淺析射頻/微波CAE軟件工具與設(shè)計(jì)匹配

計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）軟件工具需要花點(diǎn)時(shí)間才能熟練使用，但通過(guò)預(yù)測(cè)不同工作條件對(duì)電路或系統(tǒng)的影響，這些軟件工具能夠在產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期中節(jié)省大量時(shí)間。這些工具在射頻/微波設(shè)計(jì)領(lǐng)域中已經(jīng)不是什么新生事物了，但它們有助于高效且極具性價(jià)比地滿足用戶的設(shè)計(jì)要求。了解目前可用的各類CAE軟件工具是發(fā)揮這些工具最大作用的第一步。

射頻/微波CAE工具的起源可以追溯到四十多年前。Les Besser常被人尊稱為“微波軟件之父”，因?yàn)樗?970年在飛兆半導(dǎo)體公司（Fairchild）的微波事業(yè)部開(kāi)發(fā)過(guò)一款名為“Speedy”的程序，后來(lái)又開(kāi)發(fā)了COMPACT（微波無(wú)源與有源電路的計(jì)算機(jī)優(yōu)化）。許多公司都曾嘗試使用散射（S）參數(shù)和軟件來(lái)幫助設(shè)計(jì)射頻/微波電路，包括德州儀器（TI）及其CAIN-01程序。

這些早期的軟件工具是為時(shí)間共享型計(jì)算機(jī)編寫的，多個(gè)不同用戶只能輪流使用。在20世紀(jì)90年代初推出的IBM個(gè)人計(jì)算機(jī)（PC）改變了為微波行業(yè)開(kāi)發(fā)軟件的方式。曾在1980年收購(gòu)COMPACT的COMSAT公司為PC機(jī)開(kāi)發(fā)了SuperCOMPACT-PC，還有一款名為AUTO-ART的版圖設(shè)計(jì)程序。Synergy Microwave公司主席Ulrich Rohde后來(lái)又從COMSAT公司手里收購(gòu)了COMPACT和Super-COMPACT，并對(duì)這兩款產(chǎn)品作了進(jìn)一步完善。隨后又有許多軟件公司興起，包括位于加州西湖村市的EESof公司以及位于喬治亞州石頭山的Circuit Busters公司。就拿EESof來(lái)說(shuō)，該公司專門為IBM PC和類似計(jì)算機(jī)平臺(tái)開(kāi)發(fā)出了Touchstone微波設(shè)計(jì)軟件。

在高頻工程師開(kāi)始設(shè)計(jì)射頻/微波電路之前，必須對(duì)組成電路的“構(gòu)建材料”的質(zhì)量有一定的了解，包括印刷電路板（PCB）、集成電路（IC）和無(wú)源電路元件等。軟件工具可以包含電路元件、IC甚至PCB材料的擴(kuò)展選擇等大型庫(kù)，但無(wú)法指明可能產(chǎn)生用戶嚴(yán)格性能要求的各種成分的秘密組合。舉例來(lái)說(shuō)，用于高頻電路的PCB材料在一些關(guān)鍵的電氣和機(jī)械參數(shù)方面有很大的變化，比如相對(duì)介電常數(shù)、損耗因子以及熱膨脹系數(shù)（CTE）等。了解行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的電路構(gòu)建模塊的局限性有助于高效地使用高頻CAE軟件工具。

對(duì)于剛開(kāi)始啟動(dòng)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)來(lái)說(shuō)，射頻/微波設(shè)計(jì)軟件的選擇似乎是壓倒一切的工作。市場(chǎng)上有許多軟件工具，有用于線性和非線性電路分析與設(shè)計(jì)的，有用于電磁（EM）分析與設(shè)計(jì)的，也有用于系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)的?，F(xiàn)代商用CAE軟件包往往都配備好了器件模型，包括像封裝在一起的和單片分立二極管、晶體管和封裝在一起的IC等有源器件。不過(guò)，一款有用的軟件工具必須提供導(dǎo)入數(shù)據(jù)的途徑，例如從微波矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）導(dǎo)入，目的是要基于S參數(shù)數(shù)據(jù)為新的或還沒(méi)有收錄在軟件器件庫(kù)中的器件建立模型。

不同類型的設(shè)計(jì)軟件具有不同的功能。雖然一款電路仿真器或完整的設(shè)計(jì)工具套件可能非常適合傳統(tǒng)的微帶線或帶狀線電路設(shè)計(jì)，但一款平面三維（3D）電磁（EM）仿真器可以讓人更深入地了解作為天線或天線陣列一部分的電路的行為。完整的3D電磁仿真器可以分析感興趣對(duì)象的所有三維電磁場(chǎng)，比如同軸連接器或輻射電纜（有時(shí)也被用作天線）。

