微波系統(tǒng)的設(shè)計越來越復(fù)雜,對電路的指標(biāo)需求越來越高,電路的功能越來越多,電路的尺寸需求越做越小,而設(shè)計周期卻越來越短。傳統(tǒng)的設(shè)計方法已不能滿足微波電路設(shè)計的需要,使用微波EDA 軟件工具進(jìn)行微波元器件和微波系統(tǒng)的設(shè)計已成為微波電路設(shè)計的必然趨勢。

EDA即Electronic Design Automation, 電子設(shè)計自動化；目前,國外各種商業(yè)化的微波EDA 軟件工具不斷涌現(xiàn)，微波射頻領(lǐng)域主要的EDA 工具首推Agilent 公司的ADS 軟件和Ansoft 公司的HFSS、Designer 軟件，其次是比較小型的有Microwave Office, Ansoft Serenade, CST, Zeland, XFDTD, Sonnet 等電路設(shè)計軟件。下面將會將會簡要地介紹一下各個微波EDA 軟件的功能特點和使用范圍，以期大家有個總體的了解。 微波EDA 仿真軟件和電磁場的數(shù)值算法密切相關(guān)，在介紹微波EDA 軟件之前先簡要的介紹一下微波電磁場理論的數(shù)值算法。所有的數(shù)值算法都是建立在Maxwell方程組之上的，了解Maxwell方程是學(xué)習(xí)電磁場數(shù)值算法的基礎(chǔ)；在頻域，數(shù)值算法有：有限元法 ( FEM -- Finite Element Method）、矩量法( MoM -- Method of Moments），差分法( FDM -- Finite Difference Methods），邊界元法( BEM -- ），和傳輸線法( TLM -- Transmission-Line-matrix Method），在時域，數(shù)值算法有：時域有限差分法( FDTD ? Finite Difference Time Domain ），和有限積分法( FIT ? Finite Integration Technology ）。如果想進(jìn)一步了解各種數(shù)值算法的具體實現(xiàn)，能參閱以下幾本書籍：① Microwave Circuit Modeling Using Electromagnetic Field Simulation, ② Numerical Techniques in Electromagnetics, ③ Electromagmetic Simunation Using the FDTD Method，④ Complex eletromagnetic problems and numerical Simulation Approaches。

其中，使用矩量法( MoM ） 的微波EDA軟件有ADS，Ansoft Designer，Microwave Office, Zeland IE3D，Ansoft Esemble，Super NEC和FEKO；使用有限元法 ( FEM ） 的微波EDA軟件有HFSS和ANSYS；使用時域有限差分法( FDTD ） 的微波EDA軟件有 EMPIRE和XFDTD，使用有限積分法( FIT ） 的微波EDA軟件有CST Microwave Studio和CST Mafia。
下面來介紹較流行幾種的微波EDA軟件的功能和應(yīng)用.

HFSS使用心得

    和大部分的大型數(shù)值分析軟件相似，以有限元方法為基礎(chǔ)的Ansoft HFSS 并非是傻瓜軟件，對于絕大部分的問題來說，想要得到快速而準(zhǔn)確的結(jié)果，必須人工作一定的干預(yù)。除了必須十分明了模型細(xì)節(jié)外，建模者本身也最佳具有一定的電磁理論基礎(chǔ)。這里假定閱讀者使用過HFSS，因此對一些屬于基本操作方面的內(nèi)容并不提及。

1、對稱的使用
    對于一個具體的高頻電磁場仿真問題，首先應(yīng)該看看他是否能采用對稱面。這里面的約束主要在幾何對稱和激勵對稱需求。如果一個問題的激勵并不需求是可改動的，比如全部同相饋電的陣列，此時最佳采用對稱，甚至能采用2個對稱（E 和H 對稱），將能大大節(jié)約時間和設(shè)備資源。

2、面的使用
    在實際問題中，有非常多結(jié)構(gòu)是能使用2 維面來代替的，使用2 維面的好處是能極大的減少計算量并且結(jié)果和使用3 維實體相差無幾。例如計算一個微帶的分支線耦合器，印制板的微帶及地都能指定某些面為最佳電面代替，這樣能非常快的獲得所需要的物理尺寸及其性能。再以計算偶極子為例，如果偶極子是以最佳導(dǎo)體為材質(zhì)的圓柱，那么相同的其他條件下其計算時間大約是采用等效面為偶極子的4～5 倍，由此可見一般。

