1、電磁場仿真軟件簡介隨著電磁場和微波電路領域數(shù)值計算方法的發(fā)展，在最近幾年出現(xiàn)了大量的電磁場和微波電路仿真軟件。在這些軟件中，多數(shù)軟件都屬于準 3 維或稱為 2.5 維電磁仿真軟件。例如，Agilent 公司的 ADS Advanced Design System）、AW宓司的 Microwave Office、Ansoft 公司的 Esemble、Serenade 和 CST公司的 CST Design Studio 等。目 前，真正意義上的三維電磁場仿真軟件只有Ansoft公司的HFSS CST公司的Mafia CST Microwave Studio、Zeland 公司的 Fidelity

2、 和 IMST GmbHW的 EMPIRE 從理 論上講，這些軟件都能仿真任意三維結(jié)構(gòu)的電磁性能。其中， HFSS （HFS窕英文高頻 結(jié)構(gòu)仿真器（ High Frequency Structure Simulator ）的縮寫）是一種最早出現(xiàn)在商業(yè)市場的電磁場三維仿真軟件。因此，這一軟件在全世界有比較大的用戶群體。由于HFSSS入中國市場較早，所以目前國內(nèi)的電磁場仿真方面 HFSS勺使用者眾多，特別是 在各大通信技術(shù)研究單位、公司、高校非常普及。德國CST公司的MicroWave Studio （微波工作室）是最近幾年該公司在Mafia軟件基礎上推出的三維高頻電磁場仿真軟件。它吸收了 Maf

3、ia 軟件計算速度快的優(yōu)點， 同時又對軟件的人機界面和前、后處理做了根本性的改變。就目前發(fā)行的版本而言，CST勺MW的前后處理界面及操作界面比 HFSS子。Ansoft也意識到了自己的缺點，在 剛剛推出的新版本HFSS（定名為Ansoft HFSS V9.0 ）中，人機界面及操作都得到了極 大的改善。在這方面完全可以和CST 媲美。在性能方面，兩個軟件各有所長。在速度和計算的精度方面CST和ANSOF成績相差不多。值得注意的是，MW家用的理論基礎 是FIT （有限積分技術(shù)）。與FDTD（時域有限差分法）類似，它是直接從 Maxwell方程 導出解。因此，MWST以計算時域解。對于諸如濾波器，耦

4、合器等主要關心帶內(nèi)參數(shù)的 問題設計就非常適合；而 HFSS采用的理論基礎是有限元方法（FEM）,這是一種微分方 程法，其解是頻域的。所以，HFSSfc果想獲得頻域的解，它必須通過頻域轉(zhuǎn)換到時域。 由于，HFS為用的是微分方法，所以它對復雜結(jié)構(gòu)的計算具有一定的優(yōu)勢。另外， 在高頻微波波段的電磁場仿真方面也應當提及另一個軟件： ANSYS 。 ANSYS 是一個基于有限元法（FEM）的多功能軟件。該軟件可以計算工程力學、材料力學、熱力 學和電磁場等方面的問題。它也可以用于高頻電磁場分析（應用例如：微波輻射和散射分析、電磁兼容、電磁場干擾仿真等）。其功能與HFSSffi CST MW類似。但由于該

5、軟件在建模和網(wǎng)格劃分過程中需要對該軟件的使用規(guī)則有詳細的了解，因此，對一般的工程技術(shù)人員來講使用該軟件有一定困難。對于高頻微波波段通信、天線、器件封裝、電磁干擾及光電子設計中涉及的任意形狀三維電磁場仿真方面不如HFSSM專業(yè)、更理想。實際上，ANSY歆件的優(yōu)勢并不在電磁場仿真方面，而是結(jié)構(gòu)靜力 /動力分析、 熱分析以及流體動力學等。但是，就其電磁場部分而言，它也能對任意三維結(jié)構(gòu)的電 磁特性進行仿真。雖然,Zeland公司的Fidelity 和IMSTGmb公司的EMPIR也可以仿真三維結(jié)構(gòu)。 但由于這些軟件的功能不如前面的軟件，所以用戶相對較少。下面列出幾個相關軟件的名稱和主要性能，微波CAD

