各大仿真软件介绍(包括算法,原理)

1、 本文由092011235贡献 doc文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 各大仿真软件介绍（包括算法，原理） 各大仿真软件介绍（包括算法，原理） 声明:以下全来自于网络 随着无线和有线设计向更高频率的发展和电路复杂性的增加，对于高频电磁场的仿 真，由于忽略了高阶传播模式而引起仿真的误差。另外，传统模式等效电路分析方 法的限制，与频率相关电容、电感元件等效模型而引起的误差。例如，在分析微带 线时，许多易于出错的无源模式是由于微带线或带状线的交叉、阶梯、弯曲、开路、 缝隙等等，在这种情况下是多模传输。为此，通常采用全波电磁仿真技术去分析电 路结构，通过电

2、路仿真得到准确的非连续模式 S 参数。 这些 EDA 仿真软件与电磁场的数值解法密切相关的，不同的仿真软件是根据不同的 数值分析方法来进行仿真的。通常，数值解法分为显示和隐示算法，隐示算法（包 括所有的频域方法）随着问题的增加，表现出强烈的非线性。显示算法（例如 FDTD、 FIT 方法在处理问题时表现出合理的存储容量和时间。 本文根据电磁仿真工具所采用的数值解法进行分类，对常用的微波 EDA 仿真软件进 行论述。 2基于矩量法仿真的微波 EDA 仿真软件 基于矩量法仿真的 EDA 软件主要包括 ADS（Advanced Design System）、Sonnet 电 磁仿真软件、IE3D 和

3、 Microwave office。 2.1 ADS 仿真软件 Agilent ADS(Advanced Design System)软件是在 HP EESOF 系列 EDA 软件基础上发 展完善起来的大型综合设计软件，是美国安捷伦公司开发的大型综合设计软件，是 为系统和电路工程师提供的可开发各种形式的射频设计，对于通信和航天防御的 应用， 从最简单到最复杂， 从离散射频微波模块到集成 MMIC。 从电路元件的仿真， 模式识别的提取，新的仿真技术提供了高性能的仿真特性。该软件可以在微机上运 行，其前身是工作站运行的版本 MDS（Microwave Design System）。该软件还提供 了

4、一种新的滤波器的设计引导，可以使用智能化的设计规范的用户界面来分析和综 合射频微波回路集总元滤波器，并可提供对平面电路进行场分析和优化功能。它 允许工程师定义频率范围，材料特性，参数的数量和根据用户的需要自动产生关键 的无源器件模式。该软件范围涵盖了小至元器件，大到系统级的设计和分析。尤其 是其强大的仿真设计手段可在时域或频域内实现对数字或模拟、线性或非线性电路 的综合仿真分析与优化，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，使之成为设计人员的有效工具 6-7。 2.2 Sonnet 仿真软件 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

5、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。 2.3 IE3D 仿真软件 IE3D

6、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。它利用积分的方式求解 Maxwell 方程组，从而解决电磁波的效 应、 不连续性效应、 耦合效应、 和辐射效应问题。 仿真结果包括 s、 z 参数， y、 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。IE3D 在微波/毫米波集成电路（MMIC）、RF 印制板电路、微带天线、线电线和其它形式 的 RF 天线、 HTS 电路及滤波器、 的内部连接和高速数字电路封装方面是一个非常 IC 有用的工具。 2.4 Microwave Office 软件介绍 “Microwa

7、ve Office”软件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、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。

8、 ”EMSight”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。它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。 Microwave Office 2002 增加了一些新功能，包括滤波器智能综合、智能负载牵引， 提高对存在的回路的电磁仿真，包括振荡器相位噪声分析和 3D 平面电磁仿真引擎， 使对某些复杂问题的仿真更加有效。 3基于时域有限差分的微波仿真软件 基于时域有限差分的仿真软件包括：CST

9、 MICROWAVE STUDIO、FIDELITY 和 IMST Empire 3.1 CST MICROWAVE STUDIO 仿真软件 CST MICROWAVE STUDIO? (CST SD)是为快速、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。 它主要应用在复杂设 计和更高的谐振结构。CST DS 通过散射参数使电磁场元件结合在一起。把复杂的 系统分离成更小的子单元，通过对系统每一个单元行为的 S-参数的描述，可以快速 的分析和降低系统所需的内存。CST DS 它考虑了在子单元之间高阶模式的耦合， 结构分成小部分而没有影

10、响系统的准确性。 传统的电路仿真软件仿真是快速的，但是，当考虑集肤效应损耗和材料的复杂性， 结果的准确性将受到大幅度的影响。 CST DS 的 3D 仿真软件克服了这种限制， 像 可 以解决任意几何形状的下所建立的麦克斯韦方程，包括复杂的材料模式。 CST MICROWAVE STUDIO? 的可以应用在仿真电磁场领域包括大多数的高频电 磁场问题上。移动通信、无线设计、信号完整性和电磁兼容(EMC)等。具体应用范 围包括耦合器、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。 3.2 FIDELITY 仿真软件 FIDELITY 是基于非均匀网

