特邀文章

供稿：Altair；ANSYS；SIMULIA CST；是德科技；NI AWR

设计平台最大程度提升性能和缩短产品上市时间

Design Platforms Maximize Performance and Reduce Time-to-Market

Patrick Hindle，Microwave Journal总编

《微波杂志》邀请了一些业界领先的EDA软件公司介绍各自的整体方法，说明其如何帮助设计工程师跨多种工具开展优化，迅速高效地实现高性能可靠设计。下文中介绍的一些综合平台能够在统一的界面或环境中实现多个设计任务，并迅速将设计的产品投放市场。

 

Altair FEKO, HyperWorks平台软件之一

Altair FEKO, Part of HyperWorks Platform

Altair，美国密歇根州Troy

Altair的愿景是在整个产品生命周期中通过仿真、机器学习和优化来改善设计和决策，借助HyperWorks创新平台中的仿真软件工具，辅之以相关的服务和咨询可达成这一目标。工程师能够加速实现下一代移动出行解决方案来克服新能源车研发的挑战。从智能控制设计到动力总成电气化和车辆结构分析，这些解决方案能够在整个开发周期中对产品性能进行持续地优化。

Altair FEKO是主要面向电信、汽车、航空航天、国防领域的计算电磁学软件，是HyperWorks套装不可或缺的一部分。FEKO在统一license授权下提供多种频域和时域的电磁求解器，这些求解器的混合求解能够有效地解决各种类型的电磁问题，包括天线、微带电路、射频器件和生物医疗系统、电大尺寸结构的天线布局、电磁散射和系统级的电磁兼容等。FEKO还提供专为解决更具挑战性的电磁相互作用而量身定制的工具，包括用于特征模式分析和双向电缆耦合的专用求解器。FEKO同时包含用于玻璃天线和天线阵列高效求解的特殊算法。集多层快速多极子和真正的多求解器混合求解器，FEKO被认为是天线布局分析领域的领导者。

最近发布的2018版最显著的特点之一是WinProp和FEKO一起作为标准HyperWorks安装的一部分。WinProp可与FEKO对接，是用于电波传播建模和无线网络规划领域的专业工具。WinProp精确、快速的经验和半经验传播模型可应用于各种场景：野外、城市、室内、隧道以及车联网（见图1）。WinProp支持任意形式的发射机，包括蜂窝和广播站点、卫星、中继器和漏波线缆等。WinProp的传播引擎包含经验和半经验模型（可用测试结果进行校准）、3D射线跟踪模型和优势主路径模型。除了预测路径损耗，同时可以计算时延、角度扩展、LOS/NLOS、定向信道的脉冲响应、角廓线（angular profile）和传播路径等（见图2）。

图1：城市/室内混合场景的路径损耗预测

图2：包含天线极化参数的室内电波覆盖分析

FEKO的独特性体现在：

·             提供广泛而深入的技术：前、后处理，不同的求解算法、多物理耦合、受广泛关注的优化技术和高性能计算集成等；

·             基于HyperWorks Units的授权许可模式：所有Altair软件包含Altair合作伙伴联盟中的第三方产品，都可在统一的授权许可机制下使用；

·             独特的软件与服务组合：通过工程咨询完善软件产品，帮助Altair理解客户的需求，更好地制定开发计划。

FEKO 2018版本的亮点：

·             特征面技术应用于射线跟踪几何光学法（RL-GO）极大地加速了RL-GO对复杂分层结构的分析（见图3）；

·             线缆建模功能扩展，能够定义线缆路径的参考方向，提供对电缆走向的精确控制，不需要让求解器寻找线缆路径最近的接地点,提高线束分析的速度；

·             多项网格剖分功能的提升技术，包括自动剖分，网格大小由几何曲率而不是由频率等电磁属性控制；

·             支持特征模分析，无跨频点模式跟踪。

图3：自适应巡航雷达集成在带涂层的前保险杠后方

电磁应用的复杂性和电尺寸各不相同，没有单一的数值方法能够有效解决全部问题。通过提供不同求解器的一套组合，FEKO用户能够根据求解的问题选择最适合的求解方法，或者使用多种求解器进行相互交叉验证。FEKO作为一个整体已经包含所有的求解器。

 

