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1/1微波射频仿真软件综合和应用评析微波系统的设计越来越简单,对电路的指标需求越来越高,电路的功能越来越多,电路的尺寸需求越做越小,而设计周期却越来越短。传统的设计方法已不能满意微波电路设计的需要,使用微波EDA软件工具进行微波元器件和微波系统的设计已成为微波电路设计的必定趋势。

EDA即ElectronicDesignAutomation,电子设计自动化；目前,国外各种商业化的微波EDA软件工具不断涌现，微波射频领域主要的EDA工具首推Agilent公司的ADS软件和Ansoft公司的HFSS、Designer软件，其次是比较小型的有MicrowaveOffice,AnsoftSerenade,CST,Zeland,XFDTD,Sonnet等电路设计软件。下面将会将会简要地介绍一下各个微波EDA软件的功能特点和使用范围，以期大家有个总体的了解。微波EDA仿真软件和电磁场的数值算法亲密相关，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。全部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--FiniteElementMethod）、矩量法(MoM--MethodofMoments），差分法(FDM--FiniteDifferenceMethods），边界元法(BEM--），和传输线法(TLM--Transmission-Line-matrixMethod），在时域，数值算法有：时域有限差分法(FDTD?FiniteDifferenceTimeDomain），和有限积分法(FIT?FiniteIntegrationTechnology）。假如想进一步了解各种数值算法的详细实现，能参阅以下几本书籍：①MicrowaveCircuitModelingUsingElectromagneticFieldSimulation,②NumericalTechniquesinElectromagnetics,③ElectromagmeticSimunationUsingtheFDTDMethod，④ComplexeletromagneticproblemsandnumericalSimulationApproaches。

其中，使用矩量法(MoM）的微波EDA软件有ADS，AnsoftDesigner，MicrowaveOffice,ZelandIE3D，AnsoftEsemble，SuperNEC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CSTMicrowaveStudio和CSTMafia。

下面来介绍较流行几种的微波EDA软件的功能和应用.

HFSS使专心得

和大部分的大型数值分析软件相像，以有限元方法为基础的AnsoftHFSS并非是傻瓜软件，对于绝大部分的问题来说，想要得到快速而精确     的结果，必需人工作肯定的干预。除了必需非常明白模型细节外，建模者本身也最佳具有肯定的电磁理论基础。这里假定阅读者使用过HFSS，因此对一些属于基本操作方面的内容并不提及。

1、对称的使用

对于一个详细的高频电磁场仿真问题，首先应当看看他是否能采纳对称面。这里面的约束主要在几何对称和激励对称需求。假如一个问题的激励并不需求是可改动的，比如全部同相馈电的阵列，此时最佳采纳对称，甚至能采纳2个对称（E和H对称），将能大大节省时间和设备资源。

2、面的使用

在实际问题中，有特别多结构是能使用2维面来代替的，使用2维面的好处是能极大的削减计算量并且结果和使用3维实体相差无几。例如计算一个微带的分支线耦合器，印制板的微带及地都能指定某些面为最佳电面代替，这样能特别快的获得所需要的物理尺寸及其性能。再以计算偶极子为例，假如偶极子是以最佳导体为材质的圆柱，那么相同的其他条件下其计算时间大约是采纳等效面为偶极子的4～5倍，由此可见一般。

3、LumpPort（集中端口）的使用

在HFSS8里供应了一种新的激励：LumpPort，这种激励避开了建立一个同轴或波导激励，从而在肯定程度上减轻了模型量，也削减了计算时间。LumpPort也能使用一个面来代表，要留意的是对该Port的校准线和阻抗线的设置肯定要精确     ，端口在空间上肯定要和其他金属（或电面）相接，否则结果极易出错。

4、关于辐射边界的问题

在不必求解近（远）场问题时，比如密封在金属箱体里面的滤波器等密闭问题，无需设置辐射边界。在需需求解场分布或方向图时，必需设置辐射边界。这里有些需要留意的问题：在计算大带宽周期性结构时，比如3个倍频程，最佳分段计算，例如以一个倍频程为一段，也就是说在不同的频段计算时设置不同大小的辐射边界，否则在计算的频率边缘难以确保计算精度；其次，辐射边界的大小和问题的详细外形亲密相关，假如物体的外部轮廓能装在一个球或并不过分的椭球中时，宜采纳立方体边界??简洁有效，假如问题的外部轮廓较为简单或椭球2轴差距太大，以采纳相像形边界或圆柱边界，对于辐射问题，假如估量问题的增益较低（比如2dB），那么边界宜采纳球形，此时为了得到结果精确     也只好牺牲时间了；另在HFSS8中供应了一种新的汲取边界??PML边界条件，对于这种边界，笔者并不是特别满足，尽管其有效距离为八分之一个中心波长??是老边界的一半，能削减计算量，然而这种边界由程式自己生成，为一个立方体的简单结构，对于一些特殊的简单问题，这种边界内部有特别多的空间是无用的，此时还不如使用老边界敏捷。

