引言
本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201807/384245.htm隨著單片集成電路技術的不斷發展，GaAs、矽為基礎的微波/毫米波單片集成電路(MIMIc)和超高速單片集成電路(VHSIC)都面臨著一個嶄新的發展階段，電路的設計與工藝研製日益複雜化，如何進一步提高電路性能、降低成本、縮短電路的研製周期，已經成為電路設計的一個焦點，而EDA技術是設計的關鍵。EDA技術的範疇包括產品開發的全過程，以及電子產品生產過程中期望由計算機提供的各種輔助功能。一方面EDA技術可分為系統級、電路級和物理實現級3個層次上的輔助設計過程;另一方面EDA技術應包括電子線路從低頻到高頻、從線性到非線性、從模擬到數字、從分立電路到集成電路的全部設計過程。
隨著無線電系統設計向更高頻率的發展和電路複雜性的增加，對於高頻電磁場的仿真，由於忽略了高階傳播模式而引起仿真的誤差。特別是射頻集成電路和微渡集成電路，對傳統的低頻模擬和數字電路的設計方法提出了新挑戰。這些挑戰包括器件和處理過程的變化、分布傳輸線的非連續模式和電磁(EM)耦合的變化。同時，設計還必須考慮半導體材料(GaAs.siGe，InP)的特性，而材料問題和工作在微波頻率下所建立模型的精確化問題則是更大的挑戰。
這些EDA仿真軟體與電磁場的數值解法密切相關，不同的仿真軟體是根據不同的數值分析方法來進行仿真的。通常，數值解法分為顯式和隱式算法，隨著問題的增加，隱式算法(包括所有的頻域方法)表現出強烈的非線性。顯式算法(例如FDTD、FIT方法)在處理問題時，表現出合理的存儲容量和時間。
本文根據電磁仿真工具所採用的數值解法進行分類，對常用的微波EDA仿真軟體進行評述。
1 基於矩量法的微波EDA仿真軟體
基於矩量法(MM)仿真的EDA軟體主要包括ADS(Advanced Design sysIem)、sonnet電磁仿真軟體、Zeland公司的IE3D、Micowave office和Ansys公司的FEKO。
1.1 ADS軟體
Agilent ADS是美國安捷倫公司在HP EESOF系列EDA軟體基礎上發展完善起來的大型綜合設計軟體，為系統和電路設計人員提供可開發各種形式射頻設計的有力工具，應用面涵蓋從射頻/微波模塊到集成MMIc。該軟體可以在微機上運行，其前身是工作站運行版本MDS(Micmwave Design System)。ADS軟體還提供了一種新的濾波器設計指導，可以使用智能化用戶界面來分析和綜合射頻/微波電路，並可對平面電路進行場分析和優化。它允許用戶定義頻率範圍、材料特性、參數的數量和根據用戶的需要自動產生關鍵的無源器件模型。該軟體範圍涵蓋了小至元器件晶片，大到系統級的設計和分析。尤其可在時域或頻域內實現對數字或模擬、線性或非線性電路的綜合仿真分析與優化，並可對設計結果進行成品率分析與優化，提高了複雜電路的設計效率，使之成為設計人員的有效工具。
ADS仿真軟體在國內各大學和研究所已得到廣泛的應用，是仿真軟體中的佼佼者。它是一種綜合性的設計軟體，可以完成對電路和場結構的仿真。快速的電路仿真為設計者提供初始的設計結果，然後通過矩量法仿真得到準確的結果。ADS提供了對不同電路的設計指導，包括濾波器、放大器、藍牙、混頻器、振蕩器和無源器件的設計，在2003A版本中還增加了對單片微波集成電路的設計，使設計更加方便。
1.2 Sonnet軟體
sonnet軟體公司是全球領先的以電磁場技術為核心的電子設計自動化專業軟體商。其主要業務是開發、推廣並在技術上支持它的高端技術軟體產品。sonnet公司開發的3D平面電磁場分析軟體，憑藉其在單層和多層平面電路和天線上的精確、快速的分析能力，贏得了世界上幾百家客戶的讚譽。