3、Lump Port（集中端口）的使用
    在HFSS8 里提供了一種新的激勵：Lump Port，這種激勵避免了建立一個同軸或波導(dǎo)激勵，從而在一定程度上減輕了模型量，也減少了計算時間。LumpPort 也能使用一個面來代表，要注意的是對該P(yáng)ort 的校準(zhǔn)線和阻抗線的設(shè)置一定要準(zhǔn)確，端口在空間上一定要和其他金屬（或電面）相接，否則結(jié)果極易出錯。

4、關(guān)于輻射邊界的問題
    在不必求解近（遠(yuǎn)）場問題時，比如密封在金屬箱體里面的濾波器等密閉問題，無需設(shè)置輻射邊界。在需需求解場分布或方向圖時，必須設(shè)置輻射邊界。這里有些需要注意的問題：在計算大帶寬周期性結(jié)構(gòu)時，比如3 個倍頻程，最佳分段計算，例如以一個倍頻程為一段，也就是說在不同的頻段計算時設(shè)置不同大小的輻射邊界，否則在計算的頻率邊緣難以確保計算精度；其次，輻射邊界的大小和問題的具體形狀密切相關(guān)，如果物體的外部輪廓能裝在一個球或并不過分的橢球中時，宜采用立方體邊界??簡單有效，如果問題的外部輪廓較為復(fù)雜或橢球2 軸差距太大，以采用相似形邊界或圓柱邊界，對于輻射問題，如果估計問題的增益較低（比如2dB），那么邊界宜采用球形，此時為了得到結(jié)果準(zhǔn)確也只好犧牲時間了；另在HFSS 8 中提供了一種新的吸收邊界??PML 邊界條件，對于這種邊界，筆者并不是非常滿意，盡管其有效距離為八分之一個中心波長??是老邊界的一半，能減少計算量，然而這種邊界由程式自己生成，為一個立方體的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，對于一些特別的復(fù)雜問題，這種邊界內(nèi)部有非常多的空間是無用的，此時還不如使用老邊界靈活。

5、關(guān)于開孔
    有些問題需要在壁上開孔，此時能采用2 種辦法，其一是老老實實的在模型上挖空；其二是采用H/Natrue 邊界條件，通常，如果是在面上開孔，將會采用后者，簡單，便于修改。

6、關(guān)于網(wǎng)格劃分
    當(dāng)模型建立好了之后，進(jìn)入計算模塊，第一步是給問題劃分網(wǎng)格。對于一般問題，讓軟件自動劃分比較省心，但對大型問題和復(fù)雜問題，讓軟件自己劃分可能需要非常好的耐性來等待。根據(jù)實際經(jīng)驗，在大型模型的結(jié)構(gòu)密集區(qū)域或場敏感區(qū)域使用人工劃分能得到非常好的效果，有些問題的計算結(jié)果開始表現(xiàn)為收斂，但進(jìn)一步提高精度，卻又反彈，問題就在于開始時場敏感區(qū)域的網(wǎng)格劃分不夠仔細(xì)，導(dǎo)致計算結(jié)果的偏差。

7、關(guān)于所需要的精度
    計算問題時，一般需要給定一個收斂精度和計算次數(shù)以避免程式“陷入計算而無法自拔”，當(dāng)對模型熟悉后，能單單靠給定次數(shù)。在問題之初，建議的計算精度不要太高，實際中曾見到有操作者將問題的S 參數(shù)精度設(shè)定為0.00001，其實這是完全沒有必要的，一般S 參數(shù)的精度設(shè)定為0.02 左右就已能滿足絕大部分問題的需要（此時應(yīng)該注意有無收斂反彈的情況）。如果是計算次數(shù)，對于密閉問題，建議是設(shè)定為8～12 次，對于輻射問題，一般計算6～8 次左右即可觀察結(jié)果，如果不夠再決定是否繼續(xù)計算。