5、关于开孔

有些问题需要在壁上开孔，此时能采纳2种方法，其一是老狡猾实的在模型上挖空；其二是采纳H/Natrue边界条件，通常，假如是在面上开孔，将会采纳后者，简洁，便于修改。

6、关于网格划分

当模型建立好了之后，进入计算模块，第一步是给问题划分网格。对于一般问题，让软件自动划分比较省心，但对大型问题和简单问题，让软件自己划分可能需要特别好的耐性来等待。依据实际阅历，在大型模型的结构密集区域或场敏感区域使用人工划分能得到特别好的效果，有些问题的计算结果开头表现为收敛，但进一步提高精度，却又反弹，问题就在于开头时场敏感区域的网格划分不够认真，导致计算结果的偏差。

7、关于所需要的精度

计算问题时，一般需要给定一个收敛精度和计算次数以避开程式“陷入计算而无法自拔”，当对模型熟识后，能单单靠给定次数。在问题之初，建议的计算精度不要太高，实际中曾见到有操将问题的S参数精度设定为0.00001，其实这是完全没有必要的，一般S参数的精度设定为0.02左右就已能满意绝大部分问题的需要（此时应当留意有无收敛反弹的状况）。假如是计算次数，对于密闭问题，建议是设定为8～12次，对于辐射问题，一般计算6～8次左右即可观看结果，假如不够再打算是否连续计算。

8、关于扫描

HFSS供应一个扫描功能，分3种方式：快速、离散和插值。其中离散扫描只保留最终一个频点的场结果，其计算时间是单个频点计算时间之和；对快速扫描，将能得到所计算的频率范围内的全部频率场结果，不过其计算速度和频点多少关系不大，基本和模型简单程度正比，有时扫描计算的时间特别长，假如不是特殊需要关怀全部的场状况，建议选用离散扫描，对于特殊巨大的问题，则是以快速扫描为宜。而插值方式比较少用。

9、关于问题的规模

HFSS所能计算的问题规模和计算机硬件关系特别大，其次是所使用的操作系统。在HFSS8里，问题描述矩阵的阶基本和网格数正比，对于四周体上10万的问题也能游刃有余（只要机器够好），然而这并非是指实际问题的电尺寸，实际上，要精确计算一个计算机网络电缆接头（RJ45）所需要的时间和资源并不比计算一个有一个波长电尺寸的一般辐射问题少多少，所以实际上其计算规模的主要约束是问题的简单程度，而简单程度里面包含了电尺寸、结构简单度等要素。由此提示我们建模时应当尽量简化模型。一般来说，除了在激励区，当结构电尺寸比二非常之一波长还小时，能忽视他的存在而不会引入明显的误差，这一点在解决问题之初特别有效，能快速发觉问题的关键；当问题的主要需求满意

后，再将模型细化以获得更加精确的结果。

以上就HFSS使用的各个方面总结了一些心得，以供大家参考，如有不当之处，请沟通指正，先谢过！

微波射频仿真软件综述和应用评析

ADS2023AADS2023CHFSS9.2AnsoftDesignerZelandIE3D9.2XFDTD6.0SerenadeCST

微波系统的设计越来越简单,对电路的指标需求越来越高,电路的功能越来越多,电路的尺寸需求越做越小,而设计周期却越来越短。传统的设计方法已不能满意微波电路设计的需要,使用微波EDA软件工具进行微波元器件和微波系统的设计已成为微波电路设计的必定趋势。EDA即ElectronicDesignAutomation,电子设计自动化；目前,国外各种商业化的微波EDA软件工具不断涌现，微波射频领域主要的EDA工具首推Agilent公司的ADS软件和Ansoft公司的HFSS、Designer软件，其次是比较小型的有MicrowaveOffice,AnsoftSerenade,CST,Zeland,XFDTD,Sonnet等电路设计软件。下面将会将会简要地介绍一下各个微波EDA软件的功能特点和使用范围，以期大家有个总体的了解。