11、格的时域有限差分方法的全三维电磁 场仿真器，可以解决具有复杂填充介质求解域的场分布问题。仿真结果包括 S-、Y-、 Z-参数， VSWR， RLC 等效电路， 近场分布， 波印廷矢量和辐射方向图等。 FIDELITY 可以分析非绝缘和复杂介质结构的问题。它在微波/毫米波集成电路（MMIC）、RF 印制板电路、微带天线、线电线和其它形式的 RF 天线、HTS 电路及滤波器、IC 的 内部连接和高速数字电路封装，EMI 及 EMC 方面的应用。 FIDELITY 的特点有：1)可对真正的三维金属和非绝缘介质结构进行建模；2)高 效、高准确非均匀网格的 FDTD 仿真引擎；3)能方便地对分析目标排列

12、定位和几何 结构的编辑与检查；4）可对非各向同性介质填充的同轴波导和矩形波导进行建模； 5）具有自动网格生成功能、网格优化功能和对输入的几何结构进行单独网格生成功 能；6）预定义同轴、微带、矩形波导和用户定义端口；7）不同边界条件的实现（如 PML）；8）集成的预处理和后处理功能，包括 S 参数提取和时域信号显示；9）辐 射方向图的计算、近场动态显示功能；10）具有切片显示功能的三维和二维电场、 磁场及坡印廷矢量的显示；11）一次仿真即可得到宽带频谱的功能；12）平面波激 励和 SAR 计算功能 3.3 IMST Empire 仿真软件 IMST Empire 是一种 3D 电磁场仿真软件。

13、它是一种基于 3D 的时域有限差分的方法， 这种方法已经变成 RF 元件设计的标准。它的应用范围从分析平面结构、互联、的 多端口集成到微波波导、天线、EMC 问题。EMPIRE 基本覆盖了 RF 设计 3D 场仿 真的整个领域。根据用户的定义的频率范围，一次的仿真的运行，就可以得到散射 参数、辐射参数和辐射场图。对于结构的定义，3D 编辑器集成到 EMPIRE 软件中。 AUTOCADTM 是一个流行的机械画图工具，可以在 EMPIRE 环境中使用。监视窗 口和动画可以给出电磁波的现象，并获得准确的结果。 4基于有限元的微波 EDA 仿真软件 基于有限元的典型仿真软件是：Ansoft HFSS

14、 Ansoft HFSS 是世界上第一个商业化的三维结构电磁场仿真软件，可分析仿真任意 三维无源结构的高频电磁场，可直接得到特征阻抗、传播常数、S 参数及电磁场、 辐射场、天线方向图等结果。该软件被广泛应用于无线和有线通信、计算机、卫星、 雷达、半导体和微波集成电路、航空航天等领域。 Ansoft HFSS 采用自适应网格剖分，ALPS 快速扫频，切向元等专利技术，集成了工 业标准的建模系统，提供了功能强大、使用灵活的宏语言，直观的后处理器及独有 的场计算器，可计算分析显示各种复杂的电磁场，并利用 Optimetrics 可对任意的 参数进行优化和扫描分析。 使用 Ansoft HFSS，可以

15、计算：1）基本电磁场数值解和开边界问题，近远场辐射问 题。2）端口特征阻抗和传输常数。3）S 参数和相应端口阻抗的归一化 S 参数。4） 结构的本征模或谐振解。 常用的高频电磁场仿真软件有下面这些： Ansoft HFSS、Designer、Emsenble。ansoft 一贯使用 FEM（有限元法），HFSS 在中国大陆有绝 对的市场份额。一直被大家认为电小不错，电大不行。一年一来一直致力于推翻大家这种印象。 终端仿真里面面， 我们认为网络参数相对还是比较正确的， 但是场参数有时候就不是那么令人满 意了。例如，建模一个 dipole，在大部分关键的己方加了很多人工干预网哥划分，但是，增益 和

16、 pattern 的波束角宽都差挺多的。手机天线仿真经常是百分之一百零几的效率。在 9.1 版里 results 里就不得不多加了 realized gain 这个选项，把 gain 这个选项的值打个折扣给你：） CST 的 Microwave Studio，一直大家一位是 fdtd，其实它是时域积分法（FITD），当然其实不 是原则上的不同。和 FEM 方法不同，FDTD 或者 FITD 都是先在时域计算，用一个宽频谱的激励信 号（方波或者高斯波都有）去激励模型，在时域计算然后去反演到频域。系统的网络参数和场参 数基本上是反演后的得到的。特点是可以计算相当大的带宽结果，而不需要象用 anso