6、軟件簡介）商名稱主要性能計算方法AgilentADS線性/非線性電路仿真；數(shù)字電路仿真；信號系統(tǒng)分析、仿真。Momentum2.5D平間電路高頻電磁場仿 真矩量法（MoMAnsoftHFSS3D高頻電磁場仿真有限元法（FEMDesigner線性/非線性電路仿真；2.5D平間電路高頻電磁場仿直.?信號系統(tǒng)分析、仿真。矩量法（MoMEnsemble2.5D平間電路高頻電磁場仿 真矩量法（MoMSerenade Symphony信號系統(tǒng)分析、仿真。Harmonica線性/非線性電路仿真；2.5D平間電路高頻電磁場仿 真矩量法(MoMSPICE Link高級信號與系統(tǒng)仿真；Schematic Capt

7、ure驅(qū)動系統(tǒng)仿真；提取等效電路。Optimatrics參數(shù)分析、優(yōu)化和靈敏度分析有限差分法(FDMCSTMafia低頻電場和磁場仿真；3D高頻電磁場仿真；系統(tǒng)熱力學仿真；帶電粒子運動仿真。有限積分技術(shù)(FIT)Microwave Studio3D高頻電磁場仿真有限積分技術(shù)(FIT)Design Studio2.5D平間電路高頻電磁場仿直. ?矩量法(MoMAWRMW Office線性/非線性電路；2.5D平間電路高頻電磁場仿 真。矩量法(MoMIMSTGmbHEMPIRE3D高頻電磁場仿真時域肩限差分法(FDTDZelandIE3D2.5D平聞電路高頻電磁場仿 真。時域肩限差分法(FDTDF

8、idelity3D高頻電磁場仿真SonnetEM2.5D平間電路高頻電磁場仿 真ANSYSANSYS結(jié)構(gòu)靜力分析結(jié)構(gòu)動力分析線性及非線性屈曲分析斷裂力學分析高度非線性瞬態(tài)動力分析熱分析流體動力學3D高頻電磁場分析有限元法(FEM幾個主要相關類型軟件的簡介：ADS(Advanced Design System )它是 Agilent Technoligyies 公司推出的一套電路自動設計軟件。Agilent Technoligyies 公 司把已 有產(chǎn)品 HP MDS(Microwave Design System)和 HP EEsof IV(Electronic Engineering Sof

9、tware) 兩者的精華有機的結(jié)合起來，并增加了許多新 的功能，構(gòu)成了功能強大的ADSa件。ADS軟件范圍涵蓋了小至元器件，大到系統(tǒng)級的設計和分析，主要包括RFIC設計軟件、RF電路板設計軟件、DSP專業(yè)設計軟件、通訊系統(tǒng)設計軟件以及微波電路設計 軟件。AD欹件仿真手段豐富多樣，可實現(xiàn)包括時域和頻域、數(shù)字與模擬、線性與非線性、噪聲等多種仿真分析手段，并可對設計結(jié)果進行成品率分析與優(yōu)化，從而大大提高了復雜電路的設計效率，是非常優(yōu)秀的微波電路、系統(tǒng)信號鏈路的設計工具。不但其仿真性能優(yōu)越, 而且提供了功能強大的數(shù)據(jù)后處理能力。這對我們進行復雜、特殊電路的仿真、數(shù)據(jù)后處理及顯示提供了可能。該軟件切實考

10、慮到工程實際中各種參數(shù)對系統(tǒng) 的影響，對要求分析手段多樣，運算量大的仿真分析，尤其適用。AD欹件可應用于整個現(xiàn)代通信系統(tǒng)及其子系統(tǒng)，能對通信系統(tǒng)進行快速、便捷、 有效的設計和仿真。這是以往任何自動設計軟件都不能夠的。所以，ADS已被廣大電子工程技術(shù)人員接受，應用也愈加廣泛。主要應用：AD初能非常強大，對整個現(xiàn)代通信系統(tǒng)及其子系統(tǒng)的設計和仿真提供支持。主要應用有以下幾個主要方面：射頻和微波電路的設計（包括RFIC、 RF Board ） 。DSP計通信系統(tǒng)的設計向量仿真每個設計本身又包括以下幾個內(nèi)容：繪制原理圖系統(tǒng)仿真布局圖Pspice 原理圖CST Microwave studioCST MI

