電磁仿真技術報告

電磁仿真技術調研報告引言微波系統(tǒng)的設計越來越復雜，對電路的指標要求越來越高，電路的功能越來越多，電路的尺寸要求越做越小，而設計周期卻越來越短。傳統(tǒng)的設計方法已經(jīng)不能滿足系統(tǒng)設計的需要，使用微波EDA軟件工具進行微波元器件與微波系統(tǒng)的設計已經(jīng)成為微波電路設計的必然趨勢。隨著單片集成電路技術的不斷發(fā)展，GaAs、硅為基礎的微波、毫米波單片集成電路(MIMIC)和超高速單片集成電路(VHSIC)都面臨著一個嶄新的發(fā)展階段，電路的設計與工藝研制日益復雜化，如何進一步提高電路性能、降低成本，縮短電路的研制周期，已經(jīng)這些EDA仿真軟件與電磁場的數(shù)值解法密切相關的，不同的仿真軟件是根據(jù)不同的數(shù)值分析方法來進行仿真的。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)隨著問題的增加，表現(xiàn)出強烈的非線性。顯示算法(例如 FDTD、FIT方法在處理問題時表現(xiàn)出合理的存儲容量和時間。電磁仿真的數(shù)值計算方法在求解電磁場問題時，通常只有一些經(jīng)典問題有解析解，解析解對理解問題的物理本質具有重要的指導性意義。但是，由于實際環(huán)境的復雜性，往往需要通過數(shù)值分析才能得到具體環(huán)境下的電磁特性。隨著計算機技術的發(fā)展，計算電磁學受到了廣泛的重視。計算電磁學自20世紀60年代興起，發(fā)展至今，擁有眾多的數(shù)值計算方法。1966年，Yee首次提出了時域有限差分法(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世紀前就已產(chǎn)生并得到了應用，1969年結構力學計算有限元概念被首次提出以后，有限元法(FEM)便拓展應用到電磁學領域。除了這3種主要的方法外，數(shù)值計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。時域方法有：時域有限差分法，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：時域有限差分法、傳輸線法、時域有限積分法(FITD)、有限元法、矩量法、線方法、邊界元法。軟件綜述2.1軟件的計算方法商用電磁仿真軟件的計算方法主要有以下幾種：有限元法、矩量法、時域有限差分法、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，或將積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單，且精確、穩(wěn)定，但需要大量的計算。由于積分方程自動滿足輻射邊界條件，因而矩量法尤為適合求解開域問題，如散射和輻射問題，其優(yōu)越性體現(xiàn)在對無界輻射問題、細線和均勻介質的處理。矩量法能準確地計算出所研究物體的電流分布，因而它可方便地估計電磁兼容所關心的噪聲電流和噪聲電壓，在電磁兼容領域更顯其獨特的優(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)方程組過程中，矩陣規(guī)模的大小涉及到占用內存的多少，在很大程度上影響了計算的速度。如何盡可能地減少存儲量，則是加速矩量法計算的關鍵。在求解電大問題時，矩量法常混合多層快速多極子算法(MLFMA)、一致性集合繞射理論(UTD)等方法使用?；谟邢拊ǖ碾姶欧抡嬗嬎丬浖蠥nsys、An-softHFSS、AnsoftMaxwell等。有限元法中，一個物體或系統(tǒng)被分解為由多個相互聯(lián)結的、簡單、獨立點組成的幾何模型。這些獨立的點的數(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。有限元法的特點是：(1)它采用物理上離散與分片多項式插值，因此具有對材料、邊界、激勵的廣泛適應性。(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，較簡易。(3)有限元法各環(huán)節(jié)易于標準化，程序通用性強。但是，有限元分析的精確度無法無限提高，元的數(shù)目到達一定值后，繼續(xù)提高元的數(shù)量解的精確度不再提高，而計算時間不斷增加?；跁r域有限差分法的電磁仿真計算軟件有CSTMicrowaveStudio、CSTEMStudio、IMSTEmpire、EMA3D、Fidelity、XFDTD、SEMCAD、CFDTD等。時域有限差分法是直接求解依賴時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換為差分形式，這樣達到在一定體積內和一段時間上對連續(xù)電磁場的數(shù)據(jù)取樣壓縮的時域方法。電場和磁場分量在空間被交叉放置，這樣保證在介質邊界處切向場分量的連續(xù)條件自然得到滿足。時域有限差分法的優(yōu)點是：(1)直接時域計算：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雜結構、任意介質分布的空間電磁環(huán)境。(3)節(jié)約存儲空間和計算時間：所需內存和仿真時間都與空間網(wǎng)格數(shù)成正比。FDTD法已應用于任何類型的電磁問題的求解。