ANSYS Electronics Desktop平台

ANSYS Electronics Desktop Platform

ANSYS公司，美国宾夕法尼亚州卡农斯堡

ANSYS Electronics Desktop是一种专为电子/电气工程师研发的设计平台。它不仅可提供统一的界面，让工程师能够访问ANSYS物理求解器（HFSS、HFSS SBR+、Maxwell、Icepak、Q3D Extractor、SIwave）和电路/系统仿真器（Nexxim、Simplorer、EMIT），而且能够直接导入ECAD/MCAD几何结构。此外，该电子桌面还能直接链接到完整的ANSYS热和力学求解器产品组合，以方便开展全面的多物理场分析。利用ANSYS Electronics Desktop，设计人员可将成熟的电磁、热、力学分析和系统电路仿真在一个全面易用的平台中进行集成。

ANSYS HFSS内置在ANSYS Electronics Desktop中。传统的MCAD界面可帮助工程师创建3D模型，如天线、连接器、外壳、引线框IC封装和波导。ECAD界面可用于PCB、IC封装和RF等叠层设计。该电子桌面的独特之处在于能够集成MCAD和ECAD，为无线产品和电子产品创建装配体，并提供全3D的HFSS仿真精度。HFSS求解器中包含经典有限元、积分方程、物理光学和弹跳射线法（SBR），能够相互结合成为多域（混合）解决方案，从而在单个项目中仿真从电小尺寸到电大尺寸的所有问题（参见图4）。

图4：ANSYS Electronics Desktop是一种功能强大的平台，能够在单个仿真中结合多种物理场、电路和系统，如图中所示的雷达系统。

电子桌面的按需求解技术让工程师能够将电磁场仿真器和电路及系统级仿真相集成，从而探索完整的系统性能。用户能够利用电磁仿真和电路仿真之间的拖放式动态链接，将高频和信号完整性分析插入到并存的项目中，从而简化问题设置和提升可靠性。在统一的界面中工作，而不是在多个不同的程序间来回切换，可以避免从一个程序向另一个程序导出数据。例如，用户能够方便地将VRM、S参数元件或IBIS-AMI模型插入到电路仿真中（参见图5）。

图5：在ANSYS Electronics Desktop中把VRM、S参数元件或IBIS-AMI模型全部集成并仿真最终系统波形。

除了支持多域和多种仿真技术之外，ANSYS Electronics Desktop还可提供多种功能，比如带加密功能的3D组件库模型、物件装配和射频干扰（RFI）系统建模等。随着通信系统对组件尺寸、重量和性能要求的不断提升，工程师必须采用新的技术和更智能的工作流程。由此获得的组件级工程能力和相关知识产权对于组件开发商和最终用户有着日益重要的价值。在多个工程团队间共享准确的3D设计数据同时保护数据的IP，这一功能对切合实际地研发新一代复杂技术极为关键。获得专利的3D电磁组件技术是模型共享领域的突破性发展，让工程师能够创建加密且得到密码保护的用户模型，从而为成功设计RF和微波系统提供所有信息。

在复杂环境中预测RFI已成为设计流程的必要环节。ANSYS Electronics Desktop与ANSYS EMIT相集成，能够为已安装的天线间耦合提供建模功能。上述软件结合而成的完整解决方案能够可靠地预测多天线环境（具有多个发射器和接收器）中的RFI影响。EMIT的强大分析引擎可以计算所有重要的RF相互作用，包括非线性系统组件影响。上述影响将产生高阶互调产物，这通常会导致RFI。众所周知，在测试环境中诊断复杂环境下的RFI非常困难，但是，利用EMIT可以通过图形化信号跟踪和诊断总结功能显示干扰信号的源头以及其到达接收器的路径，从而快速确定任何干扰的根源（参见图6）。

图6：ANSYS Electronics Desktop平台能预测RF干扰并仿真电子设备中的无线电灵敏度劣化情况。

ANSYS Electronics Desktop在通用的平台上将世界一流的物理求解器、电路和系统求解器、用于数据共享的加密3D组件库和RFI预测功能完全集成。使用这款设计平台，RF/微波设计人员就能成功地应对更高级的无线产品复杂性和系统集成挑战。

 

CST工作室套装——完整的多域和多物理场解决方案

CST STUDIO SUITE Complete Multi-Domain and Multiphysics Solution

达索系统子公司SIMULIA CST，德国达姆施塔特

SIMULIA CST的CST工作室套装（CST STUDIO SUITE）是一个电磁和多物理场仿真的3D设计环境。它既可以方便地完全参数化建模，也可以导入CAD和EDA等设计工具建好的模型。CST系统装配仿真（SAM）可以用于设计完整的电磁系统。参数扫描可以在同一模拟流程中分析不同的设计，而内置的自动优化器可用于调整和改善其性能。