11、CROWAVE STUDIOCST公司為快速、精確仿真電磁場高頻問題而專門開發(fā)的EDAT具，是基于PC機Windows環(huán)境下的仿真軟件。其主要應用領域有：移動通信、 無線設計、信號完整性和電磁兼容(EMC痔。具體應用包括：偶合器、濾波器、平面結(jié) 構(gòu)電路、 聯(lián)結(jié)器、 IC 封裝、 各種類型天線、 微波元器件、 藍牙技術(shù)和電磁兼容/ 干擾等。MWSI供三個解算器，四種求解方式。它們是時域解算器、頻域解算器和本征模解算器。四種求解方式分別為傳輸問題的頻域解、時域解、模式分析解和諧振問題的本征模解。同時也提供各種有效的 CAD俞入選項和SPICE參數(shù)的提取。另外，CSTMWSI 過調(diào)用 CST DES

12、IGN STUDIO?內(nèi)含一個巨大的設計環(huán)境庫， CST DESIGN STUDIO?身 也提供外部仿真器的聯(lián)結(jié)。應用：各種天線、連接器、諧振腔、蜂窩電話、同軸連接器、偶合濾波器、共面結(jié)構(gòu)、串擾問題、介質(zhì)濾波器、雙工器、高速數(shù)字設備、喇叭天線、 IC 封裝、互聯(lián)器、微帶濾波器、帶狀線結(jié)構(gòu)、微波加熱、微波等離子源、多芯連接器、毫米波集成電路、多層結(jié)構(gòu)、多路復用器、光學組件、微帶天線、平面結(jié)構(gòu)、功分器、偏光器、雷達/ 雷達截面(RCS)、SA時算/解剖設備、傳感器、屏蔽問題、開槽天線、芯片系統(tǒng)、時域反射 計(TDR)、波導結(jié)構(gòu)、無線設備Microwave OfficeMicrowave Offic

13、e 軟件為微波平面電路設計提供了最完整, 最快速和最精確的解答。它是通過兩個模擬器來對微波平面電路進行模擬和仿真的。 對于由集總元件構(gòu)成的電路 , 用電路的方法來處理較為簡便。 該軟件設有一個叫“ VoltaireXL ”的模擬器來處理集總元件構(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，該軟件采用的是一個叫“ EMSight”的模 擬器來處理任何多層平面結(jié)構(gòu)的三維電磁場的問題。由于這里意在著重于電磁場分析，所以僅涉及“EMSight”模擬器。下面是它的具體功能：“EMSight”模擬器是一個完整的三維電磁場模擬程序包，它可用于平面高頻電

14、路和天線結(jié)構(gòu)的分析。模擬器分析的電路都安裝在一個矩形的金屬包裝盒內(nèi) , 對于電 路的層數(shù)和端口數(shù)并沒有限制。它還具有顯示微波平面電路內(nèi)金屬上電流和空間電場力線的能力?！癊MSight”模擬器可以對微波平面電路進行許多種類的計算，（在該軟件中稱計算為測量） 。 除了可以計算電路的阻抗參量, 導納參量 , 散射參量 , 傳輸參量 , 混合參量之外 , 對于線性電路, 它能計算輔助穩(wěn)定因子, 輸入電容 , 群延遲 , 偶/ 奇模傳輸常數(shù) / 阻抗 /導納 , 電壓駐波比 , 端口輸入阻抗/ 導納 , 增益等。具有計算各種線/ 圓極化微帶天線的電場方向圖和功率方向圖的能力 , 在計算天線時矩形的金屬包

