微波射频仿真软件综合和应用评析

微波系统的设计越来越复杂,对电路的指标需求越来越高,电路的功能越来越多,电路的尺寸需求越做越小,而设计周期却越来越短。传统的设计方法已不能满足微波电路设计的需要,使用微波EDA 软件工具进行微波元器件和微波系统的设计已成为微波电路设计的必然趋势。

EDA即Electronic Design Automation, 电子设计自动化；目前,国外各种商业化的微波EDA 软件工具不断涌现，微波射频领域主要的EDA 工具首推Agilent 公司的ADS 软件和Ansoft 公司的HFSS、Designer 软件，其次是比较小型的有Microwave Office, Ansoft Serenade, CST, Zeland, XFDTD, Sonnet 等电路设计软件。下面将会将会简要地介绍一下各个微波EDA 软件的功能特点和使用范围，以期大家有个总体的了解。 微波EDA 仿真软件和电磁场的数值算法密切相关，在介绍微波EDA 软件之前先简要的介绍一下微波电磁场理论的数值算法。所有的数值算法都是建立在Maxwell方程组之上的，了解Maxwell方程是学习电磁场数值算法的基础；在频域，数值算法有：有限元法 ( FEM -- Finite Element Method）、矩量法( MoM -- Method of Moments），差分法( FDM -- Finite Difference Methods），边界元法( BEM -- ），和传输线法( TLM -- Transmission-Line-matrix Method），在时域，数值算法有：时域有限差分法( FDTD ? Finite Difference Time Domain ），和有限积分法( FIT ? Finite Integration Technology ）。如果想进一步了解各种数值算法的具体实现，能参阅以下几本书籍：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软件有ADS，Ansoft Designer，Microwave Office, Zeland IE3D，Ansoft Esemble，Super NEC和FEKO；使用有限元法 ( FEM ） 的微波EDA软件有HFSS和ANSYS；使用时域有限差分法( FDTD ） 的微波EDA软件有 EMPIRE和XFDTD，使用有限积分法( FIT ） 的微波EDA软件有CST Microwave Studio和CST Mafia。
下面来介绍较流行几种的微波EDA软件的功能和应用.

HFSS使用心得

    和大部分的大型数值分析软件相似，以有限元方法为基础的Ansoft HFSS 并非是傻瓜软件，对于绝大部分的问题来说，想要得到快速而准确的结果，必须人工作一定的干预。除了必须十分明了模型细节外，建模者本身也最佳具有一定的电磁理论基础。这里假定阅读者使用过HFSS，因此对一些属于基本操作方面的内容并不提及。

1、对称的使用
    对于一个具体的高频电磁场仿真问题，首先应该看看他是否能采用对称面。这里面的约束主要在几何对称和激励对称需求。如果一个问题的激励并不需求是可改动的，比如全部同相馈电的阵列，此时最佳采用对称，甚至能采用2个对称（E 和H 对称），将能大大节约时间和设备资源。

2、面的使用
    在实际问题中，有非常多结构是能使用2 维面来代替的，使用2 维面的好处是能极大的减少计算量并且结果和使用3 维实体相差无几。例如计算一个微带的分支线耦合器，印制板的微带及地都能指定某些面为最佳电面代替，这样能非常快的获得所需要的物理尺寸及其性能。再以计算偶极子为例，如果偶极子是以最佳导体为材质的圆柱，那么相同的其他条件下其计算时间大约是采用等效面为偶极子的4～5 倍，由此可见一般。

3、Lump Port（集中端口）的使用
    在HFSS8 里提供了一种新的激励：Lump Port，这种激励避免了建立一个同轴或波导激励，从而在一定程度上减轻了模型量，也减少了计算时间。LumpPort 也能使用一个面来代表，要注意的是对该Port 的校准线和阻抗线的设置一定要准确，端口在空间上一定要和其他金属（或电面）相接，否则结果极易出错。

