01電磁仿真軟件

對于大多數射頻工程師來說，無論是有源電路設計，還是無源器件設計，他們幾乎一半的工作時間都在做仿真，而另一半是在調試和測試。

在日常設計中，射頻工程師會用到各種各樣的仿真軟件，比如射頻電路級的仿真會用到ADS、AWR等，3D電磁仿真軟件CST、Ansoft等。然而，無論是哪一種仿真軟件，都提供了豐富的設計助手。我們只需不停的仿真優化，就可以得到漂亮的設計結果。

但是，這些軟件是怎么工作的，可能很少有人去關注。下面盤點了10款常用的仿真軟件，希望能對大家有所幫助。

1、Ansys HFSS

這是一款適用于RF和無線設計的3D電磁場模擬器，Ansys HFSS是一款3D電磁 (EM)仿真軟件，可用于設計天線、天線陣列、RF或微波組件、高速互連裝置、過濾器、連接器、IC封裝和印刷電路板等高頻電子產品，并對此類產品進行仿真。

全球工程師大多都使用Ansys HFSS設計通信系統、雷達系統、高級駕駛輔助系統 (ADAS)、衛星、物聯網(IoT)產品及其他高速RF和數字設備中使用的高頻、高速電子產品。

2、CST

CST，三維電磁場仿真軟件。CST工作室套裝是面向3D電磁、電路、溫度和結構應力設計工程師的一款全面、精確、集成度極高的專業仿真軟件包，包含八個工作室子軟件，集成在同一用戶界面內，為用戶提供完整的系統級和部件級的數值仿真優化。

CST軟件覆蓋整個電磁頻段，提供完備的時域和頻域全波電磁算法和高頻算法。典型應用包含電磁兼容、天線/RCS、高速互連SI/EMI/PI/眼圖、手機、核磁共振、電真空管、粒子加速器、高功率微波、非線性光學、電氣、場路、電磁-溫度及溫度-形變等各類協同仿真。

2016年，被法國達索公司收購。

3、ADS

Advanced Design System，是Agilent公司推出的微波電路和通信系統仿真軟件，是國內各大學和研究所使用最多的軟件之一。

ADS功能非常強大，仿真手段豐富多樣，可實現包括時域和頻域、數字與模擬、線性與非線性、噪聲等多種仿真分析手段，并可對設計結果進行成品率分析與優化，從而大大提高了復雜電路的設計效率，是非常優秀的微波電路、系統信號鏈路的設計工具。

ADS主要應用于射頻和微波電路的設計、通信系統的設計，以及DSP設計和向量仿真。

4、AWR

這是AWR公司推出的微波EDA軟件，為微波平面電路設計提供了最完整、最快速和最精確的解答，它是通過兩個仿真器來對微波平面電路進行模擬和仿真的。

對于由集總組件構成的電路，用電路的方法來處理較為簡便;該軟件設 有“VoltaireXL”的仿真器來處理集總組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”的仿真器來處理任何多層平面結構的三維電磁場的問題。

“VoltaireXL”仿真器內設一個組件庫，在建立電路模型時，可以調出微波電路所用的組件。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;非線性器件有雙極晶體管、 場效應晶體管、二極管等。

“EMSight”仿真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，其特點是把修正譜域矩量法與直觀的窗口圖形用戶接口(GUI)技術結合起來，使得計算速度加快許多。MWO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。

現在，這款仿真軟件屬于Cadance。

5、Ansys Designer

這是Ansys公司推出的微波電路和通信系統仿真軟件，它采用了最新的窗口技術，是第一個將高頻電路系統、版圖和電磁場仿真工具無縫地集成到同一個環境的設計工具。

值得注意的是，這種集成不是簡單和接口集成，其關鍵是Ansys Designer獨有的“按需求解”的技術，它使你能夠根據需要選擇求解器，從而實現對設計過程的完全控制。