微波EDA仿真软件和电磁场的数值算法亲密相关，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。全部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--FiniteElementMethod）、矩量法(MoM--MethodofMoments），差分法(FDM--FiniteDifferenceMethods），边界元法(BEM--），和传输线法(TLM--Transmission-Line-matrixMethod），在时域，数值算法有：时域有限差分法(FDTD?FiniteDifferenceTimeDomain），和有限积分法(FIT?FiniteIntegrationTechnology）。假如想进一步了解各种数值算法的详细实现，能参阅以下几本书籍：①MicrowaveCircuitModelingUsingElectromagneticFieldSimulation,②NumericalTechniquesinElectromagnetics,③ElectromagmeticSimunationUsingtheFDTDMethod，④ComplexeletromagneticproblemsandnumericalSimulationApproaches。

其中，使用矩量法(MoM）的微波EDA软件有ADS，AnsoftDesigner，MicrowaveOffice,ZelandIE3D，AnsoftEsemble，SuperNEC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CSTMicrowaveStudio和CSTMafia。

下面来介绍较流行几种的微波EDA软件的功能和应用。

ADS?AdvancedDesignSystem，是Agilent公司推出的微波电路和通信系统仿真软件，是国内各高校和讨论所使用最多的软件之一。其功能特别强大，仿真手段丰富多样，可实现包括时域和频域、数字和模拟、线性和非线性、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和优化，从而大大提高了简单电路的设计效率，是特别优秀的微波电路、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。目前最新的版本是ADS2023A。

AnsoftDesigner，是Ansoft公司推出的微波电路和通信系统仿真软件；他采纳了最新的视窗技术，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，这种集成不是简洁和界面集成,其关键是AnsoftDesigner独有的"按需求解"的技术,他使你能够依据需要选择求解器,从而实现对设计过程的完全掌握。AnsoftDesigner实现了“所见即所得”的自动化版图功能，版图和原理图自动同步，大大提高了版图设计效率。同时,Ansoft还能便利地和其他设计软件集成到一起，并能和测试仪器连接，完成各种设计任务，如频率合成器，锁相环，通信系统，雷达系统及放大器，混频器，滤波器，移相器，功率安排器，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。目前最新的版本是AnsoftDesigner2.1。

AnsoftHFSS，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供应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力量的功能强大后处理器，能计算任意外形三维无源结构的S参数和全波电磁场。HFSS软件拥有强大的天线设计功能，他能计算天线参量，如增益、方向性、远场方向图剖面、远场3D图和3dB带宽；绘制极化特性，包括球形场重量、圆极化场重量、Ludwig第三定义场重量和轴比。使用HFSS，能计算：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；③S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。而且，由AnsoftHFSS和AnsoftDesigner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，供应了从系统到电路直至部件级的快速而精确的设计手段，掩盖了高频设计的全部环节。目前最新的版本是AnsoftHFSS9.2。

MicrowaveOffice，是AWR公司推出的微波EDA软件，为微波平面电路设计供应了最完整,最快速和最精确的解答。他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。而对于由详细的微带几何图像构成的分布参数微波平面电路则采纳场的方法较为有效；该软件采纳的是"EMSight"的模拟器来处理全部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，能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。"EMSight"模拟器是个三维电磁场模拟程式包，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和直观的视窗图像用户界面(GUI）技术结合起来，使得计算速度加快很多。MWO能分析射频集成电路(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、计算精确     ；但XFDTD本身没有优化功能，须通过第三方软件Engineous完成优化。该软件最早用于仿真蜂窝电话，长于手机天线和SAR计算。目前广泛用于无线、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XFDTD6.0

ZelandIE3D，IE3D是个基于矩量法的电磁场仿真工具，能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、设定基板和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；PATTERNVIEW是IE3D的后处理套件，能将仿真计算结果，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和设计。软件最新版本为ZelandIE3D10.0。

CSTMICROWAVESTUDIO，是德国CST（ComputerSimulationTechnology）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。微波工作室使用简洁，能为用户的高频设计供应直观的电磁特性。微波工作室除了主要的时域求解器模块外，还为某些特殊应用供应本征模及频域求解器模块。CAD文件的导入功能及SPICE参量的提取增加了设计的可能性