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1、电磁场仿真软件简介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，Agilent公司的ADS（Advanced Design System）、AWR公司的Microwave Office、Ansoft公司的Esemble、Serenade和CST公司的CST Design Studio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、CST Microwave Studio、Zeland公司的Fidelity和IMST
2、GmbH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（High Frequency Structure Simulator）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MicroWave Studio（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
3、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Ansoft HFSS V9.0）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
4、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CST MWS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，
5、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，Zeland公司的Fidelity和IMST GmbH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/
6、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）SPICE Link高级信号与系统仿真；Schematic Capture驱动系统仿真；提取等效电路。Optimatrics参
7、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）Microwave Studio3D高频电磁场仿真有限积分技术（FIT）Design Studio2.5D平面电路高频电磁场仿真；矩量法（MoM）AWRMW Office线性/非线性电路；2.5D平面电路高频电磁场仿真。矩量法（MoM）IMST GmbHEMPIRE3D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SonnetEM2.5
8、D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：1.1.1 ADS(Advanced Design System )它是Agilent Technoligyies公司推出的一套电路自动设计软件。Agilent Technoligyies公司把已有产品HP MDS(Microwave Design System)和HP EEsof IV(Electronic Engineering Software)两者的精华有机的结合起来
9、，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
10、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、RF Board）。2. DSP设计3. 通信系统的设计4. 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1.1.2. CST Microwave studioCST MI
11、CROWAVE STUDIO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，CST MWS通过调用CST DESIGN STUDI
12、O而内含一个巨大的设计环境库，CST DESIGN STUDIO本身也提供外部仿真器的联结。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1.1.3. Microwave OfficeMicrowave Office软件为微波
13、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。
14、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。
15、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。1.1.4. ANSYS ANSYS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