sonnet是一種基於矩量法的電磁仿真軟體，提供面向3D的高頻電路設計，以及在微波、毫米波領域和電磁兼容/電磁幹擾設計的EDA工具。sonnet應用於高頻電磁場分析，頻率從lMHz到數十GHz。主要應用有：微帶匹配網絡、微帶電路、微帶濾波器、帶狀線電路、帶狀線濾波器、過孔(層的連接或接地)、耦合線分析、PCB板電路分析、PCB板電磁幹擾分析、橋式螺線電感器、平面高溫超導電路分析、毫米波集成電路(MMIC)設計和分析、混合匹配的電路分析、HDI和LTCC轉換、單層或多層傳輸線的精確分析、多層的平面電路分析、單層或多層的平面天線分析、平面天線陣分析、平面耦合孔的分析等。
1.3 IE3D軟體
IE3D是zeland公司開發的一種基於矩量法的電磁場仿真工具，可以解決多層介質環境下三維金屬結構的電流分布問題。它利用積分的方式求解Maxwell方程組，從而解決電磁波效應、不連續性效應、耦合效應和輻射效應問題。仿真結果包括S、Y、Z參數、VSWR、RLC等效電路、電流分布、近場分布和輻射方向圖、方向性、效率和RCS等。IE3D在微波/毫米波集成電路(MMlC)、RF印製板電路、微帶天線、線天線和其它形式的RF天線、HTS電路及濾波器、Ic的互聯和高速數字電路封裝方面是一個非常有用的工具。
1.4 Microwave Office軟體
Microwave Office軟體是Applied Wave Research公司開發的高頻電磁仿真軟體，是通過兩個模擬器來對微波平面電路進行模擬和仿真的。對於由集總元件構成的電路，用電路的方法來處理較為簡便。該軟體設有「VoltaireXL模擬器用來處理集總元件構成的微波平面電路問題。而對於由具體的微帶幾何圖形構成的分布參數平面電路則採用場的方法較為有效，該軟體採用「EMSight」模擬器處理任何多層平面結構的三維電磁場問題。
「VoltaireXL」模擬器內設一個元件庫，在建立電路模型時，可以調出微波電路所用的元件，其中無源器件有電感、電阻、電容、諧振電路、微帶線、帶狀線、同軸線等等，非線性器件有雙極電晶體、場效應電晶體、二極體等等。
「EMSight」模擬器是一個三維電磁場模擬程序包，可用於平面高頻電路和天線結構的分析。其特點是把修正譜域矩量法與直觀的視窗圖形用戶界面(GUI)技術結合起來，使得計算速度加快許多。它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製電路(PCB)等的電氣特性。
Microwave Office 2002增加了一些新功能，包括濾波器智能綜合、振蕩器相位噪聲分析和3D平面電磁仿真引擎，使對某些複雜問題的仿真更加有效。
1.5 FEKO軟體
FEKO是Ansys公司開發的以矩量法為核心算法的高頻電磁仿真軟體。由於其基於嚴格的積分方程方法，因此只要硬體條件許可，就可以求解任意複雜結構的電磁問題。為了在當前的計算機硬體條件下完成大尺寸複雜結構(一般從數值計算的角度定義為，待分析目標尺寸超過10個波長)的計算，本軟體還提供了專用於大尺寸問題的高頻方法——物理光學方法(PO)和一致性幾何繞射理論(UTD)。
FEK0真正實現了MM方法和PO/UTD的混合，因此完全可以根據用戶的需要進行快速精確的電磁計算。當問題的電尺寸太大時，就可考慮使用本產品的混合方法來進行仿真模擬。對關鍵性的部位使用矩量法，對其他重要的區域(一般都是大的平面或者曲面)使用PO或者UTD。根據不同的電磁問題，對混合方法進行組合，可按用戶需要得到滿意的精度和速度。另外，對PO方法，FEKO使用了稜邊修正項和模擬凸表面爬行波的福克電流。根據計算機硬體條件和待求解問題精度要求的不同，FEKO軟體可以求解成百上千個波長的電磁問題。