8、關(guān)于掃描
    HFSS 提供一個掃描功能，分3 種方式：快速、離散和插值。其中離散掃描只保留最后一個頻點的場結(jié)果，其計算時間是單個頻點計算時間之和；對快速掃描，將能得到所計算的頻率范圍內(nèi)的所有頻率場結(jié)果，不過其計算速度和頻點多少關(guān)系不大，基本和模型復(fù)雜程度正比，有時掃描計算的時間非常長，如果不是特別需要關(guān)心所有的場情況，建議選用離散掃描，對于特別巨大的問題，則是以快速掃描為宜。而插值方式比較少用。

9、關(guān)于問題的規(guī)模
    HFSS 所能計算的問題規(guī)模和計算機(jī)硬件關(guān)系非常大，其次是所使用的操作系統(tǒng)。在HFSS8 里，問題描述矩陣的階基本和網(wǎng)格數(shù)正比，對于四面體上10 萬的問題也能游刃有余（只要機(jī)器夠好），然而這并非是指實際問題的電尺寸，實際上，要精確計算一個計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)電纜接頭（RJ45）所需要的時間和資源并不比計算一個有一個波長電尺寸的一般輻射問題少多少，所以實際上其計算規(guī)模的主要約束是問題的復(fù)雜程度，而復(fù)雜程度里面包含了電尺寸、結(jié)構(gòu)復(fù)雜度等要素。由此提醒我們建模時應(yīng)該盡量簡化模型。一般來說，除了在激勵區(qū)，當(dāng)結(jié)構(gòu)電尺寸比二十分之一波長還小時，能忽略他的存在而不會引入明顯的誤差，這一點在解決問題之初非常有效，能迅速發(fā)現(xiàn)問題的關(guān)鍵；當(dāng)問題的主要需求滿足
后，再將模型細(xì)化以獲得更加精確的結(jié)果。

    以上就HFSS 使用的各個方面總結(jié)了一些心得，以供大家參考，如有不當(dāng)之處，請 交流指正，先謝過！

微波射頻仿真軟件綜述和應(yīng)用評析

ADS2004A  ADS2003C  HFSS9.2  Ansoft Designer Zeland IE3D9.2  XFDTD6.0  Serenade  CST

        微波系統(tǒng)的設(shè)計越來越復(fù)雜,對電路的指標(biāo)需求越來越高,電路的功能越來越多,電路的尺寸需求越做越小,而設(shè)計周期卻越來越短。傳統(tǒng)的設(shè)計方法已不能滿足微波電路設(shè)計的需要,使用微波EDA 軟件工具進(jìn)行微波元器件和微波系統(tǒng)的設(shè)計已成為微波電路設(shè)計的必然趨勢。EDA即Electronic Design Automation, 電子設(shè)計自動化；目前,國外各種商業(yè)化的微波EDA 軟件工具不斷涌現(xiàn)，微波射頻領(lǐng)域主要的EDA 工具首推Agilent 公司的ADS 軟件和Ansoft 公司的HFSS、Designer 軟件，其次是比較小型的有Microwave Office, Ansoft Serenade, CST, Zeland, XFDTD, Sonnet 等電路設(shè)計軟件。下面將會將會簡要地介紹一下各個微波EDA 軟件的功能特點和使用范圍，以期大家有個總體的了解。

        微波EDA 仿真軟件和電磁場的數(shù)值算法密切相關(guān)，在介紹微波EDA 軟件之前先簡要的介紹一下微波電磁場理論的數(shù)值算法。所有的數(shù)值算法都是建立在Maxwell方程組之上的，了解Maxwell方程是學(xué)習(xí)電磁場數(shù)值算法的基礎(chǔ)；在頻域，數(shù)值算法有：有限元法 ( FEM -- Finite Element Method）、矩量法( MoM -- Method of Moments），差分法( FDM -- Finite Difference Methods），邊界元法( BEM -- ），和傳輸線法( TLM -- Transmission-Line-matrix Method），在時域，數(shù)值算法有：時域有限差分法( FDTD ? Finite Difference Time Domain ），和有限積分法( FIT ? Finite Integration Technology ）。如果想進(jìn)一步了解各種數(shù)值算法的具體實現(xiàn)，能參閱以下幾本書籍：① Microwave Circuit Modeling Using Electromagnetic Field Simulation, ② Numerical Techniques in Electromagnetics, ③ Electromagmetic Simunation Using the FDTD Method，④ Complex eletromagnetic problems and numerical Simulation Approaches。

