2.5 RF及三维电磁场求解器工具

在信号完整性的仿真分析中，期间模型建模的准确性至关重要。在做信号分析时，需要将整个通信链路的拓扑走线在软件里进行模拟。仿真首先需要对电路中的各个部分进行建模，包括有源IC、无源元件（电阻R、电感L、电容C等）、PCB走线、过孔、接插件和电缆等，模型的准确性决定了仿真的准确性。在仿真中，有源IC采用IBIS行为级模型；阻容器件采用Spice电气模型；传输线、过孔和接插件等采用S参数模型。这就构建了发送端芯片模型→传输线→接收端芯片模型的拓扑结构（此链路上可能会有相应的过孔、阻容器件等，用相应的模型对应）。对于射频、微波电路的设计，需要对相应的3D高频结构进行麦克斯韦方程组的求解。

基于此类设计的需求，各类EDA软件不断涌现，常用的RF及三维电磁场求解器工具有ADS（Advance Design System）、ANSYS Electromagnetics Suite、CST和AWR Design Environment。

2.5.1 ADS

ADS是Agilent公司推出的应用于芯片、电路及系统级设计的先进仿真设计软件，该软件是在HP EESOF系列EDA软件基础上发展完善起来的大型综合设计软件，是美国安捷伦公司开发的大型综合设计软件，是为系统和电路工程师提供的可开发各种形式的射频电路设计的，对于通信和航天／防御的应用，它可提供从最简单到最复杂，从离散射频/微波模块到集成MMIC 的设计。对电路元件的仿真、模式识别的提取和新的仿真技术提供了高性能的仿真特性。该软件可以在微机上运行，其前身是工作站运行的版本MDS（Microwave Design System）。该软件还提供了一种新的滤波器的设计引导，可以使用智能化设计规范的用户界面来分析和综合射频/微波回路集总元件滤波器，并可提供对平面电路进行场分析和优化的功能。它允许工程师定义频率范围、材料特性、参数的数量和根据用户的需要自动产生关键的无源器件模式。该软件范围涵盖了小至元器件，大到系统级的设计和分析。尤其是其强大的仿真设计手段可在时域或频域内实现对数字或模拟、线性或非线性电路的综合仿真分析与优化，并可对设计结果进行成品率分析与优化，从而大大提高了复杂电路的设计效率，使之成为设计人员的有效工具。

ADS Momentum基于矩量法实现对电磁场的求解，ADS EMDS基于有限元算法实现对电磁场的求解。ADS非常适合计算第三维度上均匀变化的结构，如多层PCB的设计、无源电路的设计和RFIC/MMIC等 [16] 。目前最新的版本是ADS2013.06，ADS可以与Cadence、Matlab、MentorGraphics和CST等软件进行协同仿真分析，基于ADS可以进行时域仿真分析、频域仿真分析、模拟电路仿真分析、数字电路仿真分析和非线性电路仿真分析，根据仿真的项目不同，具体可以分为直流（DC）仿真控制器、交流（AC）仿真控制器、S参数仿真控制器、谐波平衡（HB）仿真控制器、大信号 S 参数（LSSP）仿真控制器、增益压缩（XDB）仿真控制器、包络（ENVELOPE）仿真控制器和瞬态（TRANSIENT）仿真控制器。根据时域分析、频域分析、线性领域分析和非线性领域的角度，对各类分析进行拓扑归类，如图2-98所示。

直流（DC）仿真用于测试电路的直流工作点特性，是其他各类仿真的基础，在执行交流仿真和S参数仿真时，直流仿真用于确定非线性元件的线性模型；对于谐波平衡仿真、电路包络仿真和瞬态仿真，直流仿真用于对非线性参数做初步的估算。交流（AC）仿真可以用于分析电路的小信号特性和电路的噪声特性。S参数仿真广泛应用于高速电路互连通道和微波网络的分析，通过S参数仿真分析，可以计算出入射波与反射波的关系，从而计算出Return Loss（回波损耗）、Insert Loss（插入损耗）。谐波平衡（HB）仿真分析是研究非线性电路的非线性特性和系统失真的频域仿真分析法，一般适合模拟射频微波电路的仿真。电路包络（ENVELOPE）仿真技术结合了时域和频域方法的特点，将谐波平衡法和时域仿真技术结合在一起，类似谐波平衡法，描述了电路的非线性行为和信号包含的谐波成分，同时在时域中得到扩展，不被局限在仅描述稳态行为的范围内。瞬态（TRANSIENT）仿真分析类似于示波器的探测分析，可以测量电路在一段时间内运行时各个节点处的电压和电流等参数。ADS的工作界面如图2-99所示。

2.5.2 ANSYS Electromagnetics Suite

ANSYS Electromagnetics Suite15是ANSYS最新推出的电路、电磁开发设计套件，包含ANSYS Designer、ANSYS SIwave、ANSYS HFSS、ANSYS Q3D Extractor、ANSYS Maxwell和ANSYS Simplorer组件。对于电路设计与电磁设计来说，常用的是ANSYS Designer、ANSYS SIwave、ANSYS HFSS和ANSYS Q3D Extractor，其相应的工作界面如图2-100所示。

ANSYS Designer是功能相当强大的时域仿真软件，可以进行直流分析、线性网络分析、瞬态分析、眼图分析（如USB、HDMI的差分走线特性）和AMI分析，与频域分析工具（如SIwave、HFSS等）结合能够有效地仿真包括串扰、反射、SSN/SSO等。