2 基於時域有限差分法的微波EDA仿真軟體
基於時域有限差分的仿真軟體包括：CST MICROWAVE STUDIO、FIDELlTY、IMST Empire和CFDRC。
2.1 CST MICROWAVE STUDIO仿真軟體
CST MICROWAVE STUDlO是Computer Simulation Technology公司專門開發的高頻電磁場問題EDA工具，是基於PC機Windows環境下的仿真軟體，主要應用在複雜和更高頻的諧振結構。CST通過散射參數把電磁場元件結合在一起，把複雜的系統分離成更小的子單元，通過對系統每一個單元行為的S參數的描述，可以進行快速的分析，並且降低系統所需的內存。CST考慮了在子單元之間高階模式的耦合，由於系統的有效分割而沒有影響系統的準確性。
CST MICROWAVE STUDIO可以應用在仿真電磁場領域，分析大多數高頻電磁場問題，包括移動通信、無線設計、信號完整性和電磁兼容(EMC)等。具體應用範圍包括耦合器、濾波器、平面結構電路、連接器、IC封裝、各種類型天線、微波元器件、藍牙技術和電磁兼容/幹擾等。
CST具有以下特點：1)採用近乎完美的邊界條件逼近(PBA)方法;2)可視的圖形化用戶界面(GUI)使CST MWS更加易於學習和使用;3)自動輸入CAD數據節省了大量時間;4)通過先進的優化軟體包對產品進行優化處理，使設計師快速得到需要的結構尺寸。
2.2 FIDELITY仿真軟體
FIDELITY是Zeland公司開發的基於非均勻網格的時域有限差分方法的三維電磁場仿真軟體，可以解決具有複雜填充介質求解域的場分布問題。仿真結果包括S、Y、Z參數、VSWR、RLC等效電路、近場分布、坡印廷矢量和輻射方向圖等。FIDELITY可以分析非絕緣和複雜介質結構的問題。它在微波/毫米波集成電路(MMIC)、RF印製板電路、微帶天線、線天線和其它形式的RF天線、HTS電路及濾波器、IC的內部連接和高速數字電路封裝，EMI及EMC方面得到應用。
FIDELITY的特點有：1)可對三維金屬和非絕緣介質結構進行建模;2)高效非均勻網格的FDTD仿真引擎;3)能方便地對分析目標進行排列定位和幾何結構的編輯與檢查;4)可對非各向同性介質填充的同軸波導和矩形波導進行建模;5)具有自動網格生成功能、網格優化功能和對輸入的幾何結構進行單獨網格生成功能;6)預定義同軸、微帶、矩形波導和用戶定義埠;7)不同邊界條件的實現(如PML);8)集成的預處理和後處理功能，包括S參數提取和時域信號顯示;9)輻射方向圖的計算、近場動態顯示功能;10)具有切片顯示功能的三維和二維電場、磁場及坡印廷矢量的顯示;11)平面波激勵和SAR計算功能。
2.3 IMST Empire仿真軟體
IMST Empire是一種3D電磁場仿真軟體，是基於3D的時域有限差分方法。它的應用範圍從分析平面結構、互聯、多埠集成到微波波導、天線、EMC問題。Empire基本覆蓋了RF設計3D場仿真的整個領域。根據用戶定義的頻率範圍，一次仿真運行就可以得到散射參數、輻射參數和輻射場圖。對於結構的定義，3D編輯器集成到EMPIRE軟體中。AutocAD是流行的機械畫圖工具，可以在Empire環境中使用。監視窗口和動畫可以給出電磁波現象，並獲得準確結果。
2.4 CFDRC仿真軟體
CFDRC是CFD Research Corpration開發的一種基於時域有限差分法(FDTD)或基於磁矢量位的全隱式方法的三維仿真軟體。此工具可以仿真電磁波傳播、交調失真、輻射和電磁幹擾，同時，提供重要的電路性能參數，如電容、電感、阻抗、S參數、Y參數等。建模工具提供標準的EDA輸人(CIF，GDSⅡ，DXF)，使結構的建立變得非常容易。全波電磁仿真使用非結構的多面體網格可以解出三維任意形狀的Maxwell方程的解。
