用電磁和數(shù)學(xué)軟件設(shè)計射頻/微波

　　軟件在高頻設(shè)計中發(fā)揮的作用越來越大，特別是在更多的功能被集成進更小的電路中這一發(fā)展趨勢下。設(shè)計工程師在計算機輔助工程(CAE)軟件工具方面有很多選擇，從全功能多程序套件到單功能工具。有兩種更通用的工具類型——數(shù)學(xué)和電磁(EM)程序，對分析從天線到波導(dǎo)的各種設(shè)計有很大的幫助。

　　電磁仿真程序利用麥克斯韋方程分析高頻和其它結(jié)構(gòu)，并計算這些結(jié)構(gòu)的電磁場行為。分析結(jié)果可以是兩維(2D平面)或三維(3D)場的信息，或兩者結(jié)合成為2.5D。由于電磁仿真程序要用計算密集型算法演算代表每個頻率點的麥克斯韋方程的矩陣，一些較老的程序在演算復(fù)雜結(jié)構(gòu)時要么需要很長的時間，要么需要計算機群集的強大處理能力來縮短運算時間。然而，隨著多內(nèi)核微處理器的工作時鐘頻率越來越高，電磁代碼編寫者可以充分利用新開發(fā)的并行處理能力加快電磁仿真器的仿真速度。

　　例如，Sonnet Software公司推出的最新版SONNET套件專業(yè)軟件集，即版本12，能夠充分利用多內(nèi)核中央處理單元(CPU)的并行處理功能提供比以前版本更快的仿真速度。Sonnet的矩陣演算器專門針對并行處理作了優(yōu)化，在運算速度方面取得了顯著提高，在使用帶雙四核微處理器的典型工作站時速度可以提高7倍。

　　Sonnect公司還開發(fā)了兩種新版本的電磁分析引擎。Sonnet的臺式演算器(Desktop Solver)是專門針對典型的個人計算機(PC)開發(fā)的，可以使用兩個并行的CPU內(nèi)核縮短運算時間。Sonnet的高性能演算器(High Performance Solver)則是針對具有雙四內(nèi)核CPU的高端工作站開發(fā)的，可以在多達8個CPU內(nèi)核上為每個頻率提供八向并行解決方案。結(jié)合改進的網(wǎng)格算法，Sonnet公司的這些最新分析引擎的演算速度可以比公司舊版軟件快50倍。

　　2009版本的ADS軟件有助于電路、封裝、電路板和系統(tǒng)設(shè)計工程師采用單一軟件平臺工作。

　　Remcom公司的XFdtd版本7(XF7)是另外一種利用共享內(nèi)存多處理器(MPM)技術(shù)的電磁仿真器。這個全波電磁演算器采用時域有限差分(FDTD)分析方法，其最新版本非常適合天線設(shè)計與分析、生物電磁分析(比如對電磁能量特殊吸引率(SAR)的研究)和微波電路設(shè)計。這款軟件提供一個流水線式的用戶接口，可以獨立運行于Windows、Mac OS X和Linux操作系統(tǒng)之上，分為Pro和Bio-Pro兩個版本。這兩種版本都內(nèi)置32位或64位的分析模塊、幾何建模器和后置處理器能力，可與多至8個微處理器內(nèi)核和各種3D CAE導(dǎo)入模塊共享存儲器。Bio-Pro版本還提供SAR功能。

　　Ansoft公司最新版的高頻結(jié)構(gòu)仿真器(HFSS)軟件版本11也是為了提高處理速度而設(shè)計的。這個全波三維電磁場仿真器在演算復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)時所需時間更短，同時消耗更少的計算機內(nèi)存。最新版本可以提供新的自動化特性、用戶接口改進和數(shù)據(jù)鏈路功能。新功能包括更高階分層基礎(chǔ)功能，與反復(fù)型演算器一起可以實現(xiàn)圍繞多波長結(jié)構(gòu)的更小網(wǎng)格；處理更低頻率的增強型端口演算器；可分析頻率選擇性表面和相控陣列天線的Floquet端口。

　　高頻軟件工具的另一個趨勢是在電路仿真器中增加電磁兼容/電磁干擾(EMC/EMI)仿真功能，其目的是優(yōu)化元器件和電路的信號完整性(SI)性能。比如Computer Simulation Technology (CST)公司宣稱在其CST STUDIO SUITE軟件工具集中集成了電纜、PCB和EMC/EMI仿真功能。這個軟件套件包含了作為CST DESIGN ENVIRONMENT設(shè)計環(huán)境一部分的CST PCB STUDIO和CST CABLE STUDIO程序，可以利用CST MICROWAVE STUDIO時域演算器優(yōu)化三維元器件。

