電磁仿真技術(shù)報(bào)告

電磁仿真技術(shù)調(diào)研報(bào)告引言微波系統(tǒng)的設(shè)計(jì)越來(lái)越復(fù)雜，對(duì)電路的指標(biāo)要求越來(lái)越高，電路的功能越來(lái)越多，電路的尺寸要求越做越小，而設(shè)計(jì)周期卻越來(lái)越短。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法已經(jīng)不能滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需要，使用微波EDA軟件工具進(jìn)行微波元器件與微波系統(tǒng)的設(shè)計(jì)已經(jīng)成為微波電路設(shè)計(jì)的必然趨勢(shì)。隨著單片集成電路技術(shù)的不斷發(fā)展，GaAs、硅為基礎(chǔ)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(gè)嶄新的發(fā)展階段，電路的設(shè)計(jì)與工藝研制日益復(fù)雜化，如何進(jìn)一步提高電路性能、降低成本，縮短電路的研制周期，已經(jīng)這些EDA仿真軟件與電磁場(chǎng)的數(shù)值解法密切相關(guān)的，不同的仿真軟件是根據(jù)不同的數(shù)值分析方法來(lái)進(jìn)行仿真的。通常，數(shù)值解法分為顯示和隱示算法，隱示算法(包括所有的頻域方法)隨著問(wèn)題的增加，表現(xiàn)出強(qiáng)烈的非線性。顯示算法(例如 FDTD、FIT方法在處理問(wèn)題時(shí)表現(xiàn)出合理的存儲(chǔ)容量和時(shí)間。電磁仿真的數(shù)值計(jì)算方法在求解電磁場(chǎng)問(wèn)題時(shí)，通常只有一些經(jīng)典問(wèn)題有解析解，解析解對(duì)理解問(wèn)題的物理本質(zhì)具有重要的指導(dǎo)性意義。但是，由于實(shí)際環(huán)境的復(fù)雜性，往往需要通過(guò)數(shù)值分析才能得到具體環(huán)境下的電磁特性。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算電磁學(xué)受到了廣泛的重視。計(jì)算電磁學(xué)自20世紀(jì)60年代興起，發(fā)展至今，擁有眾多的數(shù)值計(jì)算方法。1966年，Yee首次提出了時(shí)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幾個(gè)世紀(jì)前就已產(chǎn)生并得到了應(yīng)用，1969年結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算有限元概念被首次提出以后，有限元法(FEM)便拓展應(yīng)用到電磁學(xué)領(lǐng)域。除了這3種主要的方法外，數(shù)值計(jì)算方法還有邊界元法(BEM)、傳輸線法(TLM)、格林函數(shù)法(矩形腔)、線方法(ML)等。頻域方法有：有限元法、矩量法(MoM)，差分法(FDM)，邊界元法和線方法(ML)等。時(shí)域方法有：時(shí)域有限差分法，傳輸線法，有限積分法(FIT)等。依照解析程度由低到高排列，依次是：時(shí)域有限差分法、傳輸線法、時(shí)域有限積分法(FITD)、有限元法、矩量法、線方法、邊界元法。軟件綜述2.1軟件的計(jì)算方法商用電磁仿真軟件的計(jì)算方法主要有以下幾種：有限元法、矩量法、時(shí)域有限差分法、傳輸線法、格林函數(shù)法、兩種或多種方法的混合應(yīng)用?；诰亓糠ǖ碾姶欧抡孳浖蠪EKO、IE3D、AnsoftDesigner、Sonnet、Ensemble、ADS、AgilentGenesys、MicrowaveOffice、SuperNEC、COMSOL、EMSight模擬器等。