15、裝盒邊界可以改變，頂部和底部可以改為自由空間阻抗，而側(cè)壁可以拉遠。在“ EMSight”模擬器內(nèi)也設有一個元件庫, 其特點是列入了大量的微帶元件的資料如各種彎頭 , 開路線 ,短截線 , 耦合器 , 階梯 , T 形接頭等。 還包括了許多傳輸線的資料。ANSYSANSYS 是一種廣泛的商業(yè)套裝工程分析軟件。 該軟件主要包括三個部分： 前處理模塊，分析計算模塊和后處理模塊。前處理模塊提供了一個強大的實體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型；分析計算模塊包括結(jié)構(gòu)分析（可進行線性分析、 非線性分析和高度非線性分析） 、 流體動力學分析、 電磁場分析、 聲場分析、壓電分析以及多物理場的耦合

16、分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力；后處理模塊可將計算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示（可看到結(jié)構(gòu)內(nèi)部）等圖形方式顯示出來，也可將計算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。軟件提供了 100 種以上的單元類型，用來模擬工程中的各種結(jié)構(gòu)和材料。這里還是著重介紹電磁場方面。在該軟件的電磁場部分，它主要設計以下幾個方面：2n 3D及軸對稱靜磁場分析及軸對稱時變磁場交流磁場分析。靜電場、AC電場分析，電路分析：包括電阻、電容、電感等。電路、磁場耦合分析 。電磁兼容分析。高頻電磁場分析。 計算洛倫磁力和焦耳熱/ 力。主要應用于

17、：螺線管、調(diào)節(jié)器、發(fā)電機、變換器、磁體、加速器、天線輻射、等離子體裝置、磁懸浮裝置磁成像系統(tǒng)、電解槽及無損檢測裝置等。Ansoft SerenadeAnsoft Serenade 設計環(huán)境為現(xiàn)代的射頻以及微波設計者們提供了一個強大的電路、系統(tǒng)和電磁仿真的工具。簡易的使用環(huán)境允許使用者們在仿真器和其他的工具（如文字處理器） 最大程度的產(chǎn)生數(shù)據(jù)資料的轉(zhuǎn)移。 簡單的說， 它主要包括Harmonica電路仿真和Symphony統(tǒng)仿真部分。Symphony可以在Serenade文件夾（一種計算機標原理圖獲取、布局、和仿真環(huán)境）下面運行。它是一個可以仿真有射頻、微波和數(shù)字部分組成的通信系統(tǒng)的軟件工具。Sy

18、mphony 添加了針對外圍環(huán)境的高效的模擬、數(shù)字混合方式（模擬和數(shù)字）和系統(tǒng)分析能力。使用者能夠很快的構(gòu)建一個系統(tǒng)通包括大量元件的庫里的射頻部分的模擬和數(shù)字信號處理。像信道編碼，模擬和數(shù)字信號處理濾波器，放大器，晶體震蕩器衰減信道模型。這些都能使設計者們迅速的組建有線的或者無線系統(tǒng)。由于系統(tǒng)自帶了那么多模型，因此設計者只需要對元器件鍵入很少的關鍵特征。它也能夠?qū)€性或非線性系統(tǒng)進行徹底的操作。它也能輸出例如增益、噪聲和在時域或者頻域上的誤碼率。針對不同的設計方法，在早期階段的時候它就能夠迅速的檢查，以減少設計周期時間和避免由于射頻和數(shù)字信號處理系統(tǒng)之間的互相干擾而造成的高成本的重新設計。一旦

19、一個設計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)被確認了那么一個自上而下的設計流程就能被完成。一個系統(tǒng)的誤碼率能夠基于完整的系統(tǒng)分析而計算出來。對射頻的描述，例如阻抗不匹配，晶體震蕩器的相位噪聲和群延遲，在系統(tǒng)中（當然包括噪聲，輸入功率， S 參數(shù)和其他的輸入信號掃描分析）把誤碼率的計算作為一個任何參數(shù)的函數(shù)。Ansoft EnsembleAnsoft Ensemble 是一個針對射頻和微波的平面電磁仿真軟件。它是一個對微帶線和像濾波器、功分器和天線一類的平面微波結(jié)構(gòu)進行計算S#數(shù)和全波場的仿真軟件包。Ensembl歇件包包括一個從底部開始的計算機輔助設計布局，一個仿真器和一個可顯示數(shù)據(jù)的后處理器。該軟件沒有用傳統(tǒng)的“ cu