CFDRC仿真軟體通常使用在高保真電磁分析場合(射頻微電子、EMI/EMC、RF MEMS器件、封裝、天線、高密度互連、光子學)，目前還應用於RFMEMs器件封裝研究。
3基於有限元法的微波EDA仿真軟體
基於有限元法的典型仿真軟體是Ansoft HFSS和Ansys Emax。
HFSS的理論基礎是有限元方法，是一種積分方法，得到的是頻域解，所以由頻域到時域，HFSS在設計各種輻射器及求本徵模問題方面很擅長。由於Ansoft公司進入中國市場較早，所以目前國內HFSS的使用者眾多，特別是在各大通信技術研究單位、公司、高校非常普及。最近，該公司開發的Ansoft design 1.O把電路設計、電磁仿真和印刷版的設計有機地結合在了一起。
3.1 Ansoft HFSS軟體
Ansoft HFSS是美國Ansoft公司開發的一種三維結構電磁場仿真軟體，可分析仿真任意三維無源結構的高頻電磁場，並直接得到特徵阻抗、傳播常數、S參數及電磁場、輻射場、天線方向圖等結果。該軟體被廣泛應用於無線和有線通信、計算機、衛星、雷達、半導體和微波集成電路、航空航天等領域。
Ansoft HFSS採用自適應網格剖分、ALPS快速掃頻、切向元等專利技術，集成了工業標準的建模系統，提供了功能強大、使用靈活的宏語言，直觀的後處理器及獨有的場計算器，可計算分析顯示各種複雜的電磁場，並可利用oplimetrics對任意參數進行優化和掃描分析。
使用Ansoft HFSS還可以計算：1)基本電磁場數值解和開邊界問題，近遠場輻射問題;2)埠特徵阻抗和傳輸常數;3)S參數和相應埠阻抗的歸一化S參數;4)結構的本徵模或諧振解等。
3.2 ANSYS Emax軟體
ANSYS Emax是ANSYS公司的高頻電磁場分析產品。應用領域包括：射頻/微波無源器件、射頻/微波電路、電磁幹擾與電磁兼容(EMI/EMC)、天線設計和目標識別。
ANSYS/Emax支持有限元計算區域所有結果的靜態和動畫顯示。包含：電磁場強度、品質因素、S參數、電壓、特徵阻抗、雷達截面積(RCS)、模型區域的遠場和近場、天線方向圖、焦耳熱損耗。
ANSYS Emax7.1還提供新的計算功能：1)頻段內快速掃頻計算，用於S參數的快速提取;2)天線各項拓展指標(增益、輻射功率、方向圖、效率)的計算;3)Ⅳ埠網絡s參數自動提取;4)熱效應分析;5)S參數的Touch stone格式文件輸出;6)RCS極化方向選擇。
4結論
微波系統的設計越來越複雜，對電路的指標要求越來越高，電路的功能越來越多，電路的尺寸要求越做越小，而設計周期卻越來越短。傳統的設計方法已經不能滿足系統設計的需要，使用微波EDA軟體工具進行微波元器件與微波系統的設計已經成為微波電路設計的必然趨勢。
實踐表明，應用EDA仿真工具，可以大幅度降低產品的開發周期和研製費用，基本可以做到一次設計、一次完成，仿真結果與實驗測試結果非常相近。但隨著頻率的增加和電路複雜性的增加，為了獲得更精確的仿真結果和提高仿真軟體的運行效率，需要有準確的模式與之相匹配和更精確的數值分析方法。而對軟體的使用者來說，任何軟體都不是完全智能的，都需要人為的幹預，並對電磁場理論有深刻的理解，才能建立有效的模型。目前，RF和微波EDA仿真軟體已從單一的仿真工具向多重仿真工具發展，即：EDA仿真軟體將集電磁仿真、集成電路仿真、電路板的製作為一體。各公司的競爭越來越激烈，如何在最短的時間內計算出最精確的結果是各軟體公司所追求的目標。相信人們在不斷總結經驗的基礎上，將會開發出性能更加穩定、應用更加廣泛的各類微波EDA仿真工具，微波工程領域應用的人工智慧專家系統最終目標的實現也將指日可待。