矩量法將積分方程化為差分方程，或?qū)⒎e分方程中的積分化為有限求和，從而建立代數(shù)方程組。它的解析方面比較簡(jiǎn)單，且精確、穩(wěn)定，但需要大量的計(jì)算。由于積分方程自動(dòng)滿足輻射邊界條件，因而矩量法尤為適合求解開域問(wèn)題，如散射和輻射問(wèn)題，其優(yōu)越性體現(xiàn)在對(duì)無(wú)界輻射問(wèn)題、細(xì)線和均勻介質(zhì)的處理。矩量法能準(zhǔn)確地計(jì)算出所研究物體的電流分布，因而它可方便地估計(jì)電磁兼容所關(guān)心的噪聲電流和噪聲電壓，在電磁兼容領(lǐng)域更顯其獨(dú)特的優(yōu)越性。矩量法的主要工作是求解代數(shù)方程組，所以在矩量法求解代數(shù)方程組過(guò)程中，矩陣規(guī)模的大小涉及到占用內(nèi)存的多少，在很大程度上影響了計(jì)算的速度。如何盡可能地減少存儲(chǔ)量，則是加速矩量法計(jì)算的關(guān)鍵。在求解電大問(wèn)題時(shí)，矩量法?；旌隙鄬涌焖俣鄻O子算法(MLFMA)、一致性集合繞射理論(UTD)等方法使用?；谟邢拊ǖ碾姶欧抡嬗?jì)算軟件有Ansys、An-softHFSS、AnsoftMaxwell等。有限元法中，一個(gè)物體或系統(tǒng)被分解為由多個(gè)相互聯(lián)結(jié)的、簡(jiǎn)單、獨(dú)立點(diǎn)組成的幾何模型。這些獨(dú)立的點(diǎn)的數(shù)量是有限的，因此被稱為有限元，它是求解偏微分方程的數(shù)值方法。有限元法的特點(diǎn)是：(1)它采用物理上離散與分片多項(xiàng)式插值，因此具有對(duì)材料、邊界、激勵(lì)的廣泛適應(yīng)性。(2)有限元基于變分原理，將求解數(shù)理方程變成代數(shù)方程組的求解，較簡(jiǎn)易。(3)有限元法各環(huán)節(jié)易于標(biāo)準(zhǔn)化，程序通用性強(qiáng)。但是，有限元分析的精確度無(wú)法無(wú)限提高，元的數(shù)目到達(dá)一定值后，繼續(xù)提高元的數(shù)量解的精確度不再提高，而計(jì)算時(shí)間不斷增加。基于時(shí)域有限差分法的電磁仿真計(jì)算軟件有CSTMicrowaveStudio、CSTEMStudio、IMSTEmpire、EMA3D、Fidelity、XFDTD、SEMCAD、CFDTD等。時(shí)域有限差分法是直接求解依賴時(shí)間變量的麥克斯韋旋度方程，利用二階精度的中心差分近似把旋度方程中的微分算符直接轉(zhuǎn)換為差分形式，這樣達(dá)到在一定體積內(nèi)和一段時(shí)間上對(duì)連續(xù)電磁場(chǎng)的數(shù)據(jù)取樣壓縮的時(shí)域方法。電場(chǎng)和磁場(chǎng)分量在空間被交叉放置，這樣保證在介質(zhì)邊界處切向場(chǎng)分量的連續(xù)條件自然得到滿足。時(shí)域有限差分法的優(yōu)點(diǎn)是：(1)直接時(shí)域計(jì)算：一次仿真可以模所有寬頻帶特性。(2)廣泛適用性：適合模擬包含任意復(fù)雜結(jié)構(gòu)、任意介質(zhì)分布的空間電磁環(huán)境。(3)節(jié)約存儲(chǔ)空間和計(jì)算時(shí)間：所需內(nèi)存和仿真時(shí)間都與空間網(wǎng)格數(shù)成正比。FDTD法已應(yīng)用于任何類型的電磁問(wèn)題的求解。其在時(shí)間相關(guān)，寬帶，非線性現(xiàn)象和復(fù)雜非均勻材料的處理上有天然的優(yōu)勢(shì)?；谄渌惴ǖ碾姶欧抡嬗?jì)算軟件有FLO/EMC、XGTD、MWO、EMC2000、WASP-NET、ADF-EMS、MagNet等。除了MOM、FEM和FDTD之外，TLM,GTD,UTD,PEEC,及各種混合方法等數(shù)值方法也都是電磁仿真計(jì)算軟件常用的算法。 