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微波射频仿真软件介绍(包括算法,原理)
一、前言
微波系统的设计越来越复杂,对电路的指标要求越来越高,电路的功能越来越多,电路的尺寸要求越做越小,而设计周期却越来越短。传统的设计方法已经不能满足系统设计的需要,使用微波EDA软件工具进行微波元器件与微波系统的设计已经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软件以及CST,其次是比较小型的有Microwave Office, Ansoft Serenade, Zeland, XFDTD, ,FEKO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。
这些EDA仿真软件与电磁场的数值解法密切相关的,不同的仿真软件是根据不同的数值分析方法来进行仿真的, 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。
电磁学问题的数值求解方法总的可分为时域和频域两大类。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 -- Boundary Element Methed),和传输线法( TLM -- Transmission-Line-matrix Method)。频域技术发展得比较早,也比较成熟。在时域,数值算法有:时域有限差分法( FDTD – Finite Difference Time Domain ),和时域有限积分法( FITD – Finite Integration Time Domain)。时域法的引入是基于计算效率的考虑,某些问题在时域中讨论起来计算量要小。例如求解目标对冲激脉冲的早期响应时,频域法必须在很大的带宽内进行多次采样计算,然后做傅里叶反变换才能求得解答,计算精度受到采样点的影响。若有非线性部分随时间变化,采用时域法更加直接。除此之外外还有一些高频方法作为补充,如GTD,UTD和射线理论。
从求解方程的形式看,可以分为积分方程法(IE)和微分方程法(DE)。IE和DE相比,有如下特点:IE法的求解区域维数比DE法少一维,误差限于求解区域的边界,故精度高;IE法适合求无限域问题,DE法此时会遇到网格截断问题;IE法产生的矩阵是满的,阶数小,DE法所产生的是稀疏矩阵,但阶数大;IE法难以处理非均匀、非线性和时变媒质问题,DE法可直接用于这类问题。
本文根据电磁仿真工具所采用的数值解法进行分类,对常用的微波EDA仿真软件进行论述。
二、基于矩量法MOM仿真的微波EDA仿真软件
矩量法将连续方程离散化为代数方程组,既适用于求解微分方程,又适用于求解积分方程。他的求解过程简单,求解步骤统一,应用起来比较方便。然而需要一定的数学技巧,如离散化的程度、基函数与权函数的选取,矩阵求解过程等。另外必须指出的是