17、ft，可能 要把大带宽分割后分别仿真。CST 计算过程中，由于没有 FEM 计算过程中矩阵求逆过程，计算时 间和网格数成线性增长关系，而 FEM 的是指数增长关系。CST 的 MWS 从 4.3 版起，开始有了大小 网格嵌套技术，在曲面上细化六面体网格逼进曲面。这是其它 FDTD 套件所没有的。CST 的 MWS 最大的问题是不象 ansoft 的那么傻瓜化， 很多参数即使看了 help 也不是很能让人理解。 如果很 深入了解 MWS 内部细节， 估计可以一次性不用收敛做出完美的仿真。 我们曾经用完全相同的模型 分别在 ansoft 和 CST 运行，结果双频天线 CST 结果低频比 anso

18、ft 结果高。而高频又比 ansoft 结果低。但是场参数就可靠得多了，一个加上塑胶外壳参数、电池、屏蔽罩等器件的模型，天线 在谐振点就是比较真实的百分之四、五十。韩国都用 CST，没有什么人用 ansoft。 Zeland IE3D，矩量法（MoM）。IE3D 可能是最好的商业 MoM 套件。MoM 原理相对简单，且计算速 度极快。IE3D 比较适合 2.5 维情形，例如算算 PCB 或者微带天线比较合适，算复杂 3D 结构力不 从心。但是，手机 PIFA 的计算就比较适合用 IE3D。不是用于做天线项目仿真，而是用于研究天 线的基本特征，天线和 PCB 如何相互耦合、PCB 上激发的表面电

19、流走向等原型阶段的预研。 Zeland Fidelity，FDTD 法，相比 IE3D 名气小，用的人也不多。没有 CST 大小网格嵌套。这里 补充一句，所有的 FDTD 套件都是采用 PML 方法的。 XFDTD，有名的 FDTD 套件。经常和很多测试 SAR 的硬件系统联系在一起，在加载人体电磁模型后 可以计算 SAR 值。缺点是天线 Pattern 没有 3D 显示，只有 2D 截面。这个缺点最好能在新版本中 改进。 SemCAD，也是 FDTD 套件。没有比 XFDTD 等有太多优势，也有被用来计算 SAR 的。好像也有用来 作系统 EMC 计算。 IMST Empire，FDTD 套

20、件。非常优秀的高频电磁场套件，德国人的东西。获得欧洲多次仿真大赛 的优胜，仿真题目是一个 Vivalti 天线，速度最快，又最准确。但是正如德国人的问题，好是好， 但又有太过明显缺陷。建模法实在是太复杂了，我学了三次都没有真正学会。最后没有时间只好 放弃。 FEKO，用 Ansys 接口的软件，使用混和 MoM，多层快速多极子（这个我只知道名称了），几何光 学和射线追踪法等，可以计算非常复杂的 3D 结构和环境，擅长电大尺寸。常被用做飞机电磁性 能的建模和仿真。 Sonnet，MoM 方法。这个就不太熟了。 SuperNEC，MoM 法，要使用 MatLab 平台。这个会限制它的计算速度，因为

21、 MatLab 是行解释型的， 代码不编译。 ADFEMS，才听说的软件套件。意大利公司的产品，以前是对中国禁运的软件。据说是因为太专 业太有用了，是航天器卫星、兵器等电磁仿真的利器。现在正在逐步对中国企业开放。但是如果 是研究所或者国营机构去买，也还是不卖。报价是 ansoft 等套件的 10 倍以上。 Aplac，据说 Nokia 公司的人用这个作电磁场仿真。只是接触过他们的一个 Sales，看过一点资 料，主要是电路和系统级的。电磁场模块 fdtd 的，建模巨复杂。其它的都不清楚。 CFDTD，全名 Conformal FDTD，中国人编的商业套件。据说业界还有好评。但是看来商业做得不

22、好，网上后来就没有再见消息。特色不用说，肯定是 conformal 啦，现在谁能对金属曲面边界做 好 conformal meshing 的就是好计算方法了 基础知识 1. 矩量法 矩量法是求解电磁场边界值问题中一种行之有效的数值方法，其数学本质是一种求 解线性方程的方法。 矩量法矩量法-定义 矩量法所做的工作是将积分方程化为差分方程,或将积分方程中积分化为有限求和,从而建立代 数方程组， 故它的主要工作量是用计算机求解代数方程组.所以,在矩量法求解代数方程组过程中, 矩阵规模的大小涉及到占用内存的多少,在很大程度上影响了计算的速度.如何尽可能的减少矩 阵存储量,成为加速矩量法计算的关键 矩量法矩量法-使用步骤 1.将未知量 J 在算子的定义域内展开成有基函数所组成的级数。 2.确定合适的内积和一个权函数。 3.取内积建立矩阵方程。 4.解矩阵方程，求得未知量。 矩量法矩量法-应用领域 计算电磁学 時域有限差分 時域有限差分法（Finite-Difference Time-Domain, FDTD）是電磁 時域有限差分法 FDTD 場計算領域的一種常用方法。 時域有限差分法由 K. S. Yee 在 1966 年在其論文Numerical solution of initial boundary value probl