TLM，GTD，UTD，PEEC和混合方法等都各具特點(diǎn)，自成系統(tǒng)?；谶@些算法的軟件常常具備研究繞射、金屬曲面邊界分析等獨(dú)特的功能。2.2各種軟件的主要應(yīng)用領(lǐng)域眾多軟件其主要應(yīng)用領(lǐng)域各有不同。有的強(qiáng)調(diào)通用性，有的則注重專用性。AnsoftDesigner、Sonnet、Ensemble、ADS、MicrowaveOffice、CSTMicrowaveStudio、SEMCAD、FLO/EMC、EMSight、MWO、Agi-lentGenesys等軟件主要用于射頻和微波電路、PCB電路板的電磁仿真。IE3D、SuperNEC、IMSTEmpire、Fidelity、XFDTD等主要應(yīng)用于RF印制板電路、RF天線分析。FEKO、EMC2000、XGTD、WASP-NET等主要應(yīng)用于天線設(shè)計(jì)和RCS計(jì)算。AnsoftHFSS、EMA3D、ADF-EMS等主要應(yīng)用于通信、航空航天;CFDTD等專用于解決金屬曲面邊界問(wèn)題。AnsoftMax-well等可用于仿真三維運(yùn)動(dòng)的電磁問(wèn)題。MagNet等應(yīng)用于分析電氣設(shè)備的電磁場(chǎng)特性。MagNet、CSTEMStudio、SEMCAD等用于解決低頻問(wèn)題。COM-SOL、Ansys等則通用于解決包括電磁場(chǎng)、力學(xué)等多物理場(chǎng)耦合的工程問(wèn)題。在仿真速度和計(jì)算精度主要取決于算法，在計(jì)算精度方面，矩量法精度最高，有限元次之，時(shí)域有限差分法最差。但從應(yīng)用于軟件的實(shí)施難易來(lái)講，矩量法實(shí)施最難，有限元次之，時(shí)域有限差分法最易。通用性上，則有限元和時(shí)域有限差分法較通用，矩量法稍差。仿真精確度相對(duì)較高的商用軟件有FEKO、ADS、COMSOL、AnsoftHFSS、Ansys、CSTMicrowaveStudio、COMSOL、IMSTEmpire、EMA3D、XFDTD、SEMCAD、EMC2000、ADF-EMS等。軟件的可操作性取決于與CAD等建模軟件的兼容性、仿真結(jié)果的可視性、仿真結(jié)果的開放性等。操作簡(jiǎn)便、與CAD等建模軟件兼容性較好的有AnsoftDesigner、FEKO、IE3D、ADS、AgilentGenesys、COMSOL、AnsoftHFSS、Ansys、CSTMicrowaveStudi-o、CSTEMStudio、XFDTD、SEMCAD、FLO/EMC、EMSight模擬器、EMC2000、MagNet等。仿真結(jié)果的可視性和開放性方面，一般都做得較好。2.3幾種常用軟件的介紹2.3.1ADS仿真軟件AgilentADS(AdvancedDesignSystem)軟件是在HPEESOF系列EDA軟件基礎(chǔ)上發(fā)展完善起來(lái)的大型綜合設(shè)計(jì)軟件，是美國(guó)安捷倫公司開發(fā)的大型綜合設(shè)計(jì)軟件，是為系統(tǒng)和基于其他算法的電磁仿真計(jì)算軟件有FLO/EMC、XGTD、MWO、EMC2000、WASP-電路工程師提供的可開發(fā)各種形式的射頻設(shè)計(jì)，對(duì)于通信和航天/防御的應(yīng)用，從最簡(jiǎn)單到最復(fù)雜，從離散射頻/微波模塊到集成MMIC。從電路元件的仿真，模式識(shí)別的提取，新的仿真技術(shù)提供了高性能的仿真特性。該軟件可以在微機(jī)上運(yùn)行，其前身是工作站運(yùn)行的版本MDS(MicrowaveDesignSystem)。該軟件還提供了一種新的濾波器的設(shè)計(jì)引導(dǎo)，可以使用智能化的設(shè)計(jì)規(guī)范的用戶界面來(lái)分析和綜合射頻/微波回路集總元濾波器，并可提供對(duì)平面電路進(jìn)行場(chǎng)分析和優(yōu)化功能。