20、t-and- try ” 原型，減少了生成的誤差。下面是它的一些功能:1 仿真分析包括s參數(shù)，y參數(shù)，和z參數(shù)。遠場近場輻射。表面電流2 Ensemble 的應用PC布線和路徑的仿真。多層微波包裝。微波整合電路超級微波整合電路。平面天線和隊列。電路元件創(chuàng)建。天線設計分析圓極化。左旋圓極化和右旋圓極化的遠場圖。增益和軸向輻射。交叉極化和共極化場等。. 圖形特征 ：計算控制初始設計的大小。 DXF and GDS 的輸入和輸出。史密斯圓圖，極化圖和矩形圖。遠場圖。波形計算等。1.2 Ansoft HFSS 軟件簡介Ansoft HFSS 軟件是適用于射頻、無線通信、封裝及光電子設計的任意形狀三維電

21、磁場仿真的軟件。ANSOFHFSS!業(yè)界公認的三維電磁場標準仿真軟件包，它必將為射頻、無線通信、封裝及光電子產(chǎn)品新功能的開發(fā)提供嶄新高效的研究手段。本軟件徹底擺脫了傳統(tǒng)的設計模式，大大減少了研制費用和時間，加快產(chǎn)品進入市場的步伐。HFSS提供了一簡潔直觀的用戶設計界面、精確自適應的場求解器、擁有空前電性能分析能力的功能強大后處理器，能計算任意形狀三維無源結(jié)構(gòu)的 S 參數(shù)和全波電磁場。ANSOFT HFS流分利用了如自動匹配網(wǎng)格產(chǎn)生及加密、切線向矢量有限元、 ALPS(Adaptive Lanczos Pade Sweep) 和模式 - 節(jié)點轉(zhuǎn)換( Mode-node) 等的先進技術(shù)，從而使操作

22、人員可利用有限元法(FEM) 在自己的電腦少對任意形狀的三維無源結(jié)構(gòu)進行電磁場仿真。HFSS自動計算多個自適應的解決方案，直到滿足用戶指定的收斂要求 值。其基于MAXWE膜克斯韋)方程的場求解方案能精確預測所有高頻性能，如散射、模式轉(zhuǎn)換、材料和輻射引起的損耗等。用高效率的計算機虛擬模型的方法來取代費時費力的“ cut-and- try ”試驗方法，可大大縮短設計周期。仿真分析諸如天線、微波轉(zhuǎn)換器、發(fā)射設備、波導器件、射頻濾波器和任意三維非連續(xù)性等復雜問題，已簡單化成只需畫結(jié)構(gòu)圖、定義材料性能、設置端口和邊界條件。HFSS自動產(chǎn)生場求解方案、端口特性和 S參數(shù)。其S參數(shù)結(jié)果 可輸出到通用的線性和

23、非線性電路仿真器中來使用。ANSOFHFSS勺自適應網(wǎng)格加密技術(shù)使FEMPJ法得以實用化。初始網(wǎng)格(將幾何子分為四面體單元)的產(chǎn)生是以幾何結(jié)構(gòu)形狀為基礎的，利用初始網(wǎng)格可以快速解算并提供場解信息，以區(qū)分出高場強或大梯度的場分布區(qū)域。然后只在需要的區(qū)域?qū)⒕W(wǎng)格加密細化，其迭代法求解技術(shù)節(jié)省計算資源并獲得最大精確度。必要時還可方便地使用人工網(wǎng)格化來引導優(yōu)化加速網(wǎng)格細化匹配的解決方案。HFSS采用高階基函數(shù)、對稱性和周期邊界等方法，從而節(jié)省計算時間和內(nèi)存，進 一步加大求解問題的規(guī)模并加速求解的速度。Ansoft HFSS 軟件功能HFSSB件還有強大的繪圖功能。它可以與AutoCA就全兼容，完全集成A

