01電磁仿真軟件

對于大多數(shù)射頻工程師來說，無論是有源電路設(shè)計(jì)，還是無源器件設(shè)計(jì)，他們幾乎一半的工作時(shí)間都在做仿真，而另一半是在調(diào)試和測試。

在日常設(shè)計(jì)中，射頻工程師會用到各種各樣的仿真軟件，比如射頻電路級的仿真會用到ADS、AWR等，3D電磁仿真軟件CST、Ansoft等。然而，無論是哪一種仿真軟件，都提供了豐富的設(shè)計(jì)助手。我們只需不停的仿真優(yōu)化，就可以得到漂亮的設(shè)計(jì)結(jié)果。

但是，這些軟件是怎么工作的，可能很少有人去關(guān)注。下面盤點(diǎn)了10款常用的仿真軟件，希望能對大家有所幫助。

1、Ansys HFSS

這是一款適用于RF和無線設(shè)計(jì)的3D電磁場模擬器，Ansys HFSS是一款3D電磁 (EM)仿真軟件，可用于設(shè)計(jì)天線、天線陣列、RF或微波組件、高速互連裝置、過濾器、連接器、IC封裝和印刷電路板等高頻電子產(chǎn)品，并對此類產(chǎn)品進(jìn)行仿真。

全球工程師大多都使用Ansys HFSS設(shè)計(jì)通信系統(tǒng)、雷達(dá)系統(tǒng)、高級駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS)、衛(wèi)星、物聯(lián)網(wǎng)(IoT)產(chǎn)品及其他高速RF和數(shù)字設(shè)備中使用的高頻、高速電子產(chǎn)品。

2、CST

CST，三維電磁場仿真軟件。CST工作室套裝是面向3D電磁、電路、溫度和結(jié)構(gòu)應(yīng)力設(shè)計(jì)工程師的一款全面、精確、集成度極高的專業(yè)仿真軟件包，包含八個(gè)工作室子軟件，集成在同一用戶界面內(nèi)，為用戶提供完整的系統(tǒng)級和部件級的數(shù)值仿真優(yōu)化。

CST軟件覆蓋整個(gè)電磁頻段，提供完備的時(shí)域和頻域全波電磁算法和高頻算法。典型應(yīng)用包含電磁兼容、天線/RCS、高速互連SI/EMI/PI/眼圖、手機(jī)、核磁共振、電真空管、粒子加速器、高功率微波、非線性光學(xué)、電氣、場路、電磁-溫度及溫度-形變等各類協(xié)同仿真。

2016年，被法國達(dá)索公司收購。

3、ADS

Advanced Design System，是Agilent公司推出的微波電路和通信系統(tǒng)仿真軟件，是國內(nèi)各大學(xué)和研究所使用最多的軟件之一。

ADS功能非常強(qiáng)大，仿真手段豐富多樣，可實(shí)現(xiàn)包括時(shí)域和頻域、數(shù)字與模擬、線性與非線性、噪聲等多種仿真分析手段，并可對設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行成品率分析與優(yōu)化，從而大大提高了復(fù)雜電路的設(shè)計(jì)效率，是非常優(yōu)秀的微波電路、系統(tǒng)信號鏈路的設(shè)計(jì)工具。

ADS主要應(yīng)用于射頻和微波電路的設(shè)計(jì)、通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，以及DSP設(shè)計(jì)和向量仿真。

4、AWR

這是AWR公司推出的微波EDA軟件，為微波平面電路設(shè)計(jì)提供了最完整、最快速和最精確的解答，它是通過兩個(gè)仿真器來對微波平面電路進(jìn)行模擬和仿真的。

對于由集總組件構(gòu)成的電路，用電路的方法來處理較為簡便;該軟件設(shè) 有“VoltaireXL”的仿真器來處理集總組件構(gòu)成的微波平面電路問題。而對于由具體的微帶幾何圖形構(gòu)成的分布參數(shù)微波平面電路，則采用場的方法較為有效;該軟件采用的是“EMSight”的仿真器來處理任何多層平面結(jié)構(gòu)的三維電磁場的問題。