它允許工程師定義頻率范圍，材料特性，參數(shù)的數(shù)量和根據(jù)用戶的需要自動(dòng)產(chǎn)生關(guān)鍵的無(wú)源器件模式。該軟件范圍涵蓋了小至元器件，大到系統(tǒng)級(jí)的設(shè)計(jì)和分析。尤其是其強(qiáng)大的仿真設(shè)計(jì)手段可在時(shí)域或頻域內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字或模擬、線性或非線性電路率分析與優(yōu)化，從而大大提高了復(fù)雜電提供面向3D率分析與優(yōu)化，從而大大提高了復(fù)雜電提供面向3D平面高頻電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)以及在EDA工具。SonnetTM應(yīng)用于平面高頻電2.3.2Sonnet仿真軟件Sonnet是一種基于矩量法的電磁仿真軟件，微波、毫米波領(lǐng)域和電磁兼容/電磁干擾設(shè)計(jì)的磁場(chǎng)分析，頻率從1MHz至ij幾千GHz。主要的應(yīng)用有：微帶匹配網(wǎng)絡(luò)、微帶電路、微帶濾波器、帶狀線電路、帶狀線濾波器、過(guò)孔(層的連接或接地)、偶合線分析、PCB板電路分析、PCB板干擾分析、橋式螺線電感器、平面高溫超導(dǎo)電路分析、毫米波集成電路(MMIC)設(shè)計(jì)和分析、混合匹配的電路分析、HDI和LTCC轉(zhuǎn)換、單層或多層傳輸線的精確分析、多層的平面的電路分析、單層或多層的平面天線分析、平面天線陣分析、平面偶合孔的分析等。2.3.3IE3D仿真軟件IE3D是一個(gè)基于矩量法的電磁場(chǎng)仿真工具，可以解決多層介質(zhì)環(huán)境下的三維金屬結(jié)構(gòu)的電流分布問(wèn)題。它利用積分的方式求解Maxwell方程組，從而解決電磁波的效應(yīng)、不連續(xù)性效應(yīng)、耦合效應(yīng)、和輻射效應(yīng)問(wèn)題。仿真結(jié)果包括s、y、z參數(shù)，VWSR,RLC等效電路,電流分布，近場(chǎng)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(MMIC)、RF印制板電路、微帶天線、線電線和其它形式的RF天線、HTS電路及濾波器、IC的內(nèi)部連接和高速數(shù)字電路封裝方面是一個(gè)非常有用的工具。2.3.4MicrowaveOffice仿真軟件“MicrowaveOffice軟”件是通過(guò)兩個(gè)模擬器來(lái)對(duì)微波平面電路進(jìn)行模擬和仿真的。對(duì)于由集總元件構(gòu)成的電路，用電路的方法來(lái)處理較為簡(jiǎn)便。該軟件設(shè)有“VoltaireXL”的模擬器來(lái)處理集總元件構(gòu)成的微波平面電路問(wèn)題。而對(duì)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(chǎng)的方法較為有效，該軟件采用的是”EMSight”的模擬器來(lái)處理任何多層平面結(jié)構(gòu)的三維電磁場(chǎng)的問(wèn)題?！癡oltaireXL?！睌M器內(nèi)設(shè)一個(gè)元件庫(kù)，在建立電路模型時(shí)，可以調(diào)出微波電路所用的元件，其中無(wú)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，非線性器件有雙極晶體管，場(chǎng)效應(yīng)晶體管，二極管等等?！盓MSight模”擬器是一個(gè)三維電磁場(chǎng)模擬程序包，可用于平面高頻電路和天線結(jié)構(gòu)的分析。