24、CIS固態(tài) 建模器。它可以完成以下操作：無限的undo/redo多個物體組合、相減、相交布爾運算動態(tài)幾何旋轉(zhuǎn)點擊物體選擇/隱藏二維物體沿第三維才3描得到三維物體（如圓柱體）宏記錄/宏文本錐螺旋、圓柱和立方體的參數(shù)化宏可選的“實表面”幾何體在線關聯(lián)幫助以加快新功能的應用它擁有先進的材料庫綜合的材料數(shù)據(jù)庫包括了常用物質(zhì)的介電常數(shù)、滲透率、電 磁損耗正切。用戶在仿真中可分析均勻材料、非均勻材料、各向異性材料、導電材料、 阻性材料和半導體材料。對不可逆設備，標配的 HFS于T直接分析具有均勻靜磁偏的鐵 氧體問題，用戶還可選用ANSOFT 3DFS件以完成鐵氧體靜磁FEM的解算仿真。ANSOFT HFS

25、軟件含有一個龐大的庫，用該庫可參數(shù)化定義以下標準形狀：微帶T行結(jié)寬邊耦合線 斜接彎和非斜接彎半圓彎和非對稱彎圓螺旋和方螺旋混合T接頭貼片天線?螺旋幾何Ansoft HFS欹件還可以以周期邊界來解決相控陣。通過指定兩個或多個邊界間的 場關系，關連邊界條件（LBC9使得包含有源等設備的新一類問題也可建模仿真。在 對長的、均勻的和周期性的結(jié)構(gòu)建模仿真時，LBCs可大大節(jié)省計算時間和內(nèi)存。周期性的LBCs通過相位關系可確定多個主-從邊界。設計師可通過分析相控陣中的一個單 元來提取有源單元因子和阻抗，從而研究確定陣列盲區(qū)、極化性能和柵瓣。Ansoft HFSS軟件強大的天線設計功能，它可以計算下列問題：

26、計算天線參量，如增益、方向性、遠場方向圖剖面、遠場3D圖和3dB帶寬。繪制極化特性，包括球形場分量、圓極化場分量、Ludwig第三定義場分量和軸 比。二分之一、四分之一、八分之一對稱模型并自動計算遠場方向圖。Ansoft HFSS還擁有以下三種頻率掃描技術(shù)：寬帶快速率掃描利用APLS快速掃頻技術(shù)可有效地進行寬帶仿真。APLS能產(chǎn)生一個在寬頻帶內(nèi)有效 的低階次的模型，并通過計算零極點來完成寬頻帶求解。 APLS包含端口散射以精確確 定頻段內(nèi)的輸入功率和頻帶外抑制。超寬帶插值掃頻利用插值掃頻技術(shù)可有效地進行超寬帶仿真。插值掃頻能在超寬頻帶內(nèi)根據(jù)頻響 變化斜率自動增插點數(shù)，確保精確確定頻段內(nèi)的所有頻響特性。離散掃頻利用離散掃頻技術(shù)可有效地進行離散頻點的寬帶仿真。其利用當前網(wǎng)格重新求解電磁場，從而精確得到各頻率點上的性能參數(shù)。Ansoft HFSS擁有強大的場后處理器：產(chǎn)生生動逼真的場型動畫圖，包括矢量圖、等高線圖、陰影等高線圖。任意表面，包括物體表面、任意剖面、3D物體表面和3D相等面的靜態(tài)和動態(tài)圖形。動態(tài)矢量場、標量場或任何用場計算器推導出的量。動態(tài)的表面動畫可使圖形能以旋轉(zhuǎn)和移位的方式步進。新的圖一3D云圖上有一薄 薄的彩色像素層，使你能非常清晰地觀察場型特性，用戶旋轉(zhuǎn)幾何時圖形會實時更新。ANSOFTHFSS以？設計最優(yōu)化解決方案，它支持強大的具有記