“VoltaireXL”仿真器內(nèi)設(shè)一個(gè)組件庫，在建立電路模型時(shí)，可以調(diào)出微波電路所用的組件。其中，無源器件有電感、電阻、電容、諧振電路、微帶線、帶狀線、同軸線等;非線性器件有雙極晶體管、 場效應(yīng)晶體管、二極管等。

“EMSight”仿真器是一個(gè)三維電磁場模擬程序包，可用于平面高頻電路和天線結(jié)構(gòu)的分析，其特點(diǎn)是把修正譜域矩量法與直觀的窗口圖形用戶接口(GUI)技術(shù)結(jié)合起來，使得計(jì)算速度加快許多。MWO可以分析射頻集成電路(RFIC)、微波單片集成電路(MMIC)、 微帶貼片天線和高速印制電路(PCB)等電路的電氣特性。

現(xiàn)在，這款仿真軟件屬于Cadance。

5、Ansys Designer

這是Ansys公司推出的微波電路和通信系統(tǒng)仿真軟件，它采用了最新的窗口技術(shù)，是第一個(gè)將高頻電路系統(tǒng)、版圖和電磁場仿真工具無縫地集成到同一個(gè)環(huán)境的設(shè)計(jì)工具。

值得注意的是，這種集成不是簡單和接口集成，其關(guān)鍵是Ansys Designer獨(dú)有的“按需求解”的技術(shù)，它使你能夠根據(jù)需要選擇求解器，從而實(shí)現(xiàn)對設(shè)計(jì)過程的完全控制。

Ansys Designer實(shí)現(xiàn)了“所見即所得”的自動化版圖功能、版圖與原理圖自動同步，大大提高了版圖設(shè)計(jì)效率。同時(shí)，Ansys還能方便地與其它設(shè)計(jì)軟件集成到一起，并可以和測試儀器連接，完成各種設(shè)計(jì)任務(wù)，比如頻率合成器、鎖相環(huán)、通信系統(tǒng)、雷達(dá)系統(tǒng)，以及放大器、混頻器、濾波器、移相器、功率分配器、合成器和微帶天線等。

Ansys Designer主要應(yīng)用于射頻和微波電路的設(shè)計(jì)、通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、電路板和模塊設(shè)計(jì)、部件設(shè)計(jì)。

6、XFDTD

這是Remcom公司推出的基于時(shí)域有限差分法(FDTD)的三維全波電磁場仿真軟件，XFDTD用戶接口友好、計(jì)算準(zhǔn)確，但XFDTD本身沒有優(yōu)化功能，必須通過第三方軟件Engineous完成優(yōu)化。

該軟件最早用于仿真蜂窩電話、長于手機(jī)天線和SAR計(jì)算;現(xiàn)在廣泛用于無線、微波電路、雷達(dá)散射計(jì)算、化學(xué)、光學(xué)、陸基警戒雷達(dá)和生物組織仿真。

7、Zeland IE3D

IE3D是一個(gè)基于矩量法的電磁場仿真工具，可以解決多層介質(zhì)環(huán)境下的三維金屬結(jié)構(gòu)的電流分布問題。

IE3D可分為MGRID、MODUA、PATTERNVIEW三個(gè)部分。其中，MGRID為IE3D的前處理套件，功能有建立電路結(jié)構(gòu)、設(shè)定基板與金屬材料的參數(shù)和設(shè)定模擬仿真參數(shù);MODUA是IE3D的核心執(zhí)行套件，可執(zhí)行電磁場的模擬仿真計(jì)算、性能參數(shù)(Smith園圖、S參數(shù)等)計(jì)算和執(zhí)行參數(shù)優(yōu)化計(jì)算;PATTERNVIEW是IE3D的后處理套件，可將仿真計(jì)算結(jié)果，電磁場的分布以等高線或向量場的形式顯示出來。

IE3D仿真結(jié)果包括S、Y、Z參數(shù)和VWSR、RLC等效電路，以及電流分布、近場分布和輻射方向圖、方向性、效率和RCS等;應(yīng)用范圍主要是在微波射頻電路、多層印刷電路板、平面微帶天線設(shè)計(jì)的分析與設(shè)計(jì)。