其在時間相關，寬帶，非線性現(xiàn)象和復雜非均勻材料的處理上有天然的優(yōu)勢?；谄渌惴ǖ碾姶欧抡嬗嬎丬浖蠪LO/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算軟件常用的算法。 TLM，GTD，UTD，PEEC和混合方法等都各具特點，自成系統(tǒng)。基于這些算法的軟件常常具備研究繞射、金屬曲面邊界分析等獨特的功能。2.2各種軟件的主要應用領域眾多軟件其主要應用領域各有不同。有的強調通用性，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等主要應用于RF印制板電路、RF天線分析。FEKO、EMC2000、XGTD、WASP-NET等主要應用于天線設計和RCS計算。AnsoftHFSS、EMA3D、ADF-EMS等主要應用于通信、航空航天;CFDTD等專用于解決金屬曲面邊界問題。AnsoftMax-well等可用于仿真三維運動的電磁問題。MagNet等應用于分析電氣設備的電磁場特性。MagNet、CSTEMStudio、SEMCAD等用于解決低頻問題。COM-SOL、Ansys等則通用于解決包括電磁場、力學等多物理場耦合的工程問題。在仿真速度和計算精度主要取決于算法，在計算精度方面，矩量法精度最高，有限元次之，時域有限差分法最差。但從應用于軟件的實施難易來講，矩量法實施最難，有限元次之，時域有限差分法最易。通用性上，則有限元和時域有限差分法較通用，矩量法稍差。仿真精確度相對較高的商用軟件有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、仿真結果的可視性、仿真結果的開放性等。操作簡便、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軟件基礎上發(fā)展完善起來的大型綜合設計軟件，是美國安捷倫公司開發(fā)的大型綜合設計軟件，是為系統(tǒng)和基于其他算法的電磁仿真計算軟件有FLO/EMC、XGTD、MWO、EMC2000、WASP-電路工程師提供的可開發(fā)各種形式的射頻設計，對于通信和航天/防御的應用，從最簡單到最復雜，從離散射頻/微波模塊到集成MMIC。從電路元件的仿真，模式識別的提取，新的仿真技術提供了高性能的仿真特性。該軟件可以在微機上運行，其前身是工作站運行的版本MDS(MicrowaveDesignSystem)。該軟件還提供了一種新的濾波器的設計引導，可以使用智能化的設計規(guī)范的用戶界面來分析和綜合射頻/微波回路集總元濾波器，并可提供對平面電路進行場分析和優(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)用戶的需要自動產(chǎn)生關鍵的無源器件模式。該軟件范圍涵蓋了小至元器件，大到系統(tǒng)級的設計和分析。尤其是其強大的仿真設計手段可在時域或頻域內實現(xiàn)對數(shù)字或模擬、線性或非線性電路率分析與優(yōu)化，從而大大提高了復雜電提供面向3D率分析與優(yōu)化，從而大大提高了復雜電提供面向3D平面高頻電路設計系統(tǒng)以及在EDA工具。SonnetTM應用于平面高頻電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、毫米波領域和電磁兼容/電磁干擾設計的磁場分析，頻率從1MHz至ij幾千GHz。主要的應用有：微帶匹配網(wǎng)絡、微帶電路、微帶濾波器、帶狀線電路、帶狀線濾波器、過孔(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、平面高溫超導電路分析、毫米波集成電路(MMIC)設計和分析、混合匹配的電路分析、HDI和LTCC轉換、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是一個基于矩量法的電磁場仿真工具，可以解決多層介質環(huán)境下的三維金屬結構的電流分布問題。它利用積分的方式求解Maxwell方程組，從而解決電磁波的效應、不連續(xù)性效應、耦合效應、和輻射效應問題。仿真結果包括s、y、z參數(shù)，VWSR,RLC等效電路,電流分布，近場分布和輻射方向圖，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的內部連接和高速數(shù)字電路封裝方面是一個非常有用的工具。2.3.4MicrowaveOffice仿真軟件“MicrowaveOffice軟”件是通過兩個模擬器來對微波平面電路進行模擬和仿真的。對于由集總元件構成的電路，用電路的方法來處理較為簡便。該軟件設有“VoltaireXL”的模擬器來處理集總元件構成的微波平面電路問題。而對于由具體的微帶幾何圖形構成的分布參數(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”EMSight”的模擬器來處理任何多層平面結構的三維電磁場的問題?！癡oltaireXL?！睌M器內設一個元件庫，在建立電路模型時，可以調出微波電路所用的元件，其中無源器件有電感、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，場效應晶體管，二極管等等?！盓MSight?！睌M器是一個三維電磁場模擬程序包，可用于平面高頻電路和天線結構的分析。