射频/微波CAE工具了解与设计需求匹配 - 全文

　　计算机辅助工程（CAE）软件工具需要花点时间才能熟练使用，但通过预测不同工作条件对电路或系统的影响，这些软件工具能够在产品设计周期中节省大量时间。这些工具在射频/微波设计领域中已经不是什么新生事物了，但它们有助于高效且极具性价比地满足用户的设计要求。了解目前可用的各类CAE软件工具是发挥这些工具最大作用的第一步。

　　射频/微波CAE工具的起源可以追溯到四十多年前。Les Besser常被人尊称为“微波软件之父”，因为他于1970年在飞兆半导体公司（Fairchild）的微波事业部开发过一款名为“Speedy”的程序，后来又开发了COMPACT（微波无源与有源电路的计算机优化）。许多公司都曾尝试使用散射（S）参数和软件来帮助设计射频/微波电路，包括德州仪器（TI）及其CAIN-01程序。

　　这些早期的软件工具是为时间共享型计算机编写的，多个不同用户只能轮流使用。在20世纪90年代初推出的IBM个人计算机（PC）改变了为微波行业开发软件的方式。曾在1980年收购COMPACT的COMSAT公司为PC机开发了SuperCOMPACT-PC，还有一款名为AUTO-ART的版图设计程序。Synergy Microwave公司主席Ulrich Rohde后来又从COMSAT公司手里收购了COMPACT和Super-COMPACT，并对这两款产品作了进一步完善。随后又有许多软件公司兴起，包括位于加州西湖村市的EESof公司以及位于乔治亚州石头山的Circuit Busters公司。就拿EESof来说，该公司专门为IBM PC和类似计算机平台开发出了Touchstone微波设计软件。

　　在高频工程师开始设计射频/微波电路之前，必须对组成电路的“构建材料”的质量有一定的了解，包括印刷电路板（PCB）、集成电路（IC）和无源电路元件等。软件工具可以包含电路元件、IC甚至PCB材料的扩展选择等大型库，但无法指明可能产生用户严格性能要求的各种成分的秘密组合。举例来说，用于高频电路的PCB材料在一些关键的电气和机械参数方面有很大的变化，比如相对介电常数、损耗因子以及热膨胀系数（CTE）等。了解行业标准的电路构建模块的局限性有助于高效地使用高频CAE软件工具。

　　对于刚开始启动项目的设计团队来说，射频/微波设计软件的选择似乎是压倒一切的工作。市场上有许多软件工具，有用于线性和非线性电路分析与设计的，有用于电磁（EM）分析与设计的，也有用于系统级设计的。现代商用CAE软件包往往都配备好了器件模型，包括像封装在一起的和单片分立二极管、晶体管和封装在一起的IC等有源器件。不过，一款有用的软件工具必须提供导入数据的途径，例如从微波矢量网络分析仪（VNA）导入，目的是要基于S参数数据为新的或还没有收录在软件器件库中的器件建立模型。

　　不同类型的设计软件具有不同的功能。虽然一款电路仿真器或完整的设计工具套件可能非常适合传统的微带线或带状线电路设计，但一款平面三维（3D）电磁（EM）仿真器可以让人更深入地了解作为天线或天线阵列一部分的电路的行为。完整的3D电磁仿真器可以分析感兴趣对象的所有三维电磁场，比如同轴连接器或辐射电缆（有时也被用作天线）。

　　事实上，包括Sonnet Software在内的许多家公司都提供独立的电磁仿真器程序。也有些公司将电磁仿真器作为软件工具套件中的一部分，这些包括安捷伦科技（Agilent）、ANSYS、Computer Simulation Technology（CST）和明导国际（Mentor Graphics）。这些电磁仿真器中采用的技术多种多样，从明导公司IE3D电磁仿真器中帮助加速二维（2D）平面天线仿真的矩量法（MoM）分析技术到ANSYS基于频域的高频结构仿真器（HFSS）电磁仿真器中采用有限元方法（FEM）分析技术的完全3D仿真。CST公司的Microwave Studio套件通过基于时域的完美边界近似（PBA）分析方法也提供3D电磁分析功能。

　　一些商用的软件设计包非常专业。例如，AMPSA公司专注于放大器和阻抗匹配程序的设计。Ampsa放大器设计向导（ADW）与传统的设计优化程序完全不同，它能够借助电路元件综合技术为放大器目标性能更快地找到所需要的电路元件值。该软件为了得到最适合的元件值会执行大量系统化搜索，然后对找到的电路元件进行优化。

　　扩展支持

　　射频/微波软件设计工具的一个发展趋势是对其它制造商提供的设计软件的扩展支持。例如，Sonnet Software公司最近发布的一个软件版本（版本13.56）就扩展了Sonnet的应用编程接口（API），可支持安捷伦的先进设计系统（ADS 2011）设计软件工具套件。新的链接允许ADS 2011用户从ADS版图设计中激活Sonnet的三维（3D）平面电磁仿真引擎。当在ADS 2011环境下工作时，Sonnet电磁抽取过程能够创建一种新的模型单元，这种单元具有版图、原理图和类似版图的符号视图。

　　Sonnet软件还能与Cadence Design Systems公司的Cadence Virtuoso IC设计软件和AWR公司的Microwave Office软件一起工作。Sonnet公司营销副总裁Shawn Carpenter解释说：“借助Sonnet，你就拥有了一个能够在kHz直到THz频率范围内完成精确模型提取的解算器。射频设计人员现在就可以通过Cadence Virtuoso、Agilent ADS 2011和AWR Microwave Office中的自动化API无缝地实现这种功能强大且精确的电磁模型抽取——甚至不必打开我们自己的项目编辑器。”

　　当然，并不是所有的射频/微波设计工具都很昂贵。来自Microwave Software公司的MicroWorks Design包价格只有149.95美元，其中包含了多种软件设计工具。这个设计包具有6个不同的设计功能，包括利用屏幕上的交互式Smith 图设计匹配网络的SmithMatch；设计完整的双端口、三端口和四端口网络的Sceptre；以及设计微带电路的MStrip+。

　　利用免费工具

　　在尝试更加深入地了解不同的CAE工具时，充分利用“免费”程序或免费试用版是个不错的主意。许多全功能射频/微波CAE软件套件供应商都提供试用版来帮助用户入门，例如Autodesk公司的AutoCAD 2D/3D电路版图软件，就可以从网上下载到30天免费试用版。该软件提供Macintosh计算机和PC机两套版本。AWR公司也提供目前非常流行的Microwave Office电路与电磁设计工具套件的试用版。

　　AppCAD是一款知名度更高的免费软件工具，其价值多年来已经过了反复证明。AppCAD最初是由惠普的微波半导体事业部（现在的安华高科技）开发的，它包含了一套很有用的计算器，特别适合使用分立元件或IC的电路与系统设计。

　　有些时候器件制造商甚至也会为他们的某些产品提供设计软件，例如ADI公司针对其数字转换器和锁相环（PLL）器件所提供的。该公司最新版的ADIsimRF设计工具支持工程师利用射频至数字功能块创建射频信号链。另外，ADIsimPLL 3.4版本为该公司的PLL产品线提供了一系列设计工具。这两种软件程序都可以从ADI公司网站上免费下载。