电磁仿真技术报告

电磁仿真技术调研报告引言微波系统的设计越来越复杂，对电路的指标要求越来越高，电路的功能越来越多，电路的尺寸要求越做越小，而设计周期却越来越短。传统的设计方法已经不能满足系统设计的需要，使用微波EDA软件工具进行微波元器件与微波系统的设计已经成为微波电路设计的必然趋势。随着单片集成电路技术的不断发展，GaAs、硅为基础的微波、毫米波单片集成电路(MIMIC)和超高速单片集成电路(VHSIC)都面临着一个崭新的发展阶段，电路的设计与工艺研制日益复杂化，如何进一步提高电路性能、降低成本，缩短电路的研制周期，已经这些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。电磁仿真的数值计算方法在求解电磁场问题时，通常只有一些经典问题有解析解，解析解对理解问题的物理本质具有重要的指导性意义。但是，由于实际环境的复杂性，往往需要通过数值分析才能得到具体环境下的电磁特性。随着计算机技术的发展，计算电磁学受到了广泛的重视。计算电磁学自20世纪60年代兴起，发展至今，拥有众多的数值计算方法。1966年，Yee首次提出了时域有限差分法(FDTD), 1967年，R・F・Harrington提出了矩量法(MoM)，有限元的概念更是早在几个世纪前就已产生并得到了应用，1969年结构力学计算有限元概念被首次提出以后，有限元法(FEM)便拓展应用到电磁学领域。除了这3种主要的方法外，数值计算方法还有边界元法(BEM)、传输线法(TLM)、格林函数法(矩形腔)、线方法(ML)等。频域方法有：有限元法、矩量法(MoM)，差分法(FDM)，边界元法和线方法(ML)等。时域方法有：时域有限差分法，传输线法，有限积分法(FIT)等。依照解析程度由低到高排列，依次是：时域有限差分法、传输线法、时域有限积分法(FITD)、有限元法、矩量法、线方法、边界元法。软件综述2.1软件的计算方法商用电磁仿真软件的计算方法主要有以下几种：有限元法、矩量法、时域有限差分法、传输线法、格林函数法、两种或多种方法的混合应用。基于矩量法的电磁仿真软件有FEKO、IE3D、AnsoftDesigner、Sonnet、Ensemble、ADS、AgilentGenesys、MicrowaveOffice、SuperNEC、COMSOL、EMSight模拟器等。矩量法将积分方程化为差分方程，或将积分方程中的积分化为有限求和，从而建立代数方程组。它的解析方面比较简单，且精确、稳定，但需要大量的计算。由于积分方程自动满足辐射边界条件，因而矩量法尤为适合求解开域问题，如散射和辐射问题，其优越性体现在对无界辐射问题、细线和均匀介质的处理。矩量法能准确地计算出所研究物体的电流分布，因而它可方便地估计电磁兼容所关心的噪声电流和噪声电压，在电磁兼容领域更显其独特的优越性。矩量法的主要工作是求解代数方程组，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。如何尽可能地减少存储量，则是加速矩量法计算的关键。在求解电大问题时，矩量法常混合多层快速多极子算法(MLFMA)、一致性集合绕射理论(UTD)等方法使用。基于有限元法的电磁仿真计算软件有Ansys、An-softHFSS、AnsoftMaxwell等。有限元法中，一个物体或系统被分解为由多个相互联结的、简单、独立点组成的几何模型。这些独立的点的数量是有限的，因此被称为有限元，它是求解偏微分方程的数值方法。有限元法的特点是：(1)它采用物理上离散与分片多项式插值，因此具有对材料、边界、激励的广泛适应性。(2)有限元基于变分原理，将求解数理方程变成代数方程组的求解，较简易。(3)有限元法各环节易于标准化，程序通用性强。但是，有限元分析的精确度无法无限提高，元的数目到达一定值后，继续提高元的数量解的精确度不再提高，而计算时间不断增加。基于时域有限差分法的电磁仿真计算软件有CSTMicrowaveStudio、CSTEMStudio、IMSTEmpire、EMA3D、Fidelity、XFDTD、SEMCAD、CFDTD等。时域有限差分法是直接求解依赖时间变量的麦克斯韦旋度方程，利用二阶精度的中心差分近似把旋度方程中的微分算符直接转换为差分形式，这样达到在一定体积内和一段时间上对连续电磁场的数据取样压缩的时域方法。电场和磁场分量在空间被交叉放置，这样保证在介质边界处切向场分量的连续条件自然得到满足。时域有限差分法的优点是：(1)直接时域计算：一次仿真可以模所有宽频带特性。(2)广泛适用性：适合模拟包含任意复杂结构、任意介质分布的空间电磁环境。(3)节约存储空间和计算时间：所需内存和仿真时间都与空间网格数成正比。FDTD法已应用于任何类型的电磁问题的求解。其在时间相关，宽带，非线性现象和复杂非均匀材料的处理上有天然的优势。基于其他算法的电磁仿真计算软件有FLO/EMC、XGTD、MWO、EMC2000、WASP-NET、ADF-EMS、MagNet等。除了MOM、FEM和FDTD之外，TLM,GTD,UTD,PEEC,及各种混合方法等数值方法也都是电磁仿真计算软件常用的算法。 TLM，GTD，UTD，PEEC和混合方法等都各具特点，自成系统。基于这些算法的软件常常具备研究绕射、金属曲面边界分析等独特的功能。2.2各种软件的主要应用领域众多软件其主要应用领域各有不同。有的强调通用性，有的则注重专用性。AnsoftDesigner、Sonnet、Ensemble、ADS、MicrowaveOffice、CSTMicrowaveStudio、SEMCAD、FLO/EMC、EMSight、MWO、Agi-lentGenesys等软件主要用于射频和微波电路、PCB电路板的电磁仿真。IE3D、SuperNEC、IMSTEmpire、Fidelity、XFDTD等主要应用于RF印制板电路、RF天线分析。FEKO、EMC2000、XGTD、WASP-NET等主要应用于天线设计和RCS计算。AnsoftHFSS、EMA3D、ADF-EMS等主要应用于通信、航空航天;CFDTD等专用于解决金属曲面边界问题。