8、Sonnet

Sonnet軟件在1983年被研究開發(fā)以來，并獲得了商業(yè)上的良好聲譽(yù)，目前已成為世界上最準(zhǔn)確的單層、多層平面電路和天線設(shè)計(jì)的商業(yè)軟件;由Rautio博士創(chuàng)立的Sonnet軟件公司一直致力于專業(yè)開發(fā)和升級Sonnet軟件。

Sonnet針對當(dāng)前三維平面電路和天線的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，尤其是微波、毫米波領(lǐng)域高精度和高可靠性的需求，提供了工業(yè)上最精確和可靠的三維平面分析工具。通過提供開放的接口和專業(yè)的技術(shù)支持服務(wù)，幫助客戶建立完整的設(shè)計(jì)流程，設(shè)計(jì)世界一流的產(chǎn)品。

Sonnet廣泛應(yīng)用于解決MMIC、RFIC、CPW、超導(dǎo)濾波器、LTCC、PCB的電磁兼容和信號完整性、元器件設(shè)計(jì)、平面天線等領(lǐng)域。

9、FEKO

FEKO是德語Feldberechnung bei Korpern mit beliebiger Oberflache(任意復(fù)雜電磁場計(jì)算)首字母的縮寫。

FEKO軟件是EMSS公司旗下的一款強(qiáng)大的三維全波電磁仿真軟件，是世界上第一個(gè)把矩量法(MoM)推向市場的商業(yè)軟件，該方法使得精確分析電大問題成為可能。

FEKO支持有限元方法(FEM)，并將MLFMM與FEM混合求解，MLFMM+FEM混合算法可求解含高度非均勻介質(zhì)電大尺寸問題。

10、EMPro

Electromagnetic Professional(EMPro)是Keysight EEsof EDA的軟件設(shè)計(jì)平臺，主要用于分析元器件的三維電磁場(EM)效應(yīng)，比如高速和射頻IC封裝、封裝接線、天線、芯片上和芯片外嵌入式無源元件，以及PCB互連設(shè)備。

EMPro具有現(xiàn)代領(lǐng)先的設(shè)計(jì)、仿真和分析環(huán)境，以及大容量仿真技術(shù)，并綜合了業(yè)界領(lǐng)先的射頻和微波電路設(shè)計(jì)環(huán)境——先進(jìn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)(ADS)，可用于快速高效地進(jìn)行射頻和微波電路設(shè)計(jì)。

以上介紹的10款電磁仿真軟件，大家用過幾種?哪些最好用?歡迎留言討論!

02電磁仿真算法

其實(shí)，這些電磁仿真軟件無外乎就是求解設(shè)計(jì)體和空間的電磁場。這個(gè)電磁場的解就是我們要設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)。我們都知道，麥克斯韋方程組確定了電磁波的幾乎所有，我們在結(jié)構(gòu)內(nèi)求解電磁場就可以了。

這看似簡單，但面對這么多種材料，這么多的復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，又該如何求解呢?按照書本上講的直接解電磁波方程就可以嗎?很明顯，不可以。

電磁學(xué)的一個(gè)很重要的分支，就是計(jì)算電磁學(xué)。

20世紀(jì)60年代以來，隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，一些電磁場的數(shù)值計(jì)算方法也迅速發(fā)展起來，并在實(shí)際工程問題中得到了廣泛地應(yīng)用，形成了計(jì)算電磁學(xué)研究領(lǐng)域，已成為現(xiàn)代電磁理論研究的主流。

簡而言之，計(jì)算電磁學(xué)是在電磁場與微波技術(shù)學(xué)科中發(fā)展起來的，建立在電磁場理論基礎(chǔ)上，以高性能計(jì)算機(jī)技術(shù)為工具，運(yùn)用計(jì)算數(shù)學(xué)方法，專門解決復(fù)雜電磁場與微波工程問題的應(yīng)用科學(xué)。

相對于經(jīng)典電磁理論分析而言，應(yīng)用計(jì)算電磁學(xué)來解決電磁學(xué)問題時(shí)，受邊界約束大為減少，可以解決各種類型的復(fù)雜問題。原則上講，從直流到光的寬廣頻率范圍都屬于該學(xué)科的研究范圍。近幾年來，電磁場工程在以電磁能量或信息的傳輸、轉(zhuǎn)換過程為核心的強(qiáng)電與 弱電領(lǐng)域中顯示了重要作用。