Ansys Designer實現了“所見即所得”的自動化版圖功能、版圖與原理圖自動同步，大大提高了版圖設計效率。同時，Ansys還能方便地與其它設計軟件集成到一起，并可以和測試儀器連接，完成各種設計任務，比如頻率合成器、鎖相環、通信系統、雷達系統，以及放大器、混頻器、濾波器、移相器、功率分配器、合成器和微帶天線等。

Ansys Designer主要應用于射頻和微波電路的設計、通信系統的設計、電路板和模塊設計、部件設計。

6、XFDTD

這是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用戶接口友好、計算準確，但XFDTD本身沒有優化功能，必須通過第三方軟件Engineous完成優化。

該軟件最早用于仿真蜂窩電話、長于手機天線和SAR計算;現在廣泛用于無線、微波電路、雷達散射計算、化學、光學、陸基警戒雷達和生物組織仿真。

7、Zeland IE3D

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境下的三維金屬結構的電流分布問題。

IE3D可分為MGRID、MODUA、PATTERNVIEW三個部分。其中，MGRID為IE3D的前處理套件，功能有建立電路結構、設定基板與金屬材料的參數和設定模擬仿真參數;MODUA是IE3D的核心執行套件，可執行電磁場的模擬仿真計算、性能參數(Smith園圖、S參數等)計算和執行參數優化計算;PATTERNVIEW是IE3D的后處理套件，可將仿真計算結果，電磁場的分布以等高線或向量場的形式顯示出來。

IE3D仿真結果包括S、Y、Z參數和VWSR、RLC等效電路，以及電流分布、近場分布和輻射方向圖、方向性、效率和RCS等;應用范圍主要是在微波射頻電路、多層印刷電路板、平面微帶天線設計的分析與設計。

8、Sonnet

Sonnet軟件在1983年被研究開發以來，并獲得了商業上的良好聲譽，目前已成為世界上最準確的單層、多層平面電路和天線設計的商業軟件;由Rautio博士創立的Sonnet軟件公司一直致力于專業開發和升級Sonnet軟件。

Sonnet針對當前三維平面電路和天線的設計挑戰，尤其是微波、毫米波領域高精度和高可靠性的需求，提供了工業上最精確和可靠的三維平面分析工具。通過提供開放的接口和專業的技術支持服務，幫助客戶建立完整的設計流程，設計世界一流的產品。

Sonnet廣泛應用于解決MMIC、RFIC、CPW、超導濾波器、LTCC、PCB的電磁兼容和信號完整性、元器件設計、平面天線等領域。

9、FEKO

FEKO是德語Feldberechnung bei Korpern mit beliebiger Oberflache(任意復雜電磁場計算)首字母的縮寫。

FEKO軟件是EMSS公司旗下的一款強大的三維全波電磁仿真軟件，是世界上第一個把矩量法(MoM)推向市場的商業軟件，該方法使得精確分析電大問題成為可能。

FEKO支持有限元方法(FEM)，并將MLFMM與FEM混合求解，MLFMM+FEM混合算法可求解含高度非均勻介質電大尺寸問題。

10、EMPro

Electromagnetic Professional(EMPro)是Keysight EEsof EDA的軟件設計平臺，主要用于分析元器件的三維電磁場(EM)效應，比如高速和射頻IC封裝、封裝接線、天線、芯片上和芯片外嵌入式無源元件，以及PCB互連設備。

EMPro具有現代領先的設計、仿真和分析環境，以及大容量仿真技術，并綜合了業界領先的射頻和微波電路設計環境——先進設計系統(ADS)，可用于快速高效地進行射頻和微波電路設計。

以上介紹的10款電磁仿真軟件，大家用過幾種?哪些最好用?歡迎留言討論!