特點是把修正譜域矩量法與直觀的視窗圖形用戶界面(GUI)技術結合起來，使得計算速度加快許多。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、智能負載牽引，提高對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，使對某些復雜問題的仿真更加有效。2.3.5CSTMICROWAVESTUDIO仿真軟件CSTMICROWAVESTUDIO(CSTSD)是為快速、精確仿真電磁場高頻問題而專門開發(fā)的EDA工具，是基于PC機Windows環(huán)境下的仿真軟件。它主要應用在復雜設計和更高的諧振結構。CSTDS通過散射參數(shù)使電磁場元件結合在一起。把復雜的系統(tǒng)分離成更小的子單元，通過對系統(tǒng)每一個單元行為的 S-參數(shù)的描述，可以快速的分析和降低系統(tǒng)所需的內存。CSTDS它考慮了在子單元之間高階模式的耦合，結構分成小部分而沒有影響系統(tǒng)的準確性。傳統(tǒng)的電路仿真軟件仿真是快速的，但是，當考慮集膚效應損耗和材料的復雜性，結果的準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，包括復雜的材料模式。CSTMICROWAVESTUDIO可以應用在仿真電磁場領域包括大多數(shù)的高頻電磁場問題上。移動通信、無線設計、信號完整性和電磁兼容(EMC)等。具體應用范圍包括耦合器、濾波器、平面結構電路、聯(lián)結器、IC封裝、各種類型天線、微波元器件、藍牙技術和電磁兼容 /干擾等。2.3.6FIDELITY仿真軟件FIDELITY是基于非均勻網(wǎng)格的時域有限差分方法的全三維電磁場仿真器，可以解決具有復雜填充介質求解域的場分布問題。仿真結果包括 S-、Y-、Z-參數(shù)，VSWR，RLC等效電路，近場分布，波印廷矢量和輻射方向圖等。FIDELITY可以分析非絕緣和復雜介質結構的問題。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的內部連接和高速數(shù)字電路封裝，EMI及EMC方面的應用。FIDELITY的特點有：1）可對真正的三維金屬和非絕緣介質結構進行建模；2）高效、高準確非均勻網(wǎng)格的FDTD仿真引擎；3）能方便地對分析目標排列定位和幾何結構的編輯與檢查；4）可對非各向同性介質填充的同軸波導和矩形波導進行建模；5）具有自動網(wǎng)格生成功能、網(wǎng)格優(yōu)化功能和對輸入的幾何結構進行單獨網(wǎng)格生成功能；6）預定義同軸、微帶、矩形波導和用戶定義端口；7）不同邊界條件的實現(xiàn)（如PML）；8）集成的預處理和后處理功能，包括S參數(shù)提取和時域信號顯示；9）輻射方向圖的計算、近場動態(tài)顯示功能；10）具有切片顯示功能的三維和二維電場、磁場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）平面波激勵和SAR計算功能。2.3.7IMSTEmpire仿真軟件IMSTEmpire是一種3D電磁場仿真軟件。它是一種基于3D的時域有限差分的方法，這種方法已經(jīng)變成RF元件設計的標準。它的應用范圍從分析平面結構、互聯(lián)、的多端口集成到微波波導、天線、EMC問題。EMPIRE基本覆蓋了RF設計3D場仿真的整個領域。根據(jù)用戶的定義的頻率范圍，一次的仿真的運行，就可以得到散射參數(shù)、輻射參數(shù)和輻射場圖。對于結構的定義，3D編輯器集成到EMPIRE軟件中。AUTOCADTM是一個流行的機械畫圖工具，可以在EMPIRE環(huán)境中使用。監(jiān)視窗口和動畫可以給出電磁波的現(xiàn)象，并獲得準確的結果。2.3.8AnsoftHFSS仿真軟件AnsoftHFSS是世界上第一個商業(yè)化的三維結構電磁場仿真軟件，可分析仿真任意三維無源結構的高頻電磁場，可直接得到特征阻抗、傳播常數(shù)、S參數(shù)及電磁場、輻射場、天線方向圖等結果。該軟件被廣泛應用于無線和有線通信、計算機、衛(wèi)星、雷達、半導體和微波集成電路、航空航天等領域。AnsoftHFSS采用自適應網(wǎng)格剖分，ALPS快速掃頻，切向元等專利技術，集成了工業(yè)標準的建模系統(tǒng)，提供了功能強大、使用靈活的宏語言，直觀的后處理器及獨有的場計算器，可計算分析顯示各種復雜的電磁場，并利用Optimetrics可對任意的參數(shù)進行優(yōu)化和掃描分析。使用AnsoftHFSS，可以計算：1）基本電磁場數(shù)值解和開邊界問題，近遠場輻射問題。2）端口特征阻抗和傳輸常數(shù)。3）S參數(shù)和相應端口阻抗的歸一化S參數(shù)。4）結構的本征模或諧振解。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算軟件也日趨完善。電磁仿真計算軟件的發(fā)展方向主要有以下幾點：計算電磁學理論的發(fā)展帶動電磁軟件的更新。如何精確快速地計算電大尺寸復雜目標電磁特性依然有著較大的需求，目前商用軟件，如HFSS、CST、Feko等仍解決不了這個問題，還有很多工作要做。計算方法的綜合發(fā)展促進仿真計算軟件和計算電磁學理論的日益成熟，而將兩種或多種算法混合應用也取得較好的功效。如SEMCA