        其中，使用矩量法( MoM ） 的微波EDA軟件有ADS，Ansoft Designer，Microwave Office, Zeland IE3D，Ansoft Esemble，Super NEC和FEKO；使用有限元法 ( FEM ） 的微波EDA軟件有HFSS和ANSYS；使用時域有限差分法( FDTD ） 的微波EDA軟件有 EMPIRE和XFDTD，使用有限積分法( FIT ） 的微波EDA軟件有CST Microwave Studio和CST Mafia。
   
        下面來介紹較流行幾種的微波EDA軟件的功能和應(yīng)用。
        ADS ? Advanced Design System，是Agilent公司推出的微波電路和通信系統(tǒng)仿真軟件，是國內(nèi)各大學(xué)和研究所使用最多的軟件之一。其功能非常強(qiáng)大，仿真手段豐富多樣，可實現(xiàn)包括時域和頻域、數(shù)字和模擬、線性和非線性、噪聲等多種仿真分析手段，并可對設(shè)計結(jié)果進(jìn)行成品率分析和優(yōu)化，從而大大提高了復(fù)雜電路的設(shè)計效率，是非常優(yōu)秀的微波電路、系統(tǒng)信號鏈路的設(shè)計工具。主要應(yīng)用于：射頻和微波電路的設(shè)計，通信系統(tǒng)的設(shè)計，DSP設(shè)計和向量仿真。目前最新的版本是ADS2004A。

        Ansoft Designer，是Ansoft公司推出的微波電路和通信系統(tǒng)仿真軟件；他采用了最新的視窗技術(shù)，是第一個將高頻電路系統(tǒng),版圖和電磁場仿真工具無縫地集成到同一個環(huán)境的設(shè)計工具，這種集成不是簡單和界面集成,其關(guān)鍵是Ansoft Designer獨有的"按需求解"的技術(shù),他使你能夠根據(jù)需要選擇求解器,從而實現(xiàn)對設(shè)計過程的完全控制。Ansoft Designer實現(xiàn)了“所見即所得”的自動化版圖功能，版圖和原理圖自動同步，大大提高了版圖設(shè)計效率。同時,Ansoft還能方便地和其他設(shè)計軟件集成到一起，并能和測試儀器連接，完成各種設(shè)計任務(wù)，如頻率合成器，鎖相環(huán)，通信系統(tǒng)，雷達(dá)系統(tǒng)及放大器，混頻器，濾波器，移相器，功率分配器，合成器和微帶天線等。主要應(yīng)用于：射頻和微波電路的設(shè)計，通信系統(tǒng)的設(shè)計，電路板和模塊設(shè)計，部件設(shè)計。目前最新的版本是Ansoft Designer 2.1。
 
        Ansoft HFSS，是Ansoft公司推出的三維電磁仿真軟件；是世界上第一個商業(yè)化的三維結(jié)構(gòu)電磁場仿真軟件，業(yè)界公認(rèn)的三維電磁場設(shè)計和分析的電子設(shè)計工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。HFSS提供了一簡潔直觀的用戶設(shè)計界面、精確自適應(yīng)的場解器、擁有空前電性能分析能力的功能強(qiáng)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。HFSS軟件擁有強(qiáng)大的天線設(shè)計功能，他能計算天線參量，如增益、方向性、遠(yuǎn)場方向圖剖面、遠(yuǎn)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。使用HFSS，能計算：① 基本電磁場數(shù)值解和開邊界問題，近遠(yuǎn)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(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。而且，由Ansoft HFSS和Ansoft Designer構(gòu)成的Ansoft高頻解決方案，是目前唯一以物理原型為基礎(chǔ)的高頻設(shè)計解決方案，提供了從系統(tǒng)到電路直至部件級的快速而精確的設(shè)計手段，覆蓋了高頻設(shè)計的所有環(huán)節(jié)。目前最新的版本是Ansoft HFSS 9.2。