02電磁仿真算法

其實，這些電磁仿真軟件無外乎就是求解設計體和空間的電磁場。這個電磁場的解就是我們要設計的結構。我們都知道，麥克斯韋方程組確定了電磁波的幾乎所有，我們在結構內求解電磁場就可以了。

這看似簡單，但面對這么多種材料，這么多的復雜的結構，又該如何求解呢?按照書本上講的直接解電磁波方程就可以嗎?很明顯，不可以。

電磁學的一個很重要的分支，就是計算電磁學。

20世紀60年代以來，隨著電子計算機技術的發展，一些電磁場的數值計算方法也迅速發展起來，并在實際工程問題中得到了廣泛地應用，形成了計算電磁學研究領域，已成為現代電磁理論研究的主流。

簡而言之，計算電磁學是在電磁場與微波技術學科中發展起來的，建立在電磁場理論基礎上，以高性能計算機技術為工具，運用計算數學方法，專門解決復雜電磁場與微波工程問題的應用科學。

相對于經典電磁理論分析而言，應用計算電磁學來解決電磁學問題時，受邊界約束大為減少，可以解決各種類型的復雜問題。原則上講，從直流到光的寬廣頻率范圍都屬于該學科的研究范圍。近幾年來，電磁場工程在以電磁能量或信息的傳輸、轉換過程為核心的強電與 弱電領域中顯示了重要作用。

電磁工程問題求解一般步驟如下：

計算電磁學中有眾多不同的算法，比如時域有限差分法(FDTD)、時域有限積分法(FITD)、有限元法(FE)、矩量法(MoM)、邊界元法(BEM)、譜域法(SM)、傳輸線法(TLM)、模式匹配法(MM)、橫向諧振法(TRM)、線方法(ML)和解析法等。

在頻域，數值算法有：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，Boundary Element Method)和傳輸線法(TLM，Transmission-Line-matrix Method)。

在時域，數值算法有：時域有限差分法(FDTD，Finite Difference Time Domain )和有限積分法(FIT，Finite Integration Technology)。

這些方法中有解析法、半解析法和數值方法。而數值方法中又分零階、一階、二階和高階方法。依照解析程度由低到高排列，其依次是：時域有限差分法(FDTD)、傳 輸線法(TLM)、時域有限積分法(FITD)、有限元法(FEM)、矩量法(MoM)、線方法(ML)、邊界元法(BEM)、譜域法(SM)、模式匹配法(MM)、橫向諧振法(TRM)和解析法。

依照結果的準確度由高到低，其分別是解析法、半解析法、數值方法。

在數值方法中，按照結果的準確度有高到低，其分別是高階、二階、一階和零階。

時域有限差分法(FDTD)、時域有限積分法(FITD)、有限元法(FEM)、矩量法(MoM)、傳輸線法(TLM)、線方法(ML)是純粹的數值方法;而邊界元法(BEM)、譜域法(SM)、模式匹配法(MM)、橫向諧振法(TRM)則均具有較高的分辨率。

模式匹配法(MM)是一個半解析法，倘若傳輸線的橫向模式是準確可得的話。理論上，模式可以是連續譜。但由于數值求解精度的限制，通常要求橫向模式是離散 譜，這就要求橫向結構上是無耗的。更通俗地講，就是無耗波導結構。換言之，MM最適用于波導空腔、高Q且在能量傳輸的某一維上結構具有一定的均勻性。

比如，它適用于兩個圓柱腔在高度維上的耦合的分析，但不適用于兩個葫蘆間的耦合分析。因為后者沒有非常明確 的模式參與能量交換，人們只能將大量的模式一并考慮，這樣就降低了MM的效用。

有限元法(FEM)是一種一階純數值方法(若用一階元的話)，它適用于任何形狀的結構，是一個通用的方法。但事物總是一分為二的，一般來說，通用方法在特殊應用領域的效率將不如特殊方法。對于高Q空腔濾波器設計，MM就遠優于 FEM。

隨著計算電磁學在工程應用領域影響力的不斷加深，商用電磁分析軟件越來越多，操作界面智能化，使得設計人員可以更加方便、直觀得進行濾波器設計、天線設計、目標電磁特性分析等。

以下是幾種方法的比較：

這里對計算電磁學中幾種主要的數值方法進行簡單的比較，即時域有限差分法(FDTD)、有限元(FEM)、矩量法(MoM)、多極子法(MMP)、幾何光學繞射法(GTD)、物理光學繞射法(PTD)和傳輸線法(TLM)。

審核編輯：湯梓紅