AnsoftMax-well等可用于仿真三维运动的电磁问题。MagNet等应用于分析电气设备的电磁场特性。MagNet、CSTEMStudio、SEMCAD等用于解决低频问题。COM-SOL、Ansys等则通用于解决包括电磁场、力学等多物理场耦合的工程问题。在仿真速度和计算精度主要取决于算法，在计算精度方面，矩量法精度最高，有限元次之，时域有限差分法最差。但从应用于软件的实施难易来讲，矩量法实施最难，有限元次之，时域有限差分法最易。通用性上，则有限元和时域有限差分法较通用，矩量法稍差。仿真精确度相对较高的商用软件有FEKO、ADS、COMSOL、AnsoftHFSS、Ansys、CSTMicrowaveStudio、COMSOL、IMSTEmpire、EMA3D、XFDTD、SEMCAD、EMC2000、ADF-EMS等。软件的可操作性取决于与CAD等建模软件的兼容性、仿真结果的可视性、仿真结果的开放性等。操作简便、与CAD等建模软件兼容性较好的有AnsoftDesigner、FEKO、IE3D、ADS、AgilentGenesys、COMSOL、AnsoftHFSS、Ansys、CSTMicrowaveStudi-o、CSTEMStudio、XFDTD、SEMCAD、FLO/EMC、EMSight模拟器、EMC2000、MagNet等。仿真结果的可视性和开放性方面，一般都做得较好。2.3几种常用软件的介绍2.3.1ADS仿真软件AgilentADS(AdvancedDesignSystem)软件是在HPEESOF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，是为系统和基于其他算法的电磁仿真计算软件有FLO/EMC、XGTD、MWO、EMC2000、WASP-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(MicrowaveDesignSystem)。该软件还提供了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、线性或非线性电路率分析与优化，从而大大提高了复杂电提供面向3D率分析与优化，从而大大提高了复杂电提供面向3D平面高频电路设计系统以及在EDA工具。SonnetTM应用于平面高频电2.3.2Sonnet仿真软件Sonnet是一种基于矩量法的电磁仿真软件，微波、毫米波领域和电磁兼容/电磁干扰设计的磁场分析，频率从1MHz至ij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。2.3.3IE3D仿真软件IE3D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、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。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、IC的内部连接和高速数字电路封装方面是一个非常有用的工具。2.3.4MicrowaveOffice仿真软件“MicrowaveOffice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。”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。MicrowaveOffice2002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。2.3.5CSTMICROWAVESTUDIO仿真软件CSTMICROWAVESTUDIO(CSTSD)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。CSTDS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。CSTDS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。像CSTDS的3D仿真软件克服了这种限制，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。CSTMICROWAVESTUDIO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。2.3.6FIDELITY仿真软件FIDELITY是基于非均匀网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。2.3.7IMSTEmpire仿真软件IMSTEmpire是一种3D电磁场仿真软件。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。2.3.8AnsoftHFSS仿真软件AnsoftHFSS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。AnsoftHFSS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AnsoftHFSS，可以计算：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。电磁仿真软件的发展方向随着电磁场数值分析方法发展的不断成熟，基于各种算法的商用电磁仿真计算软件也日趋完善。电磁仿真计算软件的发展方向主要有以下几点：计算电磁学理论的发展带动电磁软件的更新。如何精确快速地计算电大尺寸复杂目标电磁特性依然有着较大的需求，目前商用软件，如HFSS、CST、Feko等仍解决不了这个问题，还有很多工作要做。计算方法的综合发展促进仿真计算软件和计算电磁学理论的日益成熟，而将两种或多种算法混合应用也取得较好的功效。如SEMCA