为了满足设计和调整滤波器的需要，CST工作室套装提供了3D滤波器设计（Filter Designer 3D）并配有专用流程。可以用来调整极其复杂的以及带有多个通带和传输零点的滤波器。CST的快速谐振求解器和创新的移动网格方法可以使计算结果快速平滑收敛，特别适合优化非常敏感的滤波器。应用这些工具和方法，可以减少合乎设计要求所需的原型数量，与传统的物理测试相比，能节约大量的时间和金钱，

多物理场仿真对于高功率器件非常重要，因为材料中的电磁损耗引起的过热会导致损坏、膨胀和变形，从而使滤波器和谐振器等敏感元件失谐。为了在设计之初模拟和减轻这些影响，CST工作室套装可以把热和结构机械求解器集成在一起，能够模拟温度分布、热流、冷却、生物热效应和热膨胀。

设计好各个组件后，接下来可以进行系统集成。对于类似汽车这样的复杂产品，可以用不同的工具导入多个组件。比如车身、电缆束网和电路板分别来自不同的工具，通信和雷达的天线可能选自CST天线工具Antenna Magus。使用CST系统装配仿真(SAM)可以把它们集成在一个模拟系统项目里。

多个天线和其他部件通常放置于严苛和拥挤的系统环境中，同时都要满足预期的工作要求。汽车的金属车身或飞机的金属机身将影响放置于其上的天线辐射，同时里面的人体还会吸收和反射手持和可穿戴设备辐射的能量。CST工作室套装包括多种适用于大系统平台的天线模拟方法，既可计算单个天线的性能，也适于计算多个天线之间的耦合（见图7）。

图7：CST工作室套装界面中显示的模拟电场图，激励天线放置于公共汽车内

电磁兼容(EMC)和电磁干扰（EMI）是产品设计中的重要因素。如果不能及早发现已安装天线的性能和干扰问题，可能会大大延迟产品的开发，甚至不得不召回产品，不但费用增加，而且有损产品声誉。通过新的CST干扰任务（CST Interference Task），可以在设计阶段识别潜在的干扰问题，及早确保产品符合法律规定，并降低测试中出现意外问题的风险。

对于靠近人体使用的设备，电磁辐射的剂量有法规的限制。这个剂量是用比吸收率（SAR）来测量的，也可以使用CST工作室套装进行模拟，以检查设计是否符合法规要求。

CST工作室套装将所有这些功能集成到共同的用户界面中，可帮助工程师快速有效地优化设计、避免问题、减少开发时间和成本。当前软件版本为CST工作室套装2018。CST现已成为达索系统SIMULIA品牌的一部分。CST正在将其软件集成于3DEXPERIENCE平台，该平台连接CAD软件、PLM软件、协作软件和其他前沿仿真软件，以提供完整的多域和多物理场解决方案。

 

Keysight PathWave Design增加创造性工作、减少繁琐性工作

Keysight PathWave Design--More Creativity, Less Busywork

是德科技，美国加州圣罗莎

随着基底层数增加、外形尺寸缩小以及设计空间的局限，电路板设计变得日益复杂。此外，当设计完成后，设计师仍然需要处理各种物流、交接工作并承担对应的责任，这使得他们很难腾出足够的时间来设计和打造新产品。为避免遇到工作上的挫折，同时将更多时间用于创新，工程师需要一种简化工作流程的方法。

是德科技的设计平台使设计师能够专注于他们最喜欢的工作部分：创造性的设计流程。Keysight PathWave Design是一个全新的设计环境，它不仅为工程师提供了发挥创造力的空间，还提供了多样化的数据显示以方便进行数据验证，以及通用数据格式以便让工程师可以与同事们分享创意。它提供了综合性的系统、电路和电磁仿真器，以及能够无缝整合的优化器和版图设计能力，让承担各方面设计工作的工程师们可以节省研究时间，顺利完成工作（见图8）。

图8：Keysight PathWave Design提供各种模型库、仿真器、优化器、版图视图和数据显示，使得设计工程师可以专注于创造和设计。

Keysight PathWave Design以是德科技先进设计系统（ADS）和Keysight EEsof EDA提供的其他软件为基础精心打造，包括用于电磁分析的EMPro，用于信号完整性分析的SIPro和用于电源完整性分析的PIPro。使用是德科技产品进行设计的优势在于，可以借助其测量专业技术、对标准规范的深入理解以及丰富的元器件模型库，实现更成功的设计。符合行业标准的无线资源库支持根据各种最新的无线标准来验证设计，如：5G、LTE-A、802.11ac、PCI Express、USB 3，以及未来推出的各种标准。