事實(shí)上，包括Sonnet Software在內(nèi)的許多家公司都提供獨(dú)立的電磁仿真器程序。也有些公司將電磁仿真器作為軟件工具套件中的一部分，這些包括安捷倫科技（Agilent）、ANSYS、Computer Simulation Technology（CST）和明導(dǎo)國(guó)際（Mentor Graphics）。這些電磁仿真器中采用的技術(shù)多種多樣，從明導(dǎo)公司IE3D電磁仿真器中幫助加速二維（2D）平面天線仿真的矩量法（MoM）分析技術(shù)到ANSYS基于頻域的高頻結(jié)構(gòu)仿真器（HFSS）電磁仿真器中采用有限元方法（FEM）分析技術(shù)的完全3D仿真。CST公司的Microwave Studio套件通過(guò)基于時(shí)域的完美邊界近似（PBA）分析方法也提供3D電磁分析功能。

一些商用的軟件設(shè)計(jì)包非常專業(yè)。例如，AMPSA公司專注于放大器和阻抗匹配程序的設(shè)計(jì)。Ampsa放大器設(shè)計(jì)向?qū)В?a target="_blank">ADW）與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化程序完全不同，它能夠借助電路元件綜合技術(shù)為放大器目標(biāo)性能更快地找到所需要的電路元件值。該軟件為了得到最適合的元件值會(huì)執(zhí)行大量系統(tǒng)化搜索，然后對(duì)找到的電路元件進(jìn)行優(yōu)化。
擴(kuò)展支持

射頻/微波軟件設(shè)計(jì)工具的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)是對(duì)其它制造商提供的設(shè)計(jì)軟件的擴(kuò)展支持。例如，Sonnet Software公司最近發(fā)布的一個(gè)軟件版本（版本13.56）就擴(kuò)展了Sonnet的應(yīng)用編程接口（API），可支持安捷倫的先進(jìn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)（ADS 2011）設(shè)計(jì)軟件工具套件。新的鏈接允許ADS 2011用戶從ADS版圖設(shè)計(jì)中激活Sonnet的三維（3D）平面電磁仿真引擎。當(dāng)在ADS 2011環(huán)境下工作時(shí)，Sonnet電磁抽取過(guò)程能夠創(chuàng)建一種新的模型單元，這種單元具有版圖、原理圖和類似版圖的符號(hào)視圖。

Sonnet軟件還能與Cadence Design Systems公司的Cadence Virtuoso IC設(shè)計(jì)軟件和AWR公司的Microwave Office軟件一起工作。Sonnet公司營(yíng)銷副總裁Shawn Carpenter解釋說(shuō)：“借助Sonnet，你就擁有了一個(gè)能夠在kHz直到THz頻率范圍內(nèi)完成精確模型提取的解算器。射頻設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在就可以通過(guò)Cadence Virtuoso、Agilent ADS 2011和AWR Microwave Office中的自動(dòng)化API無(wú)縫地實(shí)現(xiàn)這種功能強(qiáng)大且精確的電磁模型抽取——甚至不必打開(kāi)我們自己的項(xiàng)目編輯器?！?/p>

當(dāng)然，并不是所有的射頻/微波設(shè)計(jì)工具都很昂貴。來(lái)自Microwave Software公司的MicroWorks Design包價(jià)格只有149.95美元，其中包含了多種軟件設(shè)計(jì)工具。這個(gè)設(shè)計(jì)包具有6個(gè)不同的設(shè)計(jì)功能，包括利用屏幕上的交互式Smith 圖設(shè)計(jì)匹配網(wǎng)絡(luò)的SmithMatch；設(shè)計(jì)完整的雙端口、三端口和四端口網(wǎng)絡(luò)的Sceptre；以及設(shè)計(jì)微帶電路的MStrip+。

利用免費(fèi)工具

在嘗試更加深入地了解不同的CAE工具時(shí)，充分利用“免費(fèi)”程序或免費(fèi)試用版是個(gè)不錯(cuò)的主意。許多全功能射頻/微波CAE軟件套件供應(yīng)商都提供試用版來(lái)幫助用戶入門，例如Autodesk公司的AutoCAD 2D/3D電路版圖軟件，就可以從網(wǎng)上下載到30天免費(fèi)試用版。該軟件提供Macintosh計(jì)算機(jī)和PC機(jī)兩套版本。AWR公司也提供目前非常流行的Microwave Office電路與電磁設(shè)計(jì)工具套件的試用版。

AppCAD是一款知名度更高的免費(fèi)軟件工具，其價(jià)值多年來(lái)已經(jīng)過(guò)了反復(fù)證明。AppCAD最初是由惠普的微波半導(dǎo)體事業(yè)部（現(xiàn)在的安華高科技）開(kāi)發(fā)的，它包含了一套很有用的計(jì)算器，特別適合使用分立元件或IC的電路與系統(tǒng)設(shè)計(jì)。