　　為了方便信號完整性研究，Zeland Software公司現(xiàn)推出用于開發(fā)封裝、PCB、集成電路(IC)和單片微波集成電路(MMIC)的IE3DSI軟件。該軟件采用自動化的“版圖到電磁模型設(shè)計流程”，而且這種流程可以與Cadence公司的Allegro PCB/Package Designer以及AWR Microwave Office、AutoCAD DXF和GDSII數(shù)據(jù)庫集成在一起。IE3DSI軟件支持自動三維幾何模型創(chuàng)建，包括綁定線、電介材料厚度和互連。它還具有私有的非均勻網(wǎng)格產(chǎn)生和自適應(yīng)曲線擬合功能，支持快速和精確的處理。

　　Zeland公司的IE3D-SI具有混合域SPICE仿真功能，可用于分析時域中的瞬態(tài)行為，并研究包括互連在內(nèi)的無源結(jié)構(gòu)的時間-諧波特性。該軟件能夠完成寬帶SPICE模型提取，執(zhí)行測試信號仿真和分析，并能進行隨機或抖動方面的傳輸線分析——支持帶眼圖顯示功能的時鐘信號分析。

　　作為電磁軟件工具集成度提高的象征，安捷倫科技公司推出的2009版本的高級設(shè)計系統(tǒng)(ADS)軟件有助于電路、封裝、電路板和系統(tǒng)設(shè)計師采用單一軟件平臺工作(見圖)。除了包含最新蜂窩和無線標準(包括LTE和WiMAX)方面的眾多元件模型外，這個軟件套件通過對數(shù)千兆位高速串行鏈路的快速眼圖優(yōu)化而支持信號完整性研究，其中版圖幾何尺寸、預(yù)加重和量化專門針對最低誤碼率(BER)作了優(yōu)化。

　　ADS2009使用了安捷倫公司的X-參數(shù)，這是基于非線性測量數(shù)據(jù)的器件參數(shù)，可用來研究放大器和晶體管的線性行為。ADS2009還具有代表金屬屏蔽罩、天線屏蔽器、吸收器、封裝、互連、有限電介基底和線綁定的三維電磁參數(shù)化元件。為了提高效率，ADS2009還能與Cadence和Mentor Graphics的工具一起使用。

　　AWR公司向電磁仿真軟件用戶發(fā)起了挑戰(zhàn)，它的演算器AXIEM三維平面電磁仿真器可以提高另外一個商用平面電磁仿真器創(chuàng)造的處理速度記錄。AXIEM電磁仿真器可以與AWR的Microwave Office和Analog Office無縫集成。

　　數(shù)學(xué)軟件在應(yīng)用方面比電磁仿真器更通用，因為只要關(guān)系可以被公式定義的地方就會有數(shù)學(xué)軟件。數(shù)學(xué)軟件可以用在電氣和電子設(shè)計以及生物、化學(xué)、機械和熱研究領(lǐng)域。有關(guān)數(shù)學(xué)軟件的更多信息可以參考眾多網(wǎng)站，包括Drexel大學(xué)的數(shù)學(xué)論壇，上面客觀地*價了有關(guān)商用符號處理器的免費數(shù)學(xué)程序和信息，如MathCAD、Maple和Mathematica。美國科學(xué)和技術(shù)研究院(NIST)也在www.gams.nist.gov網(wǎng)站上提供了可用數(shù)學(xué)軟件指南(GAMS)，為那些在數(shù)學(xué)軟件方面尋找更多信息的用戶提供幫助。

　　在商用封裝方面，Maplesoft公司推出的Maple Toolbox for MATLAB是用來與The Mathworks公司的MATLAB數(shù)學(xué)軟件一起使用的工具集。Maple Toolbox for MATLAB可以用確切數(shù)量工作，包括小數(shù)、根和符號。它能快速精確地完成簡化任務(wù)。使用符號化技術(shù)，數(shù)字近似值可以被延遲直到需要時，并與問題中的符號參數(shù)一起使用。該軟件可以訪問Maple中4000多個數(shù)學(xué)函數(shù)，覆蓋廣泛的主題，如微分方程、統(tǒng)計、微積分和線性代數(shù)。

　　Mathsoft公司提供的最新版Mathcad版本14在一張工作表中集成了標準數(shù)學(xué)符號、文本和圖形。該軟件使用方便，不需要專門的編程技術(shù)。Mathcad還為全球合作和知識產(chǎn)權(quán)(IP)保護提供完整的unicode支持。新的工作表分析功能允許工作表進行并排比較。