4、关于辐射边界的问题
    在不必求解近（远）场问题时，比如密封在金属箱体里面的滤波器等密闭问题，无需设置辐射边界。在需需求解场分布或方向图时，必须设置辐射边界。这里有些需要注意的问题：在计算大带宽周期性结构时，比如3 个倍频程，最佳分段计算，例如以一个倍频程为一段，也就是说在不同的频段计算时设置不同大小的辐射边界，否则在计算的频率边缘难以确保计算精度；其次，辐射边界的大小和问题的具体形状密切相关，如果物体的外部轮廓能装在一个球或并不过分的椭球中时，宜采用立方体边界??简单有效，如果问题的外部轮廓较为复杂或椭球2 轴差距太大，以采用相似形边界或圆柱边界，对于辐射问题，如果估计问题的增益较低（比如2dB），那么边界宜采用球形，此时为了得到结果准确也只好牺牲时间了；另在HFSS 8 中提供了一种新的吸收边界??PML 边界条件，对于这种边界，笔者并不是非常满意，尽管其有效距离为八分之一个中心波长??是老边界的一半，能减少计算量，然而这种边界由程式自己生成，为一个立方体的复杂结构，对于一些特别的复杂问题，这种边界内部有非常多的空间是无用的，此时还不如使用老边界灵活。

5、关于开孔
    有些问题需要在壁上开孔，此时能采用2 种办法，其一是老老实实的在模型上挖空；其二是采用H/Natrue 边界条件，通常，如果是在面上开孔，将会采用后者，简单，便于修改。

6、关于网格划分
    当模型建立好了之后，进入计算模块，第一步是给问题划分网格。对于一般问题，让软件自动划分比较省心，但对大型问题和复杂问题，让软件自己划分可能需要非常好的耐性来等待。根据实际经验，在大型模型的结构密集区域或场敏感区域使用人工划分能得到非常好的效果，有些问题的计算结果开始表现为收敛，但进一步提高精度，却又反弹，问题就在于开始时场敏感区域的网格划分不够仔细，导致计算结果的偏差。

7、关于所需要的精度
    计算问题时，一般需要给定一个收敛精度和计算次数以避免程式“陷入计算而无法自拔”，当对模型熟悉后，能单单靠给定次数。在问题之初，建议的计算精度不要太高，实际中曾见到有操作者将问题的S 参数精度设定为0.00001，其实这是完全没有必要的，一般S 参数的精度设定为0.02 左右就已能满足绝大部分问题的需要（此时应该注意有无收敛反弹的情况）。如果是计算次数，对于密闭问题，建议是设定为8～12 次，对于辐射问题，一般计算6～8 次左右即可观察结果，如果不够再决定是否继续计算。

8、关于扫描
    HFSS 提供一个扫描功能，分3 种方式：快速、离散和插值。其中离散扫描只保留最后一个频点的场结果，其计算时间是单个频点计算时间之和；对快速扫描，将能得到所计算的频率范围内的所有频率场结果，不过其计算速度和频点多少关系不大，基本和模型复杂程度正比，有时扫描计算的时间非常长，如果不是特别需要关心所有的场情况，建议选用离散扫描，对于特别巨大的问题，则是以快速扫描为宜。而插值方式比较少用。

9、关于问题的规模
    HFSS 所能计算的问题规模和计算机硬件关系非常大，其次是所使用的操作系统。在HFSS8 里，问题描述矩阵的阶基本和网格数正比，对于四面体上10 万的问题也能游刃有余（只要机器够好），然而这并非是指实际问题的电尺寸，实际上，要精确计算一个计算机网络电缆接头（RJ45）所需要的时间和资源并不比计算一个有一个波长电尺寸的一般辐射问题少多少，所以实际上其计算规模的主要约束是问题的复杂程度，而复杂程度里面包含了电尺寸、结构复杂度等要素。由此提醒我们建模时应该尽量简化模型。一般来说，除了在激励区，当结构电尺寸比二十分之一波长还小时，能忽略他的存在而不会引入明显的误差，这一点在解决问题之初非常有效，能迅速发现问题的关键；当问题的主要需求满足
后，再将模型细化以获得更加精确的结果。

    以上就HFSS 使用的各个方面总结了一些心得，以供大家参考，如有不当之处，请 交流指正，先谢过！