA 软件有 ADS， AnsoftDesigner， 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 ( FIT ) 的 微 波 EDA 软 件 有 CST Microwave St

4、udio 和 CST Mafia。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仿真软 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、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。主要应用于：射频和微波电路的设计，通信系统的设计 DSP设计和向量仿真。现在最新的版本是ADS2004A。Ansoft Design

5、er， 是 Ansoft 公司推出的微波电路和通信系统仿真软件；它采用了最新 的视窗技术，是第一个将高频电路系统 ,版图和电磁场仿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界面集成,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

6、统，雷达系统以及放大器， 混频 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 电路的设计，通信系统的设计，电路板和模块设计，部件设计。现在最新的版本 是 Ansoft Designer 2.1。Ansoft HFSS，是Ansoft公司推出的三维电磁仿真软件；是世界上第一个商业化的三 维结构电磁场仿真软件，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界面、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

7、，如增益、方向性、远场方向图剖面、远塚D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。使用HFSS，可以计算： 基本电磁场数值解和开边界问题，近远场辐射问题；端 口特征阻抗和传输常数；S参数和相应端口阻抗的归一化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 高频解决方案，是目前唯 一以物理原 型为基础的高频设计解决方案，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。现在最新的版本是 Ansoft HFSS 9.2。Microwave

8、 Office，是AWR公司推出的微波EDA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、

9、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0 EMSigh t 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。 MWO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。XFDTD,是Remcom公司推出的基于时域有限差分法（FDTD）的三维全波电磁场仿真软 件。 XFDTD 用户界面友好、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

10、软件最早用于仿真蜂窝电话，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仿真。软件 最 新版本为 XFDTD 6.0Zeland IE3D， 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。IE3D可分为MGRID、MODUA和PATTERNVIEW三部分；MGRID 为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模拟仿真 参数；MOODUA是IE3D的核心执行套件，可执行电磁场的模拟仿真计算、性能参数（Smith园 图，S参数等）计算和执行参数优化计算

11、；PATTERNVIEW是IE3D的后处理套件，可以将仿真 计算结果，电磁场的分布以等高线或向量场的形式显示出来。IE3D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； 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。软 件最新版本为 Zeland IE3D10.0。CST MICROWAVE STUDIO， 是德国 CST （Computer Simulation Technology）公司 推出的高频三维电磁场仿真软件。广泛应用于移动通信、无线通信（蓝牙 系统）、信号集 成和电磁兼容等领域。微波

12、工作室使用简洁，能为用户的高频设计提供直观的电磁特性。微 波工作室除了主要的时域求解器模块外，还为某些特殊应 用提供本征模及频域求解器模块。 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。另外，由 于 CST 设计工作室的开放性体 系结构能为其它仿真软件提供链接，使微波工作室与其它设 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

13、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。其他的微波射频相关的 EDA 软件还有 Ansoft 公司的 Serenade 8.71、 Esemble 8.0、SIwave 2.0、 Ansoft Links 3.0、 Optimatrics，CST 公司的 CST Mafia 4.1、CST Design Studio、 CST EM Studio 2.0，Zeland 公司的 Fidelity，Ansys 公司的 Ansys、FEKO, Eagleware-Elanix 公 司的 Eagleware Genesys, 和 Super NEC 等。