设计完成之后，设计工程师的工作不会就此结束。与设计验证测试团队的交接不是像握手那般简单。多年以前，设计还没有如此复杂，规范也没有如此严格，只需按部就班地度过产品开发生命周期各个阶段就行了。然而，当今的产品开发生命周期已经转变，设计、验证和测试团队之间存在着十分错综复杂的关系。Keysight PathWave平台的强大功能正好可以在这方面发挥重要作用：它不仅包含设计环境，还包含了测试环境，其中提供了通用的数据格式、始终如一的用户体验和相似的控制界面。正是如此高的综合特性，使设计工程师与测试工程师的工作能够联系起来，让他们能够用相同的语言进行交流，并以全新的方式进行交互（参见图9）。

图9：PathWave Design和PathWave Test消除了设计、验证和测试团队之间的隔阂，让工程师得以在多个软件程序之间共享数据（如图中所示用于5G NR信号的程序）。

PathWave Test是一个测试自动化环境，可优化测试计划并与第三方硬件配合使用，为设计环境和制造团队提供无缝的数据传输和分析。测试团队可以更方便地告知设计工程师可能存在的问题。这样可以减少设计和测试工程师在设计迭代和故障诊断方面所花的时间，提升沟通效率。

PathWave Design环境和PathWave Test环境都位于PathWave平台内。这一系统工程平台可消除设计、测试和制造团队之间的隔阂，提供数据和即时洞察力，从而加快产品开发进度。将来，在学生查看设计时，PathWare将成为他们主要考虑的工具之一。

 

National Instruments AWR Design Environment平台

National Instruments AWR Design Environment Platform

NI AWR Group，美国加州El Segundo

NI AWR Design Environment平台在构思和开发时充分考虑了RF设计人员的需求，使每个工程师和工程团队能够在进入制造环节之前先解决设计过程的所有问题（探索、模拟、优化和验证），而且只需非常少量的设计返工即可平稳地过渡到制造和测试。

Microwave Office电路设计软件于20年前在巴尔的摩举行的IMS1998上推出，具有基于Windows的用户界面和实时调节条（见图10），引起了许多与会者的注意，使AWR及其产品开始为人所知。从一开始，该软件的整体框架就能够轻松支持第三方工具和技术，以扩充产品功能并为设计人员提供自主选择的权利，以及最大的灵活性和生产力。

图10：1998年Microwave Office软件只能进行参数调整，现已经发展到可以支持复杂结构的大规模调整。

NI AWR软件平台已经进行了扩展，提供了更多创新功能，例如AXIEM和Analyst™ 3D EM求解器、Visual System Simulator™系统仿真软件和AntSyn™天线综合技术，以及基于向导的功能和可进一步帮助RF设计人员提高生产力的第三方附件。

NI AWR Design Environment用户界面是一个基于Windows的PC专用平台，始终利用应用程序编程接口（API）和面向对象编程，通过独特的底层统一数据模型架构，以革命性的方式连接电气和物理设计。电气设计的更改会立即转化为物理设计，反之亦然，从而避免了其他工具所需的手动操作。

该软件环境的框架进一步构建为套接字（socket），适用于即插即用的工具和技术，这些工具和技术可以是软件原生的，也可以来自第三方合作伙伴。例如，NI AWR Design Environment平台内的EM Socket™接口集成了AXIEM 3D平面电磁软件和Analyst 3D EM求解器，以及Sonnet、SIMULIA CST和ANSYS等其他EM供应商的解决方案。许多其他向导和附加模块，无论是内部开发还是由合作伙伴公司开发的，都可“套接”到NI AWR软件框架中，以进一步提高工程生产力。

NI AWR Design Environment软件的高频电路、系统和EM功能解决了RF/微波产品开发的关键设计步骤，包括特性分析、仿真、探索、优化、合规性和验证等，始终秉承着软件团队“加速客户成功设计”的宗旨。

该平台的下一个创新路线之一是通过综合技术和技巧加速设计起点和探索过程。今年推出了一种新的网络综合功能，用于使用离散和分布式组件，根据用户定义的性能目标创建优化的双端口匹配网络（参见图11）。专有综合算法可搜索最佳电路类型并优化组件参数值。此功能加入了NI AWR产品组合中已有的综合工具，包括iFilter™滤波器合成和AntSyn自动天线设计、综合和优化等产品。

图11：网络综合技术解决了多频段匹配挑战。

最新上市的综合工具将帮助RF设计工程师直接根据性能规范开发新产品，从而大大加快设计过程的早期阶段。这个新模块的第一个版本作为V14版本的附件提供，尤其适用于开发宽带单级和多级放大器以及天线/放大器匹配网络。