SIwave是全波2.5D的场求解器，对走线（Trace）的求解采用矩量法（Method of Moments，MOM），对平面（Plane）的求解采用有限元法（Finite Element Method，FEM），官方数据显示可以仿真的频率上限是50GHz。它在频域分析领域非常有名，可以用来进行IR Drop分析、平面谐振分析、SYZ参数的提取、PCB远场（far-field）与近场（near-field）的EMI辐射分析等。当走线通过谐振较强的区域时，其信号相当于走在一个浮动的参考平面（Reference Plane）上，走线的SI性能会很差；如果该区域走线与对应的过孔所形成的长度正好是该点出谐振频点的1/4波长，则容易形成天线，在该点的近场辐射。对于PI电源完整性的分析，需要借助于Z参数的计算分析Power to GND的目标阻抗（Target Impedance），目标阻抗（Target Impedance）是进行PI分析时的关键参数，尽管最终要在时域中测量和验证电源噪声，但是首先要设计和优化PDN的阻抗特性，然后再做时域上的测量和验证（如果有必要，以及瞬态时域电流已知），这样更简单、直接。对于走线特性的分析，一般要借助于提取走线的S参数进行分析，常用的指标是S11（Return Loss，回波损耗，也称反射系数）和S21（Insert Loss，插入损耗，也称顺向穿透系数）。在SIwave中还可以根据TDR（时域反射计）分析走线阻抗不连续的地方。

ANSYS HFSS是一个被广泛应用的3D全波电磁仿真软件，采用有限元素分析法（Finite Element Method，FEM） [17] ，是目前业界在模拟准度上最被广泛认可的3D EM Tool，对高速信号通道中的PCB、过孔、封装和连接器等进行精确的建模、仿真与设计，能够有效分析3D结构的谐振特性和辐射特性。

ANSYS Q3D Extracotr的功能和HFSS类似，但功能没HFSS那么强，在低频时比较实用，主要应用于二维和三维结构的准静态电磁场RLGC参数的提取，并计算得到电流分布、电压分布、CG和RL参数矩阵。

2.5.3 CST

CST是基于FDTD（时域有限差分法）电磁场求解算法的高频结构电磁仿真器，它能对3D复杂结构进行高精度的仿真，在超宽带的计算上有时间优势，在电大尺寸的仿真分析时精度较高。CST是为快速、精确仿真电磁场高频问题而专门开发的EDA工具，是基于PC及Windows环境下的仿真软件。它主要应用在复杂设计和更高的谐振结构中。CST通过散射参数使电磁场元件结合在一起。它把复杂的系统分离成更小的子单元，通过对系统每一个单元行为的S参数的描述，可以快速地分析和降低系统所需的内存。CST考虑了在子单元之间高阶模式的耦合，结构分成小部分而没有影响系统的准确性。传统的电路仿真软件仿真是快速的，但是当考虑集肤效应损耗和材料的复杂性时，结果的准确性将受到大幅度的影响。CST的3D仿真软件克服了这种限制，可以解决任意几何形状下所建立的麦克斯韦方程，包括复杂的材料模式。CST MICROWAVE STUDIO可以应用在仿真电磁场领域，包括应用在大多数的高频电磁场问题上，如移动通信、无线设计、信号完整性和电磁兼容（EMC）等。其具体应用范围包括耦合器、滤波器、平面结构电路、连接器、IC封装、各种类型天线、微波元器件、蓝牙技术和电磁兼容/干扰等。其分析的指标范围包含TDR、Signal Integrity、Thermal analysis、Packaging、Power Integrity、EMC/EMI、Cross Talk、IR Drop、Filter Analysis、Antenna directivity、Antenna Performance、SAR、RFID和Sensors。

CST2013是目前的最新版本，包含的工作室有CST MICROWAVE、CST EM STUDIO、CST PARTICLE STUDIO、CST MPHYSICS STUDIO、CST DESIGN STUDIO、CST PCB STUDIO、CST CABLE STUDIO和CST MICROSTRIPES。其图形工作界面如图2-101所示。

2.5.4 AWR Design Environment

AWR Design Environment中的Microwave Office软件（10.04版本的图形界面如图2-102所示）是一款与ADS类似的仿真软件，采用矩量法（Method of Momentum，MoM）。该软件是通过两个模拟器来对微波平面电路进行模拟和仿真的。对于由集总元件构成的电路，用电路的方法来处理较为简便。该软件设有VoltaireXL模拟器来处理集总元件构成的微波平面电路问题。而对于由具体的微带几何图形构成的分布参数微波平面电路则采用场的方法较为有效，该软件采用EMSight的模拟器来处理任何多层平面结构的三维电磁场问题。

VoltaireXL模拟器内设一个元件库，在建立电路模型时，可以调出微波电路所用的元件，其中无源器件有电感、电阻、电容、谐振电路、微带线、带状线和同轴线等，非线性器件有双极晶体管、场效应晶体管和二极管等。

EMSight模拟器是一个三维电磁场模拟程序包，可用于平面高频电路和天线结构的分析。其特点是把修正谱域矩量法与直观的视窗图形用户界面（GUI）技术结合起来，使得计算速度加快许多。它可以分析射频集成电路（RFIC）、微波单片集成电路（MMIC）、微带贴片天线和高速印制电路（PCB）等的电气特性。