        Microwave Office，是AWR公司推出的微波EDA軟件，為微波平面電路設(shè)計提供了最完整, 最快速和最精確的解答。他是通過兩個模擬器來對微波平面電路進(jìn)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(shè)有"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像構(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"EMSight"的模擬器來處理所有多層平面結(jié)構(gòu)的三維電磁場的問題。"VoltaireXL" 模擬器內(nèi)設(shè)一個元件庫，在建立電路模型時，能調(diào)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(yīng)晶體管，二極管等等。"EMSight"模擬器是個三維電磁場模擬程式包，可用于平面高頻電路和天線結(jié)構(gòu)的分析。特點是把修正譜域矩量法和直觀的視窗圖像用戶界面(GUI）技術(shù)結(jié)合起來，使得計算速度加快許多。MWO能分析射頻集成電路 (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。

        XFDTD，是Remcom公司推出的基于時域有限差分法(FDTD）的三維全波電磁場仿真軟件。XFDTD用戶界面友好、計算準(zhǔn)確；但XFDTD本身沒有優(yōu)化功能，須通過第三方軟件Engineous完成優(yōu)化。該軟件最早用于仿真蜂窩電話，長于手機(jī)天線和SAR計算。目前廣泛用于無線、微波電路、雷達(dá)散射計算，化學(xué)、光學(xué)、陸基警戒雷達(dá)和生物組織仿真。軟件最新版本為 XFDTD 6.0

        Zeland IE3D，IE3D是個基于矩量法的電磁場仿真工具，能解決多層介質(zhì)環(huán)境下的三維金屬結(jié)構(gòu)的電流分布問題。IE3D可分為MGRID、MODUA和PATTERNVIEW三部分；MGRID為IE3D的前處理套件，功能有建立電路結(jié)構(gòu)、設(shè)定基板和金屬材料的參數(shù)和設(shè)定模擬仿真參數(shù)；MOODUA是IE3D的核心執(zhí)行套件，可執(zhí)行電磁場的模擬仿真計算、性能參數(shù)（Smith園圖，S參數(shù)等）計算和執(zhí)行參數(shù)優(yōu)化計算；PATTERNVIEW是IE3D的后處理套件，能將仿真計算結(jié)果，電磁場的分布以等高線或向量場的形式顯示出來。IE3D仿真結(jié)果包括S、Y、Z參數(shù)，VWSR，RLC等效電路，電流分布，近場分布和輻射方向圖，方向性，效率和RCS等；應(yīng)用范圍主要是在微波射頻電路、多層印刷電路板、平面微帶天線設(shè)計的分析和設(shè)計。軟件最新版本為Zeland IE3D10.0。

        CST MICROWAVE STUDIO，是德國CST（Computer Simulation Technology）公司推出的高頻三維電磁場仿真軟件。廣泛應(yīng)用于移動通信、無線通信（藍(lán)牙系統(tǒng)）、信號集成和電磁兼容等領(lǐng)域。微波工作室使用簡潔，能為用戶的高頻設(shè)計提供直觀的電磁特性。微波工作室除了主要的時域求解器模塊外，還為某些特別應(yīng)用提供本征模及頻域求解器模塊。CAD文件的導(dǎo)入功能及SPICE參量的提取增強(qiáng)了設(shè)計的可能性并縮短了設(shè)計時間。另外，由于CST設(shè)計工作室的開放性體系結(jié)構(gòu)能為其他仿真軟件提供鏈接，使微波工作室和其他設(shè)計環(huán)境相集成。

        Sonnet，是一種基于矩量法的電磁仿真軟件，提供面向3D平面高頻電路設(shè)計系統(tǒng)及在微波、毫米波領(lǐng)域和電磁兼容/電磁干擾設(shè)計的EDA工具。SonnetTM應(yīng)用于平面高頻電磁場分析，頻率從1MHz 到幾千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。

        其他的微波射頻相關(guān)的EDA軟件更有Ansoft公司的Serenade 8.71、Esemble 8.0、SIwave 2.0、Ansoft Links 3.0、Optimatrics，CST公司的CST Mafia 4.1、CST Design Studio、CST EM Studio 2.0，Zeland公司的Fidelity，Ansys公司的Ansys、FEKO，Eagleware-Elanix公司的Eagleware Genesys，和Super NEC等。這里限于時間篇幅就不一一介紹了。