特點(diǎn)是把修正譜域矩量法與直觀的視窗圖形用戶界面(GUI)技術(shù)結(jié)合起來(lái)，使得計(jì)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制電路(PCB)等電路的電氣特性。MicrowaveOffice2002增加了一些新功能，包括濾波器智能綜合、智能負(fù)載牽引，提高對(duì)存在的回路的電磁仿真，包括振蕩器相位噪聲分析和3D平面電磁仿真引擎，使對(duì)某些復(fù)雜問(wèn)題的仿真更加有效。2.3.5CSTMICROWAVESTUDIO仿真軟件CSTMICROWAVESTUDIO(CSTSD)是為快速、精確仿真電磁場(chǎng)高頻問(wèn)題而專門開發(fā)的EDA工具，是基于PC機(jī)Windows環(huán)境下的仿真軟件。它主要應(yīng)用在復(fù)雜設(shè)計(jì)和更高的諧振結(jié)構(gòu)。CSTDS通過(guò)散射參數(shù)使電磁場(chǎng)元件結(jié)合在一起。把復(fù)雜的系統(tǒng)分離成更小的子單元，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)每一個(gè)單元行為的 S-參數(shù)的描述，可以快速的分析和降低系統(tǒng)所需的內(nèi)存。CSTDS它考慮了在子單元之間高階模式的耦合，結(jié)構(gòu)分成小部分而沒(méi)有影響系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。傳統(tǒng)的電路仿真軟件仿真是快速的，但是，當(dāng)考慮集膚效應(yīng)損耗和材料的復(fù)雜性，結(jié)果的準(zhǔn)確性將受到大幅度的影響。像CSTDS的3D仿真軟件克服了這種限制，可以解決任意幾何形狀的下所建立的麥克斯韋方程，包括復(fù)雜的材料模式。CSTMICROWAVESTUDIO可以應(yīng)用在仿真電磁場(chǎng)領(lǐng)域包括大多數(shù)的高頻電磁場(chǎng)問(wèn)題上。移動(dòng)通信、無(wú)線設(shè)計(jì)、信號(hào)完整性和電磁兼容(EMC)等。具體應(yīng)用范圍包括耦合器、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(lán)牙技術(shù)和電磁兼容 /干擾等。2.3.6FIDELITY仿真軟件FIDELITY是基于非均勻網(wǎng)格的時(shí)域有限差分方法的全三維電磁場(chǎng)仿真器，可以解決具有復(fù)雜填充介質(zhì)求解域的場(chǎng)分布問(wèn)題。仿真結(jié)果包括 S-、Y-、Z-參數(shù)，VSWR，RLC等效電路，近場(chǎng)分布，波印廷矢量和輻射方向圖等。FIDELITY可以分析非絕緣和復(fù)雜介質(zhì)結(jié)構(gòu)的問(wèn)題。它在微波/毫米波集成電路(MMIC)、RF印制板電路、微帶天線、線電線和其它形式的RF天線、HTS電路及濾波器、IC的內(nèi)部連接和高速數(shù)字電路封裝，EMI及EMC方面的應(yīng)用。FIDELITY的特點(diǎn)有：1）可對(duì)真正的三維金屬和非絕緣介質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模；2）高效、高準(zhǔn)確非均勻網(wǎng)格的FDTD仿真引擎；3）能方便地對(duì)分析目標(biāo)排列定位和幾何結(jié)構(gòu)的編輯與檢查；4）可對(duì)非各向同性介質(zhì)填充的同軸波導(dǎo)和矩形波導(dǎo)進(jìn)行建模；5）具有自動(dòng)網(wǎng)格生成功能、網(wǎng)格優(yōu)化功能和對(duì)輸入的幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行單獨(dú)網(wǎng)格生成功能；6）預(yù)定義同軸、微帶、矩形波導(dǎo)和用戶定義端口；7）不同邊界條件的實(shí)現(xiàn)（如PML）；8）集成的預(yù)處理和后處理功能，包括S參數(shù)提取和時(shí)域信號(hào)顯示；9）輻射方向圖的計(jì)算、近場(chǎng)動(dòng)態(tài)顯示功能；10）具有切片顯示功能的三維和二維電場(chǎng)、磁場(chǎng)及坡印廷矢量的顯示；11）一次仿真即可得到寬帶頻譜的功能；12）平面波激勵(lì)和SAR計(jì)算功能。