電磁工程問題求解一般步驟如下：

計(jì)算電磁學(xué)中有眾多不同的算法，比如時(shí)域有限差分法(FDTD)、時(shí)域有限積分法(FITD)、有限元法(FE)、矩量法(MoM)、邊界元法(BEM)、譜域法(SM)、傳輸線法(TLM)、模式匹配法(MM)、橫向諧振法(TRM)、線方法(ML)和解析法等。

在頻域，數(shù)值算法有：有限元法(FEM，F(xiàn)inite Element Method)、矩量法(MoM，Method of Moments)，差分法(FDM，F(xiàn)inite Difference Methods)、邊界元法(BEM，Boundary Element Method)和傳輸線法(TLM，Transmission-Line-matrix Method)。

在時(shí)域，數(shù)值算法有：時(shí)域有限差分法(FDTD，F(xiàn)inite Difference Time Domain )和有限積分法(FIT，F(xiàn)inite Integration Technology)。

這些方法中有解析法、半解析法和數(shù)值方法。而數(shù)值方法中又分零階、一階、二階和高階方法。依照解析程度由低到高排列，其依次是：時(shí)域有限差分法(FDTD)、傳 輸線法(TLM)、時(shí)域有限積分法(FITD)、有限元法(FEM)、矩量法(MoM)、線方法(ML)、邊界元法(BEM)、譜域法(SM)、模式匹配法(MM)、橫向諧振法(TRM)和解析法。

依照結(jié)果的準(zhǔn)確度由高到低，其分別是解析法、半解析法、數(shù)值方法。

在數(shù)值方法中，按照結(jié)果的準(zhǔn)確度有高到低，其分別是高階、二階、一階和零階。

時(shí)域有限差分法(FDTD)、時(shí)域有限積分法(FITD)、有限元法(FEM)、矩量法(MoM)、傳輸線法(TLM)、線方法(ML)是純粹的數(shù)值方法;而邊界元法(BEM)、譜域法(SM)、模式匹配法(MM)、橫向諧振法(TRM)則均具有較高的分辨率。

模式匹配法(MM)是一個(gè)半解析法，倘若傳輸線的橫向模式是準(zhǔn)確可得的話。理論上，模式可以是連續(xù)譜。但由于數(shù)值求解精度的限制，通常要求橫向模式是離散 譜，這就要求橫向結(jié)構(gòu)上是無耗的。更通俗地講，就是無耗波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。換言之，MM最適用于波導(dǎo)空腔、高Q且在能量傳輸?shù)哪骋痪S上結(jié)構(gòu)具有一定的均勻性。

比如，它適用于兩個(gè)圓柱腔在高度維上的耦合的分析，但不適用于兩個(gè)葫蘆間的耦合分析。因?yàn)楹笳邲]有非常明確 的模式參與能量交換，人們只能將大量的模式一并考慮，這樣就降低了MM的效用。

有限元法(FEM)是一種一階純數(shù)值方法(若用一階元的話)，它適用于任何形狀的結(jié)構(gòu)，是一個(gè)通用的方法。但事物總是一分為二的，一般來說，通用方法在特殊應(yīng)用領(lǐng)域的效率將不如特殊方法。對于高Q空腔濾波器設(shè)計(jì)，MM就遠(yuǎn)優(yōu)于 FEM。

隨著計(jì)算電磁學(xué)在工程應(yīng)用領(lǐng)域影響力的不斷加深，商用電磁分析軟件越來越多，操作界面智能化，使得設(shè)計(jì)人員可以更加方便、直觀得進(jìn)行濾波器設(shè)計(jì)、天線設(shè)計(jì)、目標(biāo)電磁特性分析等。

以下是幾種方法的比較：

這里對計(jì)算電磁學(xué)中幾種主要的數(shù)值方法進(jìn)行簡單的比較，即時(shí)域有限差分法(FDTD)、有限元(FEM)、矩量法(MoM)、多極子法(MMP)、幾何光學(xué)繞射法(GTD)、物理光學(xué)繞射法(PTD)和傳輸線法(TLM)。

審核編輯：湯梓紅