2.3.7IMSTEmpire仿真軟件IMSTEmpire是一種3D電磁場(chǎng)仿真軟件。它是一種基于3D的時(shí)域有限差分的方法，這種方法已經(jīng)變成RF元件設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)。它的應(yīng)用范圍從分析平面結(jié)構(gòu)、互聯(lián)、的多端口集成到微波波導(dǎo)、天線、EMC問(wèn)題。EMPIRE基本覆蓋了RF設(shè)計(jì)3D場(chǎng)仿真的整個(gè)領(lǐng)域。根據(jù)用戶的定義的頻率范圍，一次的仿真的運(yùn)行，就可以得到散射參數(shù)、輻射參數(shù)和輻射場(chǎng)圖。對(duì)于結(jié)構(gòu)的定義，3D編輯器集成到EMPIRE軟件中。AUTOCADTM是一個(gè)流行的機(jī)械畫圖工具，可以在EMPIRE環(huán)境中使用。監(jiān)視窗口和動(dòng)畫可以給出電磁波的現(xiàn)象，并獲得準(zhǔn)確的結(jié)果。2.3.8AnsoftHFSS仿真軟件AnsoftHFSS是世界上第一個(gè)商業(yè)化的三維結(jié)構(gòu)電磁場(chǎng)仿真軟件，可分析仿真任意三維無(wú)源結(jié)構(gòu)的高頻電磁場(chǎng)，可直接得到特征阻抗、傳播常數(shù)、S參數(shù)及電磁場(chǎng)、輻射場(chǎng)、天線方向圖等結(jié)果。該軟件被廣泛應(yīng)用于無(wú)線和有線通信、計(jì)算機(jī)、衛(wèi)星、雷達(dá)、半導(dǎo)體和微波集成電路、航空航天等領(lǐng)域。AnsoftHFSS采用自適應(yīng)網(wǎng)格剖分，ALPS快速掃頻，切向元等專利技術(shù)，集成了工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的建模系統(tǒng)，提供了功能強(qiáng)大、使用靈活的宏語(yǔ)言，直觀的后處理器及獨(dú)有的場(chǎng)計(jì)算器，可計(jì)算分析顯示各種復(fù)雜的電磁場(chǎng)，并利用Optimetrics可對(duì)任意的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化和掃描分析。使用AnsoftHFSS，可以計(jì)算：1）基本電磁場(chǎng)數(shù)值解和開邊界問(wèn)題，近遠(yuǎn)場(chǎng)輻射問(wèn)題。2）端口特征阻抗和傳輸常數(shù)。3）S參數(shù)和相應(yīng)端口阻抗的歸一化S參數(shù)。4）結(jié)構(gòu)的本征模或諧振解。電磁仿真軟件的發(fā)展方向隨著電磁場(chǎng)數(shù)值分析方法發(fā)展的不斷成熟，基于各種算法的商用電磁仿真計(jì)算軟件也日趨完善。電磁仿真計(jì)算軟件的發(fā)展方向主要有以下幾點(diǎn)：計(jì)算電磁學(xué)理論的發(fā)展帶動(dòng)電磁軟件的更新。如何精確快速地計(jì)算電大尺寸復(fù)雜目標(biāo)電磁特性依然有著較大的需求，目前商用軟件，如HFSS、CST、Feko等仍解決不了這個(gè)問(wèn)題，還有很多工作要做。計(jì)算方法的綜合發(fā)展促進(jìn)仿真計(jì)算軟件和計(jì)算電磁學(xué)理論的日益成熟，而將兩種或多種算法混合應(